플랑크 분포 유도 (Planck Distribution Derivation)
1. 방법 1: 양자화된 조화진동자
유도양자 조화진동자로부터의 유도
가정: 진동수 인 전자기파 모드는 에너지 ()를 가진 양자 조화진동자와 동등하다. (영점에너지 는 관측 가능한 양에 기여하지 않으므로 생략.)
분배함수:
등비급수 에서 .
평균 에너지:
모드 밀도: 부피 의 공동에서 주파수 와 사이의 모드 수:
(편광 2, -공간의 구의 부피)
에너지 스펙트럼 밀도:
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2. 방법 2: 보즈-아인슈타인 통계
유도보즈-아인슈타인 통계로부터의 유도
광자는 스핀 1의 보존이므로, 보즈-아인슈타인 분포를 따른다. 광자의 수는 보존되지 않으므로 화학 퍼텐셜 이다.
열역학적 논증: 평형에서 자유에너지 가 광자 수 에 대해 극소:
을 보즈-아인슈타인 분포에 대입:
각 모드의 에너지 이므로:
이는 진동수 인 모드의 평균 광자수이다.
평균 에너지 = 광자 에너지 평균 광자수:
모드 밀도를 곱하면 플랑크 분포를 얻는다.
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3. 방법 3: 플랑크의 원래 유도 (조합론적)
유도플랑크의 조합론적 유도
플랑크의 원래 방법(1900)은 통계역학적 조합론에 기반한다.
진동수 인 개의 진동자에 개의 에너지 양자()를 분배하는 경우의 수:
볼츠만 엔트로피:
스털링 근사를 적용하고, 평균 에너지 를 정의하면:
로부터:
에 대해 풀면:
플랑크 분포를 회복한다.
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4. 적분 결과: 슈테판-볼츠만 법칙
유도슈테판-볼츠만 상수의 유도
총 에너지 밀도:
로 치환:
핵심 적분:
여기서 , 이다.
복사 출력:
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5. 빈의 변위 법칙 유도
유도빈의 변위 법칙
의 극대 조건: .
로 놓으면:
이 초월 방정식의 수치 해:
파장 표현에서는 을 풀면 다른 초월 방정식 를 얻고, 이므로:
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6. 플랑크 분포에서 알 수 있는 기본 상수
참고흑체복사와 기본 상수
정밀한 흑체 스펙트럼 측정으로부터 다음 기본 상수들을 결정할 수 있다:
- ** (총 복사량)**에서: 를 통해 의 조합
- ** (빈의 변위)**에서:
- 스펙트럼 형태: 와 를 개별적으로 결정
플랑크는 1901년에 흑체복사 데이터로부터 와 를 최초로 정밀하게 결정했다:
이로부터 아보가드로 수 와 기본 전하 도 결정했으며, 당시 가장 정밀한 값이었다.