物性物理学
黒体放射とプランクの法則
温度を変えてプランクの黒体放射スペクトルを調べます。ウィーンの変位則 によるピーク移動と、シュテファン・ボルツマン則 による全放射パワーを確かめます。
器具
- 周波数/波長に対するプランクスペクトルのグラフ
- 振動モードを持つ仮想放射空洞
- 温度・密度/周波数・モード数のスライダー
手順
温度によるスペクトル変化を観察
「温度」スライダーを低から高へ動かし、図1のスペクトルと図2の空洞モードを追います。温度の読み値を確認し、T が上がるとピークが高周波側へ移り振幅が急増することを観察します。
ウィーンの変位則を確認
2つの温度でピーク位置 （または ）を推定し、 m·K を確認します。T を2倍にするとピーク波長は半分。読み取り・グラフからデータ対を記録します。
T⁴ と古典極限を確認
2つの温度でスペクトル下の面積（全輝度）を比べます。比はシュテファン・ボルツマン則 によりほぼ 。「モード数」「密度」を変え、高周波裾が で切れるのを確認します —— レイリー・ジーンズが回避できなかった「紫外破綻」そのものです。
シミュレーション
実験の歴史
19世紀末、ベルリンのPTRで測定された黒体スペクトルは、レイリー・ジーンズ則が低周波で合うが高周波で発散する（「紫外破綻」）一方、ウィーンの式は逆側で合うことを示しました。1900年10月14日、マックス・プランクは両領域に合う内挿式を投稿。12月14日には、その導出にエネルギーが の束でやり取りされるという仮説が要ることを発表しました —— 量子論の誕生日です。
アインシュタイン（1905年）は光量子で光電効果を説明し量子を前進させました。プランク則は後に驚異的な精度で検証されました。COBE/FIRAS が測定した宇宙背景放射のスペクトル（1989〜92年）は2.725 Kの黒体に一致 —— 自然界で測られた最も完全な黒体曲線です。