유도완성

플랑크 분포 유도 (Planck Distribution Derivation)

1. 방법 1: 양자화된 조화진동자

유도양자 조화진동자로부터의 유도

가정: 진동수 ν\nu인 전자기파 모드는 에너지 En=nhνE_n = nh\nu (n=0,1,2,n = 0, 1, 2, \ldots)를 가진 양자 조화진동자와 동등하다. (영점에너지 hν/2h\nu/2는 관측 가능한 양에 기여하지 않으므로 생략.)

분배함수:

Zν=n=0enβhν=n=0(eβhν)n=11eβhνZ_\nu = \sum_{n=0}^{\infty} e^{-n\beta h\nu} = \sum_{n=0}^{\infty} (e^{-\beta h\nu})^n = \frac{1}{1 - e^{-\beta h\nu}}

등비급수 r<1|r| < 1에서 rn=1/(1r)\sum r^n = 1/(1-r).

평균 에너지:

Eν=lnZνβ=β[ln(1eβhν)]\langle E_\nu \rangle = -\frac{\partial \ln Z_\nu}{\partial \beta} = -\frac{\partial}{\partial\beta}\left[-\ln(1-e^{-\beta h\nu})\right]=hνeβhν1eβhν=hνeβhν1= \frac{h\nu\,e^{-\beta h\nu}}{1 - e^{-\beta h\nu}} = \frac{h\nu}{e^{\beta h\nu} - 1}

모드 밀도: 부피 VV의 공동에서 주파수 ν\nuν+dν\nu + d\nu 사이의 모드 수:

g(ν)dν=8πVc3ν2dνg(\nu)\,d\nu = \frac{8\pi V}{c^3}\nu^2\,d\nu

(편광 2, kk-공간의 1/81/8 구의 부피)

에너지 스펙트럼 밀도:

u(ν,T)=g(ν)VEν=8πhν3c31ehν/kBT1u(\nu, T) = \frac{g(\nu)}{V}\langle E_\nu\rangle = \frac{8\pi h\nu^3}{c^3}\frac{1}{e^{h\nu/k_BT} - 1}u(ν,T)=8πhν3c31ehν/kBT1\boxed{u(\nu, T) = \frac{8\pi h\nu^3}{c^3}\frac{1}{e^{h\nu/k_BT} - 1}}

2. 방법 2: 보즈-아인슈타인 통계

유도보즈-아인슈타인 통계로부터의 유도

광자는 스핀 1의 보존이므로, 보즈-아인슈타인 분포를 따른다. 광자의 수는 보존되지 않으므로 화학 퍼텐셜 μ=0\mu = 0이다.

열역학적 논증: 평형에서 자유에너지 FF가 광자 수 NN에 대해 극소:

μ=(FN)T,V=0\mu = \left(\frac{\partial F}{\partial N}\right)_{T,V} = 0

μ=0\mu = 0을 보즈-아인슈타인 분포에 대입:

n(ϵ)=1eβϵ1\langle n(\epsilon)\rangle = \frac{1}{e^{\beta\epsilon} - 1}

각 모드의 에너지 ϵ=hν\epsilon = h\nu이므로:

n(ν)=1eβhν1\langle n(\nu)\rangle = \frac{1}{e^{\beta h\nu} - 1}

이는 진동수 ν\nu인 모드의 평균 광자수이다.

평균 에너지 = 광자 에너지 ×\times 평균 광자수:

Eν=hνn(ν)=hνeβhν1\langle E_\nu\rangle = h\nu\langle n(\nu)\rangle = \frac{h\nu}{e^{\beta h\nu} - 1}

모드 밀도를 곱하면 플랑크 분포를 얻는다.

3. 방법 3: 플랑크의 원래 유도 (조합론적)

유도플랑크의 조합론적 유도

플랑크의 원래 방법(1900)은 통계역학적 조합론에 기반한다.

진동수 ν\nuNνN_\nu개의 진동자에 MM개의 에너지 양자(ϵ=hν\epsilon = h\nu)를 분배하는 경우의 수:

W=(Nν+M1)!M!(Nν1)!(Nν+M)!M!Nν!W = \frac{(N_\nu + M - 1)!}{M!(N_\nu - 1)!} \approx \frac{(N_\nu + M)!}{M! \, N_\nu!}

볼츠만 엔트로피: S=kBlnWS = k_B \ln W

스털링 근사를 적용하고, 평균 에너지 Eˉ=Mhν/Nν\bar{E} = M h\nu / N_\nu를 정의하면:

SNνkB=(1+Eˉhν)ln(1+Eˉhν)EˉhνlnEˉhν\frac{S}{N_\nu k_B} = \left(1 + \frac{\bar{E}}{h\nu}\right)\ln\left(1 + \frac{\bar{E}}{h\nu}\right) - \frac{\bar{E}}{h\nu}\ln\frac{\bar{E}}{h\nu}

1/T=S/E1/T = \partial S/\partial E로부터:

1T=kBhνln(1+hνEˉ)\frac{1}{T} = \frac{k_B}{h\nu}\ln\left(1 + \frac{h\nu}{\bar{E}}\right)

Eˉ\bar{E}에 대해 풀면:

Eˉ=hνehν/kBT1\bar{E} = \frac{h\nu}{e^{h\nu/k_BT} - 1}

플랑크 분포를 회복한다.

4. 적분 결과: 슈테판-볼츠만 법칙

유도슈테판-볼츠만 상수의 유도

총 에너지 밀도:

u(T)=0u(ν,T)dν=8πhc30ν3ehν/kBT1dνu(T) = \int_0^\infty u(\nu, T)\,d\nu = \frac{8\pi h}{c^3}\int_0^\infty \frac{\nu^3}{e^{h\nu/k_BT} - 1}\,d\nu

x=hν/(kBT)x = h\nu/(k_BT)로 치환:

u(T)=8πhc3(kBTh)40x3ex1dxu(T) = \frac{8\pi h}{c^3}\left(\frac{k_BT}{h}\right)^4\int_0^\infty \frac{x^3}{e^x - 1}\,dx

핵심 적분:

0x3ex1dx=Γ(4)ζ(4)=6π490=π415\int_0^\infty \frac{x^3}{e^x - 1}\,dx = \Gamma(4)\zeta(4) = 6 \cdot \frac{\pi^4}{90} = \frac{\pi^4}{15}

여기서 Γ(4)=3!=6\Gamma(4) = 3! = 6, ζ(4)=π4/90\zeta(4) = \pi^4/90이다.

u(T)=8π5kB415h3c3T4=aT4u(T) = \frac{8\pi^5 k_B^4}{15h^3c^3}T^4 = aT^4

복사 출력: J=cu/4=σT4J = cu/4 = \sigma T^4

σ=2π5kB415h3c2=5.670×108Wm2K4\boxed{\sigma = \frac{2\pi^5 k_B^4}{15h^3c^2} = 5.670 \times 10^{-8}\,\text{W}\cdot\text{m}^{-2}\cdot\text{K}^{-4}}

5. 빈의 변위 법칙 유도

유도빈의 변위 법칙

u(ν,T)u(\nu, T)의 극대 조건: u/ν=0\partial u/\partial \nu = 0.

x=hν/(kBT)x = h\nu/(k_BT)로 놓으면:

x[x3ex1]=0\frac{\partial}{\partial x}\left[\frac{x^3}{e^x - 1}\right] = 03x2(ex1)x3ex(ex1)2=0\frac{3x^2(e^x - 1) - x^3 e^x}{(e^x - 1)^2} = 03(ex1)=xex    33ex=x3(e^x - 1) = xe^x \implies 3 - 3e^{-x} = x

이 초월 방정식의 수치 해: xmax2.821x_{\max} \approx 2.821

hνmax=2.821kBT    νmax=2.821kBThh\nu_{\max} = 2.821\,k_BT \implies \nu_{\max} = \frac{2.821\,k_BT}{h}

파장 표현에서는 u/λ=0\partial u/\partial\lambda = 0을 풀면 다른 초월 방정식 5(1ey)=y5(1-e^{-y}) = y를 얻고, ymax4.965y_{\max} \approx 4.965이므로:

λmax=hc4.965kBT    λmaxT=hc4.965kB2.898×103mK\lambda_{\max} = \frac{hc}{4.965\,k_BT} \implies \lambda_{\max}T = \frac{hc}{4.965\,k_B} \approx 2.898 \times 10^{-3}\,\text{m}\cdot\text{K}

6. 플랑크 분포에서 알 수 있는 기본 상수

참고흑체복사와 기본 상수

정밀한 흑체 스펙트럼 측정으로부터 다음 기본 상수들을 결정할 수 있다:

  1. **σT4\sigma T^4 (총 복사량)**에서: σ\sigma를 통해 kB4/(h3c2)k_B^4/(h^3 c^2)의 조합
  2. **νmax/T\nu_{\max}/T (빈의 변위)**에서: kB/hk_B/h
  3. 스펙트럼 형태: hhkBk_B를 개별적으로 결정

플랑크는 1901년에 흑체복사 데이터로부터 hhkBk_B를 최초로 정밀하게 결정했다:

h=6.55×1034Js(현재값: 6.626×1034)h = 6.55 \times 10^{-34}\,\text{J}\cdot\text{s} \quad (\text{현재값: } 6.626 \times 10^{-34})kB=1.346×1023J/K(현재값: 1.381×1023)k_B = 1.346 \times 10^{-23}\,\text{J/K} \quad (\text{현재값: } 1.381 \times 10^{-23})

이로부터 아보가드로 수 NA=R/kBN_A = R/k_B와 기본 전하 ee도 결정했으며, 당시 가장 정밀한 값이었다.