1、 诺贝尔物理学奖百年回眸获奖年代 获奖者姓名 国籍 获奖原因1901 W.C.伦琴 德 发现伦琴射线(X 射线)H.A.洛伦兹 1902 P.塞曼 荷兰 磁场对辐射现象的影响的研究H.A.贝克勒尔P.居里1903M.居里法 发现天然铀元素的放射性放射性物质的研究，发现放射性元素钋与镭并发现钍也有放射性1904 L.瑞利 英 在气体密度的研究中发现氩1905 P.莱纳德 德 阴极射线的研究1906 J.J 汤姆孙 英 通过气体电传导性的研究，测出电子的电荷与质量的比值1907 A.A 迈克耳孙 美 创造精密的光学仪器和用以进行光谱学度量学的研究，精确测出光速 1908 G.李普曼 法 发明应用干
2、涉现象的天然彩色摄影技术G.马可尼 意1909C.F.布劳恩 德发明无线电极及其对发展无线电通讯的贡献诺贝尔奖金物理学奖获得者 1910 J.D.范德瓦耳斯 荷兰 对气体和液体状态方程的研究1911 W.维恩 德 热辐射定律的导出和研究1912 N.G.达伦 瑞典 发明点燃航标灯和浮标灯的瓦斯自动调节器1913 H.卡末林.昂内斯 荷兰 在低温下研究物质的性质并制成液态氦1914 M.V.劳厄 德发现伦琴射线通过晶体时的衍射，既用于决定 X 射线的波长又证明了晶体的原子点阵结构W.H.布拉格1915W.L.布拉格英 用伦琴射线分析晶体结构1917 C.G.巴克拉 英 发现标识元素的次级伦琴辐射
3、1918 M.V.普朗克 德 研究辐射的量子理论，发现基本量子，提出能量量子化的假设，解释了电磁辐射的经验定律1919 J.斯塔克 德 发现阴极射线中的多普勒效应和原子光谱线在电场中的分裂1920 C.E.纪尧姆 法 发现镍钢合金的反常性以及在精密仪器中的应用1921 阿尔伯特.爱因斯坦 美籍德国人对现物理方面的贡献，特别是阐明光电效应的定律1922 尼尔斯.H.D.玻尔 丹麦研究原子结构和原子辐射，提出他的原子结构模型1923 罗伯特.安德罗.密立根 美国研究元电荷和光电效应，通过油滴实验证明电荷有最小单位 1924 卡尔.M.G.西格班 瑞典伦琴射线光谱学方面的发现和研究詹姆斯.弗兰克 美
4、籍德国人1925古斯塔夫.赫兹 德国发现电子撞击原子时出现的规律性1926 让.B.佩兰 法国研究物质分裂结构，并发现沉积作用的平衡阿瑟.荷里.康普顿 美国 发现康普顿效应1927查了里斯.T.R. 威耳逊 英国发明用云雾室观察带电粒子，使带电粒子的轧迹变为可见1928 欧文.威廉斯.理查森 英国热离子现象的研究，并发现里查孙定律1929 路易.唯克托.德布罗意 法国 电子波动性的理论研究1930钱德拉赛哈拉.文迦达.拉曼印度 研究光的散射并发现拉曼效应1932 威尔纳.海森伯 德国创立量子力学，并导致氢的同素异形的发现1933 欧文薛定谔 奥地利 量子力学的广泛发展保罗.A.M. 狄拉克 英
5、国量子力学的广泛发展，并预言正电子的存在1935 詹姆斯查德威克 英国 发现中子卡尔戴维安德森 美国 发现正电子1936维克托弗朗西斯赫斯 美人 发现宇宙射线克林顿约瑟夫安德森 美国通过实验发现晶体对电子的衍射作用1937乔治佩杰特汤姆孙 英国通过实验发现受电子照射的晶体中的干涉现象1938 恩里科费米 意大利发现新放射性元素和慢中子引起的核反应1939 欧内斯特O劳伦斯 美国研制回旋加速器以及利用它所取得的成果，特别是有关人工放射性元素的研究1943 O.施特恩 美 测定质子磁矩1944 I.I.拉比 美 用共振方法测量原子核的磁性1945 W.泡利 奥 发现泡利不相容原理1946 P.W.
6、布里奇曼 美研制高压装置并创立了高压物理1947 E.V.阿普顿 英发现电离层中反射无线电波的阿普顿层1948 P.M.S.布莱克特 英改进威尔孙云雾室及在核物理和宇宙线方面的发现1949 汤川秀树 日 用数学方法预见介子的存在1950 C.F.鲍威尔 英研究核过程的摄影法并发现介子J.D.科克罗夫特 英 1951 E.T.S.瓦尔顿 爱尔兰首先利用人工所加速的粒子开展原子核蜕变的研究E.M.珀塞尔1952F.布洛赫美 核磁精密测量新方法的发展及有关的发现1953 F.策尼克 荷兰论证相衬法，特别是研制相差显微镜M.玻恩对量子力学的基础研究，特别是量子力学中波函数的统计解释1954W.W.G.
7、博特德符合法的提出及分析宇宙辐射P.库什 精密测定电子磁矩 1955 W.E.兰姆美 发现氢光谱的精细结构W.肖克利 W.H.布拉顿1956J.巴丁美 研究半导体并发明晶体管1957 李政道 美 否定弱相互作用下宇称守恒定杨振宁律，使基本粒子研究获重大发现P.A.切连科夫I.M.弗兰克1958 I.Y.塔姆前苏联发现并解释切连柯夫效应( 高速带电粒子在透明物质中传递时放出蓝光的现象 ) E.赛格雷 1959O.张伯伦美 发现反质子1960 D.A.格拉泽 美 发明气泡室R.霍夫斯塔特 美由高能电子散射研究原子核的结构1961 R.L.穆斯堡尔 德 研究 r 射线的无反冲共振吸收和发现穆斯堡效应
8、1962 L.D.朗道 前苏联研究凝聚态物质的理论，特别是液氦的研究E.P.维格纳 美 原子核和基本粒子理论的研究，特别是发现和应用对称性基本原理方面的贡献 M.G.迈耶 美 1963J.H.D.延森 德发现原子核结构壳层模型理论，成功地解释原子核的长周期和其它幻数性质的问题 C.H.汤斯 美 在量子电子学领域中的基础研究导致了根据微波激射器和激光器的原理构成振荡器和放大器 N.G.巴索夫 前苏联用于产生激光光束的振荡器和放大器的研究工作 1964 A.M.普洛霍罗夫 前苏联 在量子电子学中的研究工作导致微波激射器和激光器的制作R.P.费恩曼 美J.S.施温格尔 美1965朝永振一郎 日 量子
9、电动力学的研究，包括对基本粒子物理学的意义深远的结果 1966 A.卡斯特勒 法发现并发展光学方法以研究原子的能级的贡献1967 H.A.贝特 美 恒星能量的产生方面的理论1968 L.W.阿尔瓦雷斯 美对基本粒子物理学的决定性的贡献，特别是通过发展氢气泡室和数据分析技术而发现许多共振态1969 M.盖尔曼 美 关于基本粒子的分类和相互作用的发现，提出“夸克”粒子理论H.O.G.阿尔文 瑞典 磁流体力学的基础研究和发现并在等离子体物理中找到广泛应用1970 L.E.F.奈尔 法 反铁磁性和铁氧体磁性的基本研究和发现，这在固体物理中具有重要的应用1971 D.伽博 英 全息摄影术的发明及发展J.
10、巴丁L.N.库珀 1972J.R.施里弗美 提出所谓 BCS 理论的超导性理论 B.D.约瑟夫森 英关于固体中隧道现象的发现，从理论上预言了超导电流能够通过隧道阻挡层(即约瑟夫森效应) 江崎玲於奈 日 从实验上发现半导体中的隧道效应 1973 I.贾埃弗 美 从实验上发现超导体中的隧道效应1974 M.赖尔 英 研究射电天文学，尤其是孔径综合技术方面的创造与发展 A.休伊什 英 射电天文学方面的先驱性研究，在发现脉冲星方面起决定性角色A.N.玻尔 丹 发现原子核中集体运动与粒子运动之间的联系，并在此基础上发展了原子核结构理论 B.R.莫特尔松 丹 1975L.J.雷恩沃特 美原子核内部结构的研
11、究工作 B.里克特 1976丁肇中美 分别独立地发现了新粒子J/，其质量约为质子质量的三倍，寿命比共振态的寿命长上万倍P.W.安德森 美 对晶态与非晶态固体的电子结构作了基本的理论研究，提出“固态”物理理论 J.H.范弗莱克 美 1977 N.F.莫特 英对磁性与不规则系统的电子结构作了基本研究A.A.彭齐亚斯R.W.威尔逊美 3K 宇宙微波背景的发现1978 P.L.卡皮查 前苏联建成液化氮的新装置，证实氮亚超流低温物理学1979 S.L.格拉肖 美 建立弱电统一理论，特别是预S.温伯格 A.L.萨拉姆 巴基斯坦言弱电流的存在J.W.克罗宁1980V.L.菲奇美 CP 不对称性的发现 N.布
12、洛姆伯根A.L.肖洛 美 激光光谱学与非线性光学的研究 1981K.M.西格班 瑞典 高分辨电子能谱的研究1982 K.威尔逊 美 关于相变的临界现象S.钱德拉塞卡 美恒星结构和演化方面的理论研究 1983W.福勒 美 宇宙间化学元素形成方面的核反应的理论研究和实验C.鲁比亚 意 1984S.范德梅尔 荷兰由于他们的努力导致了中间玻色子的发现 1985 K.V.克利青 德 量子霍耳效应E.鲁斯卡 德 电子物理领域的基础研究工作，设计出世界上第 1 架电子显微镜 G.宾尼 1986 H.罗雷尔瑞士 设计出扫描式隧道效应显微镜 1987 J.G.贝德诺尔茨 美 发现新的超导材料 K.A.米勒L.M
13、.莱德曼 美 M.施瓦茨 美 1988 J.施泰因贝格 英从事中微子波束工作及通过发现 介子中微子从而对轻粒子对称结构进行论证 N.F.拉姆齐 美 发明原子铯钟及提出氢微波激射技术 W.保罗 德1989 H.G.德莫尔特 美创造捕集原子的方法以达到能极其精确地研究一个电子或离子 J.弗里德曼 美 H.肯德尔 美 1990 R.泰勒 加发现夸克存在的第一个实验证明 1991 P.G.德让纳 法 液晶基础研究1992 J.夏帕克 法 对粒子探测器特别是多丝正比室的发明和发展J.泰勒1993L.赫尔斯美 发一对脉冲星，质量为两个太阳的质量，而直径仅 10-30km,故引力场极强，为引力波的存在提供了
14、间接证据 C.沙尔 美 1994B.布罗克豪斯 加发展中子散射技术 M.L.佩尔 1995 F.莱因斯美 珀尔及其合作者发现了 轻子雷恩斯与 C.考温首次成功地观察到电子反中微子他们在轻子研究方面的先驱性工作，为建立轻子-夸克层次上的物质结构图像作出了重大贡献 奥谢罗夫 美李 美1996 R.C.理查森 美发现氦 3 的超流菲利浦斯 美朱隶文 美1997 科昂-塔努基 法原子冷却和陷俘方面的研究 崔琦 美劳克林 美1998 斯特默 德分数量子霍尔效应费尔特曼 荷兰1999 特霍夫特 荷兰提出关于亚原子粒子结构和运动的理论基尔比 美阿尔费罗夫 俄罗斯2000 克勒默 美信息技术方面的基础性工作1
15、906 Sir Joseph John Thomson 发现电子，测定电子荷质比1911 Wilhelm Wien 黑体辐射定律1918 Max Karl Ernst Ludwig Planck 提出能量量子1919 Johannes Stark 电场分裂效应1921 Albert Einstein 解释光电效应1922 Niels Bohr 原子能量化轨道理论1923 Robert Andrews Millikan 基本电荷，光电效应James Franck1925Gustav Hertz电子轰击原子，证实量子化能量1929 Prince Louis-VIctor De Broglie 提出
16、电子波动性1932 Werner Heisenberg 量子力学Erwin Schrodinger1933Paul Adriew Maurice Dirac量子力学Clinton Joseph Davisson1937Sir George Paget Thomson证实电子波动性1945 Wolfgang Pauli 不相容原理1954 Max Born 波函数统计解释维恩 Wilhelm Wien1911 黑体辐射定律维恩（ ） 年 月 日生于东普鲁士的菲施豪森。父亲卡尔维恩（ ）是农场主，因此，维恩似乎注定要成为一个绅士式的农民，但一次经济危机和他天生的神秘禀性使他上了大学。年双亲迁往东普
17、鲁士拉登堡的德拉施坦。年维恩先在拉登堡上中学，后来，从年到年在海德堡市立中学学习。年中学毕业后考人哥廷根大学学习数学和自然科学，同年进柏林大学。年到年在亥姆霍兹的实验室作。年以总结他的实验的一篇论文而获博士学位，实验的内容是金属断面上光的衍射和材料对衍射光颜色的影响。父亲的患病使他中断了学业，他回乡帮助父亲经营庄园直到年但是在此期间他仍有一个学期是和文姆霍兹在一起。年完成了有关光和热射线在金属中的穿透性的实验。当父亲的庄园卖出后，他回到文姆霍兹的实验室工作，当时亥姆霍兹已离去，到研究工业问题的德国物理技术研究所担任所长。维恩在亥姆霍兹实验室工作到年，这一年他继承勒纳担任埃克斯拉查波勒大学物理学
18、教授。年他被任命为吉森大学物理学教授。 1年他继承伦琴担任维尔茨堡大学物理学教授，同年出版了他的ik（流体力学教程）。年莱比锡大学曾聘请他继承玻耳兹曼担任物理学教授，年柏林大学曾聘请他继承德鲁得（e）担任教授，但他谢绝了这些聘请。年他被任命为慕尼黑大学物理学教授，逝世前他一直担任这一职务。除上述早期研究外，维恩在德国物理技术研究所和霍尔博恩 （lb）一起用勒夏忒列热电偶研究了测量高温的方法，同时还进行了热力学的理论研究，特别是研究了热辐射定律。年，他发表了关于波长随温度改变的规律，后来发展成为维恩位移定律。年，他发表了一篇论述辐射的温度和熵的论文，论文中将温度和熵的概念推广到空间中的辐射。在这
19、一研究中，他引人了一种能完全吸收一切辐射的理想物体的定义，他称这种理想物体为黑体。年，他发表了维恩公式，这是他寻找黑体辐射成分的公式所得到的结果。后来表明这个公式只适用于短波。但维恩的工作促使普朗克用量子物理解决了处于热平衡的辐射的问题。由于这一研究，维恩荣获了年的诺贝尔物理学奖。有趣的是，出自研究所的这一理论研究却解决了技术问题，产生出了照明和高温测量的新技术。维恩在年到埃克斯拉查波勒大学继任勒纳的职务时，就发现了那里有一个实验室可以研究真空放电。年，他开始研究阴极射线的性质。他使用了一个带有勒纳窗的高真空管子，证实了佩兰（ ）两年前作出的发现：阴极射线是由高速运动的带负电粒子（电子）组成的
20、。后来几乎是和剑桥大学的汤姆逊爵士同时，维恩用不同的方法测量了这些粒子的荷质比，发现电子约比氢原子轻二千倍，与汤姆逊的结果相同。年，维恩研究了哥尔德斯坦发现的极隧射线，得到的结论是：它们所带的正电荷与阴极射线的负电荷相等。他用磁场和电场测量了极隧射线的偏转，结论是它们由带正电的粒子组成，质量不会比电子重。大约二十年后，维思所用的方法发展成为质谱仪，使得人们有可能精确地测量各种原子及其同位素的质量，这种测量对于计算核反应释放的能量来说是必不可少的。年，维恩发表了一篇理论性文章，论述了电磁原理应用于力学的可能性问题。后来他又进一步研究了极隧射线，年他指出，如果压强不是特别低则极隧射线在运行过程中可
21、与剩余气体的原子碰撞而失去或重新获得电荷。年他发表了对极隧射线的进一步研究：测量了它们离开阴极后光度的逐渐减弱。从这些实验中他得出结论说，经典物理称为原子发光振荡的衰减的概念，在量子物理学中对应于原子激发态的有限持续期。维恩对极隧射线以及其他方面的研究为牛顿力学向量子力学的过渡作出了贡献。正象劳厄所评价的那样：“他的不朽的业绩”在于“他引导我们走到了量子物理学的大门口”。维恩是柏林、哥廷根、维也纳、斯德哥尔摩、克里斯蒂安尼亚、华盛顿等科学院的院士，法兰克福物理学会名誉会员。维恩于年同埃克斯拉查波勒的路易丝梅勒尔结婚，他们有四个孩子。年 月日，维恩在慕尼黑逝世。关于热辐射定律w维恩（191112
22、11）有声望的、历史悠久的瑞典皇家科学院对我在热辐射方面的研究工作给予了崇高的奖励，使我能荣幸地向大家谈一谈这个由于存在着各种困难而引起所有物理学家关注的课题。一旦我们迈出了纯热力学理论的界限，我们就进入了一个没有现成道路可走的领域，在这个领域中，即使是我们当中最有智慧的人，也面临着几乎难以逾越的障碍。如果说，按照惯例我主要谈我的研究工作，那么我应当说明，在通常的辐射热力学领域内已搜集起来的资料并非都是我个人的幸运发现。用已知的物理学定律可以导出关于辐射理论的一个普遍定律，称为位移定律。这个定律得到了后来的科学家们的赞誉。在把热力学应用于辐射理论时，我们采用了一种理想过程。在其他领域已证明，采
23、用理想过程是富有成效的。有一些假想的实验，虽然实际上它们是难以实现的，但却能推导出一些可信的结果。这种见解只有当理想实验所依据的全部过程都是遵从物理定律并且是已知的条件下，它才能成立，因为只有这样，任何变化所产生的效应才能准确而全面地加以证明。此外，为了使过程理想化，必须忽略所有非本质的次要现象，只考虑与所研究的过程密切相关的事物。在热力学理论的应用中，这种方法被证明是很有成效的。亥姆霍兹（Helmhotz）在浓流体理论中应用过它，范托夫（Vant Hoff）在将热力学应用于溶液理论时也采用过它。在他们的理论中，需要事先假定存在所谓的半渗透膜，它允许溶剂通过，但溶质不能通过。尽管不可能制备完全
24、满足这一要求的膜，但在理想过程中我们可以假定它是可能的，因为自然规律并未规定半渗透性近似要受什么限制。从这些假定得出的结论无论如何是与经验符合的。在辐射理论中，如果我们假定在理想过程中可以有完全的反射体，那么我们就可以设计理想实验。基尔霍夫用这种方法证明了一个著名的定理，它是辐射理论中最普遍的定理之一。这个定理表明，辐射存在着某种温度平衡。根据基尔霍夫定理，在等温物体围成的空腔中，存在着与物体的性质无关的辐射能。如果在空腔的壁上开一个小孔让辐射射出，我们就可得到只由温度决定而与发射物体的性质无关的辐射。不反射任何射线的所谓绝对黑体也能发出这种辐射；因此称为黑体辐射基尔霍夫定理不限于热过程所引起
25、的辐射。它虽然不是对于所有的发光过程、但至少是对于大多数发光过程都成立。温度的概念无疑可以用于所有的发光过程。因为我们能用热物体来产生所有波长的光，所以可认为发光物体的温度就是与物体处于热平衡的辐射的温度。因此每一种辐射，甚至是磷光体产生的辐射，都可用一定的温度来代表每一种颜色。然而这个温度尚未与物体的温度联系起来，目前也不可能说明物体（例如荧光体）是怎样与辐射达到平衡的。这些问题一定是很复杂的，尤其是对于吸收辐射后要经过一个长的时间再发出辐射的那些物体。玻耳兹曼再次利用理想过程，并且承认了当时从光的电磁理论推导出的光压，根据热力学导出了斯忒藩从经验得到的规律，即黑休的辐射与绝对温度的四次方成
26、正比。这还不是从热力学得到的全部结论，根据热力学还可确定辐射的颜色随温度的变化。这种变化也可根据理想过程来计算，为此，我们必须假定存在完全反射体，它能散射所有的人射光。这种物体称为绝对白体。如果让黑体发出的辐射进人绝对白体空间，辐射的传播将如同与黑体具有相同温度的白腔壁本身发出辐射。如果把黑体移出白腔，我们就得到了实际上并不存在的在反射镜构成的腔壁之间不断往返的辐射。现在按照上述设想继续进行实验。我们设想，移动腔壁使白空间的体积减小，全部辐射将集中在一个较小的空间内。由于辐射对腔壁有一定的压力，即光压，因此可以得出结论说，在空腔体积减小的过程中我们必须作功。就象压缩气体时作功一样。因为光压很小
27、，所以这个功也很小，但是在我们讨论的问题中可作精确的计算，这是不成问题的。根据能量守恒定律，这个功不会消失，而是转化成了辐射，进一步增加了辐射密度。白腔壁的移动引起的辐射密度的变化不是辐射的唯一变化，当光线被运动着的镜子反射时，它的颜色（由振动频率决定）也要发生变化。这种按照多普勒原理发生的变化在天体物理学中是一个很重要的问题。向着我们运动的天体发出的光谱线看起来向短波方向移动了，移动量正比于天体速度与光速的比值。光被运动着的镜子反射时也是如此，不过变化是天体光谱的两倍。因此我们完全可以计算出腔壁的运动引起的辐射的变化。在以上的这些考虑中，光压是个主要问题，证明光压的存在是很久以后的事，那是列
28、别捷夫首先证明的。阿雷纽斯用光压解释了雷尼的形成，在这以前光压只是由麦克斯韦电磁理论推导出的一个结论。现在我们来计算腔壁移动 9！起的辐射密度的变化和各种波长的变化。根据这个理想实验，我们可以得出一个重要的结论。由热力学第二定律我们可以断定，由于反射镜内空间的减小而被改变了的辐射，其光谱结构是与用升温的方法增加辐射密度所得到的光谱结构完全相同的，否则，就可用滤色片在两个空间中产生不同的辐射密度，从而由热产生功而不需要补充。我们既然能计算由压缩引起的每个波长的变化，因此也能导出黑体辐射光谱结构随温度变化的方式。我不打算在这里详细讨论计算过程，只想给出计算结果：一定波长的辐射随温度而变化，温度和波
29、长的乘积保持不变。只要知道了某一温度下热辐射强度按波长的分布，就不难用位移定律计算出任何温度下的分布。特别是强度极大值的移动，它很容易直接观察，因为强度极大值所对应的波长也规定了该温度下强度最大的主要波长区间，因此我们可通过改变温度来移动主要辐射区间，使它按要求向短波或长波方向移动任意大小。关于位移定律的其他推导方法，我只谈一下洛伦兹的推导。如果想象在麦克斯韦电磁方程中所有的空间线度同时地以相同的比例移动，那么该方程组表明电磁能应与位移的四次方成比例地减少。按照斯忒藩一玻耳兹曼定律，能量随绝对温度的四次方增加，因此空间线度的变化应与绝对温度成反比，每一特征长度都必须按此比例改变，因此就证明了位
30、移定律。如果我们假设太阳的辐射是由热产生的，又假设我们知道了太阳辐射能极大值的位置，那么就可根据位移定律算出太阳的温度。不同的观察者测得的辐射能极大值的位置有不同的数据，例如维里（yery）测得的值是0 532 微米，阿伯特（Abbot）和福勒（Fo、ie）测得的值是 0433 微米。根据这些数据算出的太阳的温度分别是 5530和 6790。不管各观察者得到的数据是多么不同，但是毫无疑问，太阳辐射的极大值是位于可见光波长的范围内。这就是说，太阳的温度是用黑体辐射能量来照明时的最有效的利用，利用热辐射作人工光源时应当努力达到这个温度。我们现在离这个目标还很远。我还想讲一下位移定律的另一个应用，即
31、计算 X 射线波长的可能性。众所周知，X 射线是电子与固体碰撞时产生的，它的波长应是电子速度的函数。根据气体分子运动论，分子的平均动能是绝对温度的量度。如果我们象在电子论中那样假定，电子的动能也是绝对温度的量度，那么阴极射线的电能也应当是阴极射线温度的量度。当我们把这样的温度代人位移定律进行计算，我们发现强度极大值所对应的 X 射线波长的范围与用其他方法测得的波长范围一致。可能有人会反对说，对于电子不能用温度的概念。然而上述讨论可以反过来说明我们的见解是合理的。处在一个密闭空间中的辐射必然产生电子。根据爱因斯坦定律，产生的电子的速度与辐射的振动频率成正比。辐射能量的极大值所产生的电子，速度将达
32、到这样的数值，以致电子的动能接近于与最大能量相联系的那个温度。位移定律概括了能从热力学导出的关于辐射的全部结论，这些结论都得到了经验的证明。辐射中包含的颜色彼此是完全独立的，不能根据热力学来确定在给定温度下辐射强度按波长分布的方式。要确定这个分布，我们必须详细地研究辐射过程的机理。在气体理论中也有类似的情况。热力学不可能告诉我们气体比热的大小，要知道气体的比热，必须研究分子的运动。但是以几率计算为基础的气体分子运动论取得的进展比相应的辐射理论的进展大得多。解释热力学定律也是气体统计理论的任务，这里我不打算讨论这个任务已完成到什么程度，也不打算讨论将热力学第二定律归结为几率问题是否可以看成是一种
33、圆满的理论。不管怎样，自从统计理论对于涨落现象（即对热力学平衡态的偏离，例如布朗运动）作出了理论解释以来，这个理论无论如何可以说是十分成功的。但是没有人想到用统计理论来推导斯忒落一玻耳兹曼定律和位移定律，这两个定律一直是从外面引进到理论中来的。除了统计理论外，我们实际上还远没有一种满意的理论能说明辐射能量按不同波长的分布问题。我本人首先作了这方面的尝试。我把辐射想像是由按几率定律运动着的气体分子产生的，尽量避免用几率来计算辐射。或者，我们也可想象辐射是电子与气体分子碰撞时产生的，重要的是假设电子只发射一种波长的辐射，波长由电子的速度决定，电子的速度分布服从麦克斯韦定律。借助于从热力学导出的辐射
34、定律，我们得到了在一个宽的波长范围内（即温度与波长的乘积不太大的范围内）与实验结果符合的辐射定律。这个初步尝试尚有不足之处，得到的公式在长波段和实验结果有相当大的偏差，因为多次观察都证明偏差无疑是存在的，因此很清楚，这个公式必须进行修改。瑞利勋爵从完全不同的途径首次研究了这个问题。他用统计力学的一个普遍定理来处理辐射问题，这就是在统计平均状态下能量按系统的自由度均分的定理。对这个定理可以作如下说明：在热平衡状态下，所有分子的运动是完全无规则的，不存在比其他运动更占优势的运动。运动粒子的位置可由一些彼此独立的几何参量来确定，运动就在这些几何参量所确定的方向上发生。这些独立参量叫做系统的自由度。至
35、于运动的动能，没有一个自由度比别的自由度更优越，结果每个自由度都有同样大小的总能量。空腔中的辐射可用给定数目的自由度来描述。如果波被腔壁来回反射，便形成与腔壁之间的距离相应的驻波。如果我们考虑一根振动的弦，它可有任意数目的独立振动，但半波长必须等于弦长的整数分之一，那么问题就很容易理解。单独的驻波可表示过程的要素，并与各自由度相对应。如果使每一个自由度有适当大小的能量，我们就得到瑞利的辐射定律。根据这个定律，给定波长的辐射与绝对温度成正比，与波长的四次方成反比。这个定律在前面谈到的那个定律有偏差的波段与观察结果符合。最初人们认为瑞利定律是不正确的。但是，正如洛伦兹证明的那样，如果辐射过程遵从电
36、磁理论或电子论的普遍规律，那么就必然得到瑞利定律。但若把它看作是普遍的辐射定律，它又直接与所有的经验矛盾，因为按照瑞利定律，在短波段，能量将不断增加，因此实际上我们就不可能有辐射平衡态，只可能趋于所有能量都集中在最短波长的那种状态，这也是与经验矛盾的。在通常温度下，瑞利公式在可见光区域不再适用。我们很容易根据基尔霍夫定律算出，在可见光区域应当在极短的时间内达到平衡态，然而这样的状态仍与瑞利定律有很大的偏差因此我们看到，要得到精确的辐射公式有着非常大的困难。只靠现有的普遍的电磁理论和电子论不足以解释最普通的发光现象。我们只知道这个现象不能解释，但是不知道怎样才能找到出路。尽管如此，我们却知道不存
37、在只靠纯粹的电磁理论就能得出正确结果的模型。普朗克的功绩在于引人了新的假设，使我们能够避开瑞利的辐射定律。瑞利定律对于长波无疑是正确的，所以正确的辐射定律应该是：对于长波，它变成瑞利定律；对于短波，则变成我得到的定律。因此普朗克保留了能量按系统的自由度分布的观点，但是他引人了著名的能量子假设来限制这种分布。按照能量子假设，能量不是无限可分的，它只能是一些不能再分的不太大的量。如果涉及的是能量的一些不变的粒子，例如能量原子，接受普朗克假设并不困难，对于物质和电来说，这个假设是早就有了的。然而普朗克的能量子不是能量原子，恰恰相反，位移定律要求能量子与给定的振动波长成反比，这说明能量子是很难理解的。
38、一旦我们接受这个假设，在辐射的中心波段就得到与按照几率定律推导出的分布完全不同的能量分布。但是这样还不能得出辐射定律。我们只知道辐射着的分子在某一温度下的平均能量，并不知道这些分子发射了多少能量。要导出在给定能量下的发射，我们必须知道发射的确切模型。我们只能根据已知的电磁定律来建立这种模型。电磁理论正是在这里开始发生了困难。一方面我们引人能量子时不考虑电磁定律，另一方面，为了找出发射和能量之间的关系，又要使用这些定律。这清楚地表明，电磁定律只对长时间的平均值才是正确的，而能量子却与辐射的元过程有关。的确，按照电磁定律，辐射着的振子与实际的原子没有任何相似之处。但是普朗克有充分的理由说明这是无关
39、紧要的，因为物体在平衡状态下的辐射与发射体的性质是无关的。然而需要用一个模型来代替实际的原子，它应该具有被研究的事件的主要特征。每一个发出热射线的物体，都有将一种波长的热射线转化成不同波长的热射线的特性。根据这一点，在辐射的所有时间内，任何时候都存在着产生特定的光谱成分的可能性。而普朗克振子没有这种性质，因此必然产生一个疑问：利用能量子来建立能量和发射之间的关系是否恰当。如果我们像德拜（Debye）那样将立方空腔内的辐射能分解成普朗克能量子，并且这些能量子按照几率定律分布于在立方体内形成驻波的谐振频率上，这些困难就能避兔，并且可以不考虑谐振子。几率的对数与熵成正比，如果我们研究陈的极大值，就可
40、得到辐射定律。这个结果证明了普朗克概念的极其普遍的性质。然而还有进一步的困难。能量子是随着波长的减小而增大的，当振子受很微弱的人射光照射时，要经过很长的时间才能吸收一个完整的能量子。如果在吸收一个完整的能量子之前停止照射，将会出现什么情况呢？由于在回答这个问题时遇到了困难，普朗克最近对他原来的理论重新作了表述。他假设，发射只能以整个能量子进行，而吸收是按照电磁定律连续进行的，振子包含的能量是连续变化的。这样，长吸收时间的困难的确被克服了。另一方面，基元过程的发射和吸收之间不再有密切的关系，这个关系仅在统计上成立。每个原子只发射完整的能量子，但连续地吸收能量。因此，原子在偶然的发射中突然地消耗贮
41、存的能量，而在短时间的照射中一点一点地补充能量。还必须作如下的特殊假设：处在稳定状态的许多原子作为一个整体，吸收的能量最终等于发射的能量。在普朗克理论原来的形式中，引人能量子假设就足以导出辐射定律，而新理论所包含的不确定性只能靠进一步的假设来消除。另一方面，新的基本假设提供了进一步应用的可能性，例如可应用于电子的发射。从我在这里所谈的一些观察结果，可看出辐射理论还存在着很大的困难。但是应当指出，讨论这些困难是科学研究的责任，这并不影响我们对普朗克理论取得伟大成就的敬意。符合于所有观察数据的辐射定律已经得到，瑞利公式和我得到的公式是它的极限情况。另外，还意外地使一个完全不同的课题有希望获得解决，
42、这就是比热理论。大家早已知道，比热并不严格服从杜隆-珀替定律，在低温下比热值减小。金刚石在常温下也不服从杜隆-珀替定律。这个定律可从动能按自由度分布的定理导出。该定律表明，在固体中，每个原子有三个自由度，它的能量应是一个自由度的能量的三倍。又因为有势能存在，所以总能量是一个自由度能量的六倍。但是，如果我们按照爱因斯坦那样应用能量子的普朗克能量分布，就得到一个比热公式，求得的比热确实是随温度而下降的。这个结果是普朗克理论的特征。这个比热公式不是从辐射公式而是从振子的平均能量公式推导出来的，而振子的平均能量公式是直接以能量子假设为基础的。遗憾的是出现了困难。能斯脱实验室精确地测量了低温下的比热，证
43、明爱因斯坦公式与观察结果不一致。与实验数据一致的公式要求在完整的能量子上再加上半个能量子。这一点还不能令人满意地加以解释。然而，普朗克辐射理论无疑为研究比热理论迈出了第一步。普朗克理论在许多方面还是不完善的，是过渡性的，这是很自然的，因为我们面临的问题也许是理论物理学中最困难的问题。这个问题不能用已被观察证实了的。在过去是适用的理论物理定律来解决，我们是进人了直接观察所不能到达的领域。辐射理论遇到的困难也在其他领域中出现。爱因斯坦研究了辐射不断涨落的现象，这种涨落即使在平衡态也存在，是热过程的无规则性的结果。如果我们设想在一个充满辐射的空腔中有一很小的金属板，它的两面受到相同的平均光压。由于辐
44、射有不规则性，金属板两面的压强有时是这一面较大，有时是另一面较大，结果金属板必然作微小的无规则运动，类似于液体中悬浮的微粒的布朗运动。涨落可根据几率来计算。按照玻耳兹曼定理，熵和几率之间存在着简单的关系。辐射的熵可由辐射定律求得，因此可以求出伏态的几率，并由几率计算涨落。涨落的表式由两个部分以特殊的方式组成：第一项是容易理解的，它是相遇于一点的许多彼此独立的射线发生干涉时出现无规则性的结果。在辐射能密度大的地方，只有这一项是主要的，它对应着服从瑞利定律的辐射范围。另一项不能直接用波动理论来解释。在辐射能密度小的地方，这一项是主要的，这里辐射服从我得到的定律。如果辐射是由普朗克能量子组成，并且能
45、量子即使在真空中也是定域的，这一项便可以理解。但是我们不能接受这个思想，我们不能怀疑光的波动理论，因为它是整个物理学中基础最坚实的组成部分之一。此外，用定域能量子解释的这一项不能单独存在，况且根本不能引人二无论来研究光学，例如同时采用惠更斯的波动理论和牛顿的发射理论。我们只能放弃玻耳兹曼的几率计算法对这种类型的涨落的计算；或者假定在反射过程中有新的不规则性进人了辐射。由于存在着很大的困难，很自然，对如何解决这些困难有很大的意见分歧。有些人认为必须修改电动力学的基本原理。但是以前的理论是有大量的事实作为依据的，它甚至解释了在 射线的最高速运动中发生的事情，而且原来的理论是得到了最精密的光学测量的
46、证明的。我认为，所有的迹象都表明，现有理论的缺陷是由原子内部的事件引起的。原子内部的过程没有一个是服从现有理论的。索末菲（Sommerfeld）进行了这方面的尝试，他指出，在辐射定律中出现的、与振动频率一起决定能量子大小的常数 h，在原子内部有着简单的意义，它决定着电子进人原子到停止下来所用的时间与电子速度的函数关系。根据这种观点，常数 h 表示着原子的普遍特性。可以用这个理论来计算 X 射线的波长。为了完成这方面的计算，我以前提出过两种独立的方法，一种方法的基础是普朗克的能量子理论，并假设 X 射线产生的二次电子的能量是由能量子决定的，第二种方法的基础是电子论，这种方法被用来计算由于电子的突
47、然撞击而产生的 X 射线的辐射能。确定了阴极射线和X 射线的能量后，我们就可计算电子的碰撞路程，并算出 X 射线的波长。索末菲的理论与这两个理论有关，在用电磁理论解释 X 射线的产生方面有很大的进步，由此可得出一些与观察完全符合的结论，例如 X 射线的偏振、在不同的方向上发射的差异和硬度的差异。索末菲的理论有很大的优点，它试图使普朗克辐射理论中的普适常数具有物理意义。缺点是只能用于电子的发射和吸收，不能解决热辐射问题。我们必须承认，辐射理论迄今得到的结果对理论物理学来说并不是很理想的，正如我们看到的那样，只有普遍的热力学理论还算满意。电子论在辐射间题上陷人了困境，普朗克理论还没有一个确切的形式
48、。研究工作面临着特殊的困难，我们不知道何时和怎样克服这些困难。在科学上，新的概念在往来自完全不同的方面，在完全不同的领域中进行研究常常为解决尚未解决的问题带来希望。我们寄望于未来。我们这个时代在物理学方面取得了丰硕的成果，也必将找到热辐射问题的圆满解答。深刻的和崭新的概念一定会建立起来，成果将是很大的，因为我们一定能深刻地认识原子世界和原子内部发生的基本过程。普朗克 Max Karl Ernst Ludwig Planck1918 提出能量量子普朗克（ ）于年月生于德国基尔。父亲普朗克是基尔大学的立法学教授，后来是哥廷根大学教授，母亲名叫艾玛帕茨格。普朗克在慕尼黑大学和柏林大学学习时，基尔霍夫
49、和支姆霍兹都曾是他的老师。年普朗克在慕尼黑大学获得哲学博士学位。从年到年任慕尼黑大学的编外教师，后来任基尔大学理论物理学副教授，一直到年。同年他接替基尔霍夫的教学工作成为柏林大学教授，在该校一直工作到年退休。此后成为威廉皇家科学促进协会主席，一直任职到年。年被任命为普鲁士科学院院士，年担任常务秘书。普朗克早年的工作是在热力学方面，这是由于在他十分钦佩的老师基尔霍夫的指导下进行研究和阅读克劳修斯的大量著作而引起了他的兴趣。他发表过有关熵、热电学以及溶液理论的文章。与此同时，辐射过程的问题也引起了他的注意。他指出，辐射在本质上可以看作是电磁辐射。他研究了全辐射谱中的能量分布。他在实验上发现，黑体辐
