物理学专业导论论文

马克斯·普朗克（Max Planck，1858年4月23日－1947年10月4日），出生于德国荷尔施泰因，是德国著名的物理学家和量子力学的重要创始人，且和爱因斯坦并称为二十世纪最重要的两大物理学家。他因发现能量量子化而对物理学的又一次飞跃做出了重要贡献，并在1918年荣获诺贝尔物理学奖 。1874年，普朗克进入慕尼黑大学攻读数学专业，后改读物理学专业。1877年转入柏林大学，曾聆听亥姆霍兹和基尔霍夫教授的讲课，1879年获得博士学位。1930年至1937年任德国威廉皇家学会的会长，该学会后为纪念普朗克而改名为马克斯·普朗克学会。从博士论文开始，普朗克一直关注并研究热力学第二定律，发表诸多论文。大约1894年起，开始研究黑体辐射问题，发现普朗克辐射定律，并在论证过程中提出能量子概念和常数h（后称为普朗克常数），成为此后微观物理学中最基本的概念和极为重要的普适常量。1900年12月14日，普朗克在德国物理学会上报告这一结果，成为量子论诞生和新物理学革命宣告开始的伟大时刻。由于这一发现，普朗克获得了1918年诺贝尔物理学奖。普朗克出生在一个受到良好教育的传统家庭，他的曾祖父戈特利布·雅各布·普朗克（Gottlieb Jakob Planck，1751年－1833年）和祖父海因里希·路德维希·普朗克（Heinrich Ludwig Planck，1785年－1831年）都是哥廷根的神学教授，他的父亲威廉·约翰·尤利乌斯·普朗克（Wilhelm Johann Julius Planck，1817年－1900年）是基尔和慕尼黑的法学教授，他的叔叔戈特利布·普朗克（Gottlieb Planck，1824年－1907年）也是哥廷根的法学家和德国民法典的重要创立者之一。马克斯·普朗克是父亲的第二任妻子母亲埃玛·帕齐希（Emma Patzig，1821年—1914年)所生的，他受洗及赐名于卡尔马克思普朗克路德维希，其赐名的名称为马克思，而马克斯也沿用此名直到他过世。而普朗克他还有另外六个兄弟姐妹，其中4个孩子【赫尔曼（Hermann）、希尔德加德（Hildegard）、阿达尔贝特（Adalbert）和奥托（Otto）】是父亲的第二任妻子所生的，而父亲的第一任妻子留下了2个孩子胡戈（Hugo）和埃玛（Emma）。普朗克在基尔度过了他童年最初的几年时光，直到1867年全家搬去了慕尼黑，普朗克在慕尼黑的马克西米利安文理中学（Maximiliansgymnasium）读书，并在那里他受到─数学家奥斯卡·冯·米勒（Oskar von Miller）（后来成为了德意志博物馆的创始人）的启发，引起青年时期的马克斯发现自己对数理方面有兴趣。米勒也教他天文学和力学和数学，从米勒那普朗克也学到了生平第一个原理——能量守恒。之后普朗克在16岁时就完成了中学的学业，在这个学校学习的这段期间内，也是普朗克第一次接触物理学这个领域。普朗克十分具有音乐天赋，他会钢琴、管风琴和大提琴，还上过演唱课，曾在慕尼黑学生学者歌唱协会（Akademischer Gesangverein Munchen）为多首歌曲和一部轻歌剧（1876年）作曲。但是普朗克并没有选择音乐作为他的大学专业，而是决定学习物理。慕尼黑的物理学教授菲利普·冯·约利（Philipp von Jolly，1809年－1884年）曾劝说普朗克不要学习物理，他认为“这门科学中的一切都已经被研究了，只有一些不重要的空白需要被填补”，这也是当时许多物理学家所坚持的观点，但是普朗克回复道：“我并不期望发现新大陆，只希望理解已经存在的物理学基础，或许能将其加深。”普朗克在1874年在慕尼黑开始了他的物理学学业。普朗克整个科学事业中仅有的几次实验是在约利手下完成的，研究氢气在加热后的铂中的扩散，但是普朗克很快就把研究转向了理论物理学。1877年至1878年，普朗克转学到柏林，在著名物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹和古斯塔夫·罗伯特·基尔霍夫以及数学家卡尔·魏尔施特拉斯手下学习。关于亥姆霍兹，普朗克曾这样写道：“他上课前从来不好好准备，讲课时断时续，经常出现计算错误，让学生觉得他上课很无聊。”而关于基尔霍夫，普朗克写道：“他讲课仔细，但是单调乏味。”即便如此，普朗克还是很快与亥姆霍兹建立了真挚的友谊。普朗克主要从鲁道夫·克劳修斯的讲义中自学，并受到这位热力学奠基人的重要影响，热学理论成为了普朗克的工作领域。1878年10月，普朗克在慕尼黑完成了教师资格考试，1879年2月递交了他的博士论文《关于热力学第二定律》，1880年6月以论文《各向同性物质在不同温度下的平衡态》获得大学任教资格。获得大学任教资格后，普朗克在慕尼黑并没有得到专业界的重视，但他继续他在热理论领域的工作，提出了热动力学公式，却没有发觉这一公式在此前已由约西亚·威拉德·吉布斯提出过。鲁道夫·克劳修斯所提出的“熵”的概念在普朗克的工作中处于中心位置。1885年4月，基尔大学聘请普朗克担任理论物理学教授，年薪约2000马克，普朗克继续他对熵及其应用的研究，主要解决物理化学方面的问题，为阿累尼乌斯的电解质电离理论提供了热力学解释，但却是矛盾的。在基尔这段时间，普朗克已经开始了对原子假说的深入研究。1897年，哥廷根大学哲学系授奖给普朗克的专着《能量守恒原理》（Das Prinzip der Erhaltung der Energie，1897年）。1889年4月，亥姆霍兹通知普朗克前往柏林，接手基尔霍夫的工作，1892年接手教职，年薪约6200马克。1894年，普朗克被选为普鲁士科学院（Preußische Akademie der Wissenschaften）的院士。1907年维也纳曾邀请普朗克前去接替路德维希·玻耳兹曼的教职，但他没有接受，而是留在了柏林，受到了柏林大学学生会的火炬游行队伍的感谢。普朗克于1926年10月1日退休，他的继任者是薛定谔。普朗克早期的研究领域主要是热力学。他的博士论文就是《论热力学的第二定律》。此后，他从热力学的观点对物质的聚集态的变化、气体与溶液理论等进行了研究。普朗克在物理学上最主要的成就是提出著名的普朗克辐射公式，创立能量子概念。19世纪末，人们用经典物理学解释黑体辐射实验的时候，出现了著名的所谓“紫外灾难”。虽然瑞利、金斯（1877－1946）和维恩（1864－1928）分别提出了两个公式，企图弄清黑体辐射的规律，但是和实验相比，瑞利-金斯公式只在低频范围符合，而维恩公式只在高频范围符合。普朗克从1896年开始对热辐射进行了系统的研究。他经过几年艰苦努力，终于导出了一个和实验相符的公式。他于1900年10月下旬在《德国物理学会通报》上发表一篇只有三页纸的论文，题目是《论维恩光谱方程的完善》，第一次提出了黑体辐射公式。12月14日，在德国物理学会的例会上，普朗克作了《论正常光谱中的能量分布》的报告。在这个报告中，他激动地阐述了自己最惊人的发现。他说，为了从理论上得出正确的辐射公式，必须假定物质辐射（或吸收）的能量不是连续地、而是一份一份地进行的，只能取某个最小数值的整数倍。这个最小数值就叫能量子，辐射频率是ν的能量的最小数值ε=hν。其中h，普朗克当时把它叫做基本作用量子，物理常数，它标志着物理学从“经典幼虫”变成“现代蝴蝶”。1906年普朗克在《热辐射讲义》一书中，系统地总结了他的工作，为开辟探索微观物质运动规律新途径提供了重要的基础。1918年，普朗克得到了物理学的最高荣誉奖－－诺贝尔物理学奖。1926年，普朗克被推举为英国皇家学会的最高级名誉会员，美国选他为物理学会的名誉会长。1930年，普朗克被德国科学研究的最高机构威廉皇家促进科学协会选为会长。普朗克的墓在哥庭根市公墓内，其标志是一块简单的矩形石碑，上面只刻着他的名字，下角写着:尔格·秒。 他的墓志铭就是一行字：h=×10^-34J·S，这也是对他毕生最大贡献：提出量子假说的肯定。普朗克的另一个鲜为人知伟大的贡献是推导出波尔兹曼常数k。他沿着波尔兹曼的思路进行更深入的研究得出波尔兹曼常数后，为了向他一直尊崇的波尔兹曼教授表示尊重，建议将k命名为波尔兹曼常数。普朗克的一生推导出现代物理学最重要的两个常数k和h，是当之无愧的伟大物理学家。普朗克演讲的内容是关于物体热辐射的规律，即关于一定温度的物体发出的热辐射在不同频率上的能量分布规律。普朗克对于这一问题的研究已有6个年头了，今天他将公布自己关于热辐射规律的最新研究结果。普朗克首先报告了他在两个月前发现的辐射定律，这一定律与最新的实验结果精确符合（后来人们称此定律为普朗克定律）。然后，普朗克指出，为了推导出这一定律，必须假设在光波的发射和吸收过程中，物体的能量变化是不连续的，或者说，物体通过分立的跳跃非连续地改变它们的能量，能量值只能取某个最小能量元的整数倍。为此，普朗克还引入了一个新的自然常数 h = ×10^-34 J·s（即×10^-27erg·s，因为1erg=10^-7J）。这一假设后来被称为能量量子化假设，其中最小能量元被称为能量量子，而常数 h 被称为普朗克常数。1887年3月，普朗克与一个慕尼黑中学同学的妹妹玛丽·梅尔克（Marie Merck，1861年－1909年）结婚，婚后生活在基尔，共有4个孩子卡尔（Karl，1888年－1916年）、双胞胎埃玛（Emma，1889年－1919年）和格雷特（Grete，1889年－1917年）以及埃尔温（Erwin，1893年－1945年）。在普朗克前往柏林工作后，全家住在柏林的一栋别墅中，与不计其数的柏林大学教授们为邻，普朗克的庄园发展成为了一个社交和音乐中心，许多知名的科学家如阿尔伯特·爱因斯坦、奥托·哈恩和莉泽·迈特纳等都是普朗克家的常客，这种在家中演奏音乐的传统来自于亥姆霍兹家。在度过了多年幸福的生活后，普朗克遇到了接踵而至的不幸，1909年10月17日普朗克的妻子因结核病去世，1911年3月普朗克与他的第二任妻子玛格丽特·冯·赫斯林（Margaret von He SiLin，1882年－1948年）结婚，12月普朗克的第三个儿子赫尔曼（Herrmann）降生。第一次世界大战期间，普朗克的大儿子卡尔死于凡尔登战役，二儿子埃尔温在1914年被法军俘虏，1917年女儿格雷特在产下第一个孩子时去世，她的丈夫娶了普朗克的另一个女儿埃玛，不幸的是埃玛在两年后同样死于生产。普朗克平静地经受了这些打击，格雷特和埃玛的孩子存活了下来，并且继承了她们各自母亲的名字，普朗克也为她们取名格雷特和埃玛。1945年1月23日，普朗克的二儿子埃尔温·普朗克因参与暗杀希特勒未遂而被纳粹杀害，至此，普朗克与其第一任妻子所生的4个孩子全都去世。普朗克本人是一个不情愿的革命者。其成就的深远影响在经过多年以后才得到普遍公认，爱因斯坦对此起了最为重要的作用。自20世纪20年代以来，普朗克成为德国科学界的中心人物。他的公正、正直和学识，使他在德国受到普遍尊敬，具有决定性的权威。纳粹政权统治下，他反对种族灭绝政策，并坚持留在德国尽力保护各国科学家和德国的物理学家。为此，他承受了巨大的家庭悲剧和痛苦。他凭借坚忍的自制力一直活到89岁。

普朗克普朗克(MaxKarl ErnstLudwig Planck,1858～1947)德国理论物理学家。量子论的奠基人之一。1858年4月23日生于基尔，少年时代在慕尼黑度过。在中学时他热爱劳动。责任心强，聪慧勤奋，成绩单上的评语是“尽管在班里年龄最小，但头脑非常清醒而又逻辑性强”。有条不紊一丝不苟是他的作风。1874年人慕尼黑大学，1878年毕业，次年获该校哲学博士学位。1880～1885年在慕尼黑大学任教。1885～1888年任基尔大学理论物理教授。1888年基尔霍夫逝世后，柏林大学任命他为基尔霍夫的继任人，先任副教授，1892年后任教授。由于1900年他在黑体辐射研究中引人能量量子，荣获1918年诺贝尔物理学奖。普朗克早年的科学研究领域主要是热力学。他以热力学的观点对物质聚集态的变化、气体和溶液理论等进行了研究。可是不久，他了解到美国物理学家吉布斯早已做过这方面工作。于是，便把注意力转向黑体辐射问题。1893～1896年维恩发表了他的对黑体辐射的研究成果，提出一个辐射密度P的分布公式，即维恩公式。这结果为当时实验所证实，但只有波长较短、温度较低时才适合，而且立论的根据是通过与麦克斯韦分子速率几率分布律类比而得的，不能完全令人信服。普朗克从1896年开始研究热辐射的能量分布问题。普朗克想到一个特别有意义的问题：为什么理想黑体的光谱竟像万有引力一样与物质成份的化学性质无关？这里是否隐藏着更普遍的规律？他说：“这个所谓的正常能量分布代表着某种绝对的东西，既然在我看来，对绝对的东西所作的探求是研究的最高形式，因此我就劲头十足地致力于解决这个问题了。”他独创性地将熵这个基本概念引入振子、电磁波能量分布等问题中，认为黑体辐射的能量分布是最稳定即熵值最大的分布。1900年6月，瑞利根据黑体空腔内形成驻波及能量均分原理导出另一黑体辐射公式，其中的系数经金斯修正，在长波部分与实验很符合，即瑞利－金斯公式。普朗克由此受到启发，利用内插法得出他的新公式，并于1900年10月19日在柏林德国物理学会提出报告《维恩辐射定律的改进》，第二天一早鲁本斯（，1865～1922）就告诉他，这一公式与自己已作的实验数据十分相符。普朗克没有满足于“侥幸揣测出来的内插公式”，而是“致力于找出这个等式的真正的物理意义”。最后他终于接受了玻耳兹曼关于熵的统计诠释，找到了S＝klnW这一重要的普适公式，它代表了宏观态与微观态的结合，即所有微观态的总组合是分立的集合，即必须假定物质辐射的能量E是不连续的，是一份份出现的，只能是某一最小能量单位e的整数倍。这样就可以解释他推导出来的绝对黑体辐射的能量分布公式。而且他首先推出，其中h是普朗克常量并首先给出h和k的数值。s只比近代值约高％。他认为h、光速C和万有引力常量G是三个重要的普适常量，作为定义质量、长度、时间的自然单位制的基本量。1900年12月14日，他在德国物理学会宣读了《关于正常光谱的能量分布定律的理论》，总结了上述理论。这一天成了量子论的诞生日。当时普朗克对能量子e＝hy的作用还重视不够，他后来谈到“企图使基本作用量子与经典理论调和起来的这种徒劳无功的打算，我持续了很多年（直到1915年）”。普朗克关于辐射系统与辐射场间不连续的量子交换概念，打破了经典物理学的框架，掀起了本世纪物理学革命的风暴，从而开辟了一个新纪元。在相对论方面，普朗克也作出了贡献，他是最先理解和支持相对论的物理学家之一。1906年，他导出了相对论动力学方程，得出电子能量和动量的表达式，从而完成了经典力学的相对论化。1906年他引入了“相对论”这个术语。1907年在狭义相对论的框架内推广了热力学1887年他还给出气体和稀薄溶液中化学平衡定律的普遍推导。自20世纪20年代以来，普朗克成了德国科学界的中心人物，与当时国际上的知名物理学家都有着密切联系。1894年当选为柏林科学院院士。1912～1938年任常任秘书。1918年当选为英国皇家学会会员。1926年当选为苏联科学院外籍院士。1930～1935年任威廉皇帝科学促进协会会长。为了表示对普朗克的崇敬，1945年以后，协会改名为马克斯普朗克科学促进协会。普朗克一生著述甚多，有《普通热化学概论》（1893）、《热力学讲义》（1897）、《能量守恒原理》（第二版1908）、《热辐射理论》（1914）、《理论物理学导论》（共5卷1916～1930）、《热学理论》（1932）、《物理学论文与讲演集》（共3卷，1958）、《物理学的哲学》（1959）等。普朗克一生除物理学外还喜好音乐和爬山运动。80岁和84岁高龄时还登上3000多米的高山大威尼迭格峰。二次大战期间他为受迫害的犹太籍科学家提供过尽可能的支持与帮助。选自：《物理教师手册》

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