威廉·维恩

德国物理学家

威廉·维恩(Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien,1864年1月13日—1928年8月30日), 德国 物理学家,研究领域为 热辐射 与电磁学等。1911年,他因对于热辐射等物理法则贡献,而获得 诺贝尔物理学奖 。

火星 上有一个陨石坑以他的名字命名。

人物生平

1864年1月13日,出生在东 普鲁士 (现 俄罗斯 )的菲施豪森(Fischhausen),德国物理学家,研究领域为热辐射与电磁学等。他的父亲卡尔·维恩(Carl Wien)是地主。

1879年,在拉斯滕堡(Rastenburg)、1880年至1882年在海德堡读中学。

1882年,中学毕业后,在 哥廷根大学 学习数学,同年转去 柏林洪堡大学 。

1883年至1885年在 赫尔曼·冯·亥姆霍兹 的实验室工作,

1886年,获得博士学位,论文题目是光对金属的 衍射 ,以及不同材料对折射光颜色的影响。此后,由于维恩的父亲生病,维恩不得不回去帮助管理他父亲的土地。期间他有一个学期跟随 亥姆霍兹 。

1887年,完成了金属对光和 热辐射 的导磁性实验。

1890年,父亲的土地变卖后,维恩回到亥姆霍兹的身边,作为他的助手在国家物理工程研究所工作,为工业课题做研究。

1892年,在柏林大学获得大学任教资格。

1893年,维恩经由热力学、光谱学、电磁学和光学等理论支援,发现了 维恩位移定律 ,并应用于黑体等学术理论,揭开量子力学新领域。

1896年,前往 亚琛工业大学 物理学教授,以接替 菲利普·莱纳德 。

1899年,在 吉森大学 任物理学教授。

1900年,赴 维尔茨堡大学 接替 威廉·伦琴 ,同年出版了 教科书 《流体力学》(Hydrodynamik)。

1902年,他曾被邀请接替 路德维希·玻尔兹曼 出任 莱比锡大学 的物理学教授,但他拒绝了这个邀请

1906年,被邀请接替保罗·德鲁德(Paul Drude)出任 柏林洪堡大学 的物理学教授,但他拒绝了这个邀请。

1911年,他因对于 热辐射 等物理法则贡献,而获得 诺贝尔物理学奖 。

1920年底前往 慕尼黑 ,再次接替 伦琴 ,直到1928年逝世。

个人生活

1898年威廉·维恩与路易丝·梅勒(Luise Mehler)结婚,有4个孩子。

威廉·维恩的表弟马克斯·维恩(Max Wien)是高频电子技术的先驱。

学术研究

在国家物理工程研究所,维恩与路德维希·霍尔伯恩(Ludwig Holborn)一起研究用勒沙特列(Le Chatelier)温度计测量高温的方法,同时对热动力学进行理论研究,尤其是 热辐射 的定律。

维恩位移定律

1893年,维恩提出波长随温度改变的定律,后来被称为维恩位移定律。

1894年他发表了一篇关于辐射的温度和 的论文,将温度和熵的概念扩展到了真空中的辐射,在这篇论文中,他定义了一种能够完全吸收所有辐射的理想物体,并称之为黑体。

维恩辐射定律

1896年他又发表了维恩公式,即维恩辐射定律,给出了这种确定 黑体辐射 的关系式,提供了描述和测量高温的新方法。虽然后来被证明维恩公式仅适用于短波,但维恩的研究使得 马克斯·普朗克 能够用量子物理学方法解决 热平衡 中的辐射问题。维恩也因为这一研究成果获得了1911年的 诺贝尔物理学奖 。

1896年前往 亚琛 接替 菲利普·莱纳德 后,他在那里建立实验室研究真空中的静电放电。

阴极射线

1897年开始研究阴极射线,借助带 莱纳德 窗的高真空管,他确认了 让·佩兰 两年前的发现,即阴极射线由高速运动的带负电的粒子(电子)组成。几乎与 约瑟夫·汤姆逊 在剑桥发现电子的同时,维恩用与汤姆孙不同的方法测量到了这些粒子带电量和质量的关系,并且得出了与汤姆孙相同的结果,即它们的质量只有氢原子的一千分之一。

1898年维恩又研究了欧根· 戈尔德施泰因 (Eugen Goldstein)发现的阳极射线,指出它们的带正电量与阴极射线的带负电量 相等 ,他测量了它们在 磁场 和 电场 影响下的偏移,并得出阳极射线由带正电的粒子组成,并且它们不比电子重的结论。维恩所使用的方法在约20年后形成了质谱学,实现了对多种原子及其 同位素 质量的精确测量,以及对 原子核 反应所释放能量的计算。

1900年维恩发表了一篇关于力学的电磁学基础的理论论文,此后又继续研究阳极 射线 ,并在1912年发现,在并非高真空的环境下,气压不是非常弱时,阳极射线通过与残余气体的原子碰撞,会在运动过程中损失并重得它们的带电量。

1918年 他再次发表对阳极射线的研究结果,他测量了射线在离开阴极后,发光度的累积减少过程,通过这些实验,他推断出在经典物理学中所称的原子发光度的衰退,对应于量子物理学中的原子处于活跃状态的时间有限。

维恩的这些研究成果,为从 艾萨克·牛顿 的经典物理学向量子物理学过渡做出了贡献,正像 马克斯·冯·劳厄 (1914年 诺贝尔物理学奖 )所说的,维恩的不朽的荣耀是“他为我们打开了通往量子物理学的大门”( 英语 :He led us to the very gates of quantum physics)。

维恩公式

维恩因发现 热辐射 规律—— 维恩位移定律 和建立 黑体辐射 的维恩公式,获得了1911年度诺贝尔物理学奖。

19世纪末,人们已经认识到热辐射和光辐射都是电磁波,并对辐射能量在不同频率范围内的分布问题,特别是黑体辐射,进行了较深入的理论和实验研究。维恩和拉梅尔发明了第一个实用黑体——空腔发射体,为他们的实验研究提供了所需的“完全辐射”。维恩在前人研究的基础上于1893年提出了理想黑体辐射的位移定律:lmaxT= 常数 。该定律指出,随着温度的升高,与辐射能量密度极大值对应的波长向短波方向移动。由于辐射通量密度与辐射能量密度之比为c/4,所以在测出对应辐射通量密度极大值得lmax后,就可以根据 维恩位移定律 确定辐射体的温度。光测温度计就是根据这一原理制成的。

接着,维恩研究了 黑体辐射 能量按波长的分布问题。他从热力学理论出发,在分析了实验数据之后,得到了一个半经验的公式,即维恩公式。其中,El为在波长l处单位波长间隔的辐射能量;C1和 C2 是两个经验参数,通过符合实验曲线来确定;T为平衡时的温度。维恩公式在短波波段与实验符合得很好,但在长波波段与实验有明显的偏离。后来,在进一步探索更好的辐射公式的过程中, 马克斯·普朗克 建立了与所有的实验都符合的辐射量子理论。但是,在利用光学高温计测量温度时,人们仍经常采用维恩公式,因为它计算简单且足够精确。

维恩图

维恩图:也叫文氏图,用于显示元素集合重叠区域的图示。

维恩图的历史,1880年,维恩( Venn )在《论命题和推理的图表化和机械化表现》一文中首次采用固定位置的交叉环形式再加上阴影来表示逻辑问题(如图1所示),这一表示方法,不仅让 逻辑学 家无比激动——以致于19世纪后期、整个20世纪直到今天,还有许许多多的逻辑学家都对此潜心钻研,在大量逻辑学着作中,Venn图占据着十分重要的位置,而且,维恩图还被应用于数学学科中,尤其是被应用于集合论当中。

获得荣誉

维恩是 柏林 、 哥廷根市 、 维也纳 、 斯德哥尔摩 、 奥斯陆 和 华盛顿哥伦比亚特区 等科学学会的会员, 法兰克福 物理学会的荣誉会员。

后世纪念

火星 上有一个陨石坑以他的名字命名。