高二物理競賽第18章熱輻基爾霍夫定律課件

18.1

熱輻射基爾霍夫定律一.平衡熱輻射熱輻射:任何物體在任何溫度下,由于分子的熱運動使物體向外輻射各種波長的電磁波.平衡熱輻射:物體輻射的能量等于同一時間所吸收的能量當溫度上升時輻射總能增加,同時輻射最大的波長減小.物體輻射的同時,也吸收輻射.頭部熱輻射像頭部各部分溫度不同，因此它們的熱輻射存在差異，這種差異可通過熱象儀轉換成可見光圖象。單位時間內從物體單位表面積的波長在附近單位波長間隔內的電磁波的能量.輻出度

:單位:W·m－2二.輻出度和吸收比單色輻出度:單位時間從物體表面單位面積輻射的總能量.單色吸收比

:物體在溫度T時,對于波長在附近單位波長間隔內吸收的能量與入射的總能量的比值.若用表示對應的單色反射比,對于不透明的物體有三.絕對黑體(blackbody)能完全吸收各種波長的電磁波而無反射的物體任何溫度、對任何波長的輻射的吸收率均為1黑體是理想化的模型,實際物體的吸收率總小于1.煤煙約99%空腔小孔可近似看作為黑體.如遠處不點燈的建筑物;若室內點燈,視為自身輻射不很弱絕熱恒溫體四.基爾霍夫定律（Kirchhoff’sLaw）T=C一個實驗M1M2B真空

N個不同物體和一黑體置于一絕熱恒溫體內，經(jīng)過熱輻射交換能量，達到熱平衡態(tài),物體與容器具有相同溫度且保持不變。

材質的輻出度不同，即每個物體單位時間、單位面積輻射的能量不同。

要維持溫度不變，物體吸收的輻射能須等于輻射出的能量.

故要維持平衡熱輻射，只有輻射能量較多的物體吸收能量也多，反之亦然?；鶢柣舴蚨?同樣的溫度下，不同物體對相同波長的單色輻出度與單色吸收率之比值都相等，等于該溫度下黑體對同一波長的單色輻出度。為黑體的單色輻出度為黑體的單色吸收率其中：物理意義:熱平衡時,強吸收體必然是強輻射體.推論I:(某)物體若不能發(fā)射某波長的輻射,那么它也不能吸收這一波長的輻射,反之亦然.推論II:相同溫度,黑體吸收本領最大,其發(fā)射本領也最大研究熱輻射的中心問題是研究黑體的輻射問題一、絕對黑體單色輻出度按波長的分布AL1BPL2C黑體準直系統(tǒng)三棱鏡測量系統(tǒng)18.2

絕對黑體的輻射規(guī)律1.02.03.04.05.02030104050602200K2000K1800K1600K(nm)二、絕對黑體的輻射定律1

斯特藩-玻耳茲曼定律(1879年斯特藩由實驗數(shù)據(jù)分析得出,1884年玻耳茲曼由熱力學得出)黑體的輻出度與黑體的溫度的四次方成正比=5.6710-8W/m2K4——斯特藩-玻耳茲曼常數(shù)2維恩位移定律(1893)黑體溫度增高時，其單色輻出度的峰值波長向短波方向移動，且有如下關系：mT=bb=2.897756×10-3m·K注意：1）以上兩規(guī)律只適用于黑體，對非黑體近似成立2）熱輻射規(guī)律在現(xiàn)代技術中有廣泛的應用

---高溫測量、遙感、遙測、紅外跟蹤等.例：太陽可以看成黑體，地球上測出其峰值波長為m=5100?，則其表面溫度和輻出度為多少？由解：18.3普朗克公式

一、經(jīng)典理論的困難：人們企圖用經(jīng)典理論解釋黑體輻射的實驗曲線，卻得到兩個與曲線不符的式子：1）維恩公式（Wien’sformula）1896年德國維恩（Wien）從熱力學理論出發(fā)，將黑體諧振子能量按頻率分布類同于Maxwell速度分布，由經(jīng)典理論導出：c1、c2用實驗確定。此公式在長波方面與實驗數(shù)據(jù)不符。1.02.03.04.05.06.07.08.09.0(nm)2）瑞利—金斯公式（Rayleigh-jean’sformula）1900年瑞利--金斯利用經(jīng)典電動力學和統(tǒng)計力學（把腔內的電磁場看作是具有一定數(shù)目本征振動的駐波場,然后據(jù)能均分定理)可得一公式：c3為常數(shù)

此公式在短波區(qū)域與實驗不符，趨于無窮!理論上卻找不出錯誤--“紫外災難”

,像烏云遮住了物理學睛朗的天空。

熱輻射實驗1.02.03.04.05.06.07.08.09.0(nm)

當時的理論把腔壁中的原子分子看成可吸收或輻射電磁波的諧振子，可按任一大小的分額交換能量，普朗克放棄了這一概念，提出能量的吸收與輻射只能按不連續(xù)的一份一份的進行.這些諧振子只能處于某些特殊狀態(tài)。它們的能量只能是某些能量子的整數(shù)倍。為諧振子頻率普朗克量子假設：量子數(shù)電磁波能量腔壁上的原子二、普朗克假設普朗克公式（Planck’sformula）

“我試圖將h

納入經(jīng)典理論范圍，但一切嘗試都失敗了，這個量非常頑固.”后來,他又說：

“在好幾年內我花費了很大的勞動，徒勞地去嘗試如何將能量子引入到經(jīng)典理論中去。我的一些同事把這看成是悲劇。但我有自已的看法，因為我從這種深入剖析中獲得了極大的好處，起初我只是傾向于認為，而現(xiàn)在是確切地知道能量子ε將在物理中發(fā)揮出巨大作用”。

事實上正是這一理論導致了量子力學的誕生，普朗克也成為了量子力學的開山鼻祖，1918年因此而獲得諾貝爾獎。

普朗克這一思想完全背離經(jīng)典物理，并受到當時許多人的懷疑和反對，包括當時的泰斗洛侖茲。這給普朗克造成很大壓力。1900年德國人普朗克推導出新的黑體輻射公式c為光速k:玻爾茲曼常數(shù)該公式與實驗數(shù)據(jù)符合得很好！(nm)1.02.03.04.05.06.07.08.09.0例1：一頻率為=0.5HZ，振輻為A=10cm，勁度系數(shù)為K=3.0N/m的諧振子：其能量若能量變化，一次減少一個能量子，一個能量子能量：不連續(xù)變化的比率：若每相差一能量子畫一直線EX宏觀看是連續(xù)的

可見經(jīng)典物理可看成量子物理在量子數(shù)很大時的特殊情況（只有n很小時，能量的不連續(xù)才顯得很明顯）18.4

光電效應愛因斯坦方程一光電效應的實驗規(guī)律1．光電效應：在光照下,電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象逸出的電子叫光電子.2．光電效應的實驗裝置（I,v)AKUiA為陽極,K為陰極.光照射在K上,電子從K逸出在電壓UAK作用下,形成光電流3.實驗規(guī)律(1)

對某種金屬而言,僅當入射光頻率v大于一定的頻率v0,才產(chǎn)生光電流.否則,不論光的強度有多大,都無光電子逸出.0叫截止頻率(也稱紅限),不同金屬的0不一樣金屬截止頻率4.5455.508.06511.53銫

鈉鋅銥鉑19.29(2)瞬時性:只要頻率大于截止頻率,光電效應產(chǎn)生的時間不超過10-9s.(3)遏止電勢差Ua：使光電流為零時的反向電壓.(eUa=Ekmax)遏止電勢差與入射光頻率成線性關系,與入射光強無關.4.06.08.010.0(1014Hz)0.01.02.0Ua(V)NaCaCs0(4)飽和光電流強度與入射光強度的關系在相同的條件下,飽和光電流強度iS與入射光強成正比.-UaiUO光強較弱iS1iS2光強較強從K射出的光電子全部飛向陽極A，形成飽和電流實驗規(guī)律小結:

只有光的頻率

0

時，光電子才會逸出。遏止電勢差(光電子最大初動能)和光頻率成線性關系。

飽和光電流強度(逸出光電子的多少)取決于光強

I

。

光電子瞬時發(fā)射，滯后時間不超過

10–9

秒。二.經(jīng)典物理(光的波動說)與實驗規(guī)律的矛盾

電子在電磁波作用下作受迫振動，光強越大,E矢量的振幅越大,電子受迫力越大,光電子最大初動能取決于光強，和光的頻率無關.且不應存在紅限0。當光強很小時，電子要逸出，必須經(jīng)較長時間的能量積累。1.普朗克假定是不協(xié)調的只涉及光的發(fā)射或吸收,未涉及輻射在空間的傳播.2.愛因斯坦光量子假設(1905)三.光子假設愛因斯坦方程即腔壁振子量子化,腔內仍是電磁波.愛因斯坦認為,光在空間傳播時也是量子化的.電磁輻射由以光速c運動的局限于空間某一小范圍的光量子（光子,每一個光子的能量為）組成此式為光電效應方程入射光子能量光電子初動能金屬逸出功幾種金屬的逸出功金屬鈉

鋁鋅銅銀鉑2.284.084.314.704.736.353.對光電效應的解釋入射光強增大?光子數(shù)增多?光電子增多?飽和光電流大一能流密度為S的單色光，單位時間通過垂直于光傳播方向的單位面積的光子數(shù)為n,則S=nhν光電子初動能正比于頻率.比較得:h=eK,W=eU01916年密立根對光電效應進行了精密測量.證明了斜率是h/e,由此求得的h與別的方法求得的值一致，說明愛因斯坦光電效應方程的正確．電子一次吸收一個光子,不需要時間累積—瞬時性.當

＜W/h時.不發(fā)生光電效應紅限頻率：光的波粒二象性:光在傳播過程中,波動性(,)表現(xiàn)比較顯著;當光與物質相互作用時,粒子性(E,p)表現(xiàn)比較顯著.四光電效應在近代技術中的應用光控繼電器、自動控制、自動計數(shù)、自動報警等.放大器接控件機構光光控繼電器示意圖測量波長在

200~1200nm極微弱光的功率光電倍增管例1.波長為450的單色光射到純鈉的表面上.求(1)這種光的光子能量和動量;(2)光電子逸出表面時的動能;(3)若光子的能量為2.40eV,其波長為多少?解

(1)=2.76eV=1.47×10-27kg·m·s-1(2)

鈉的逸出功

W=2.28eV；Ek=2.76-2.28=0.48eV(3)=518nm例2.設有一半徑為1.0×10-3m的薄圓片,它距光源1.0m.

此光源的功率為1W,發(fā)射波長為589nm的單色光.假定光源向各個方向發(fā)射的能量相同,試計算在單位時間內落在薄圓片上的光子數(shù).解圓片的面積為S=×(1.0×10-3)2=×10-6m2單位時間落到圓片上的能量為代入數(shù)據(jù)有光子數(shù)為=7.4×1011s-1例３用波長4000A的光照射銫感光層，求銫所放出的光電子速度及遏止電壓。（紅限波長為6600A）18.5康普頓效應康普頓研究X射線(0很短)在石墨上的散射,發(fā)現(xiàn)散射光中不僅有與原入射線波長0相同的譜線,也有波長>0的譜線.這種波長變長的現(xiàn)象稱康普頓紅移.光的波動理論能解釋波長不變的散射（X射線的電場迫使散射物中的電子作強迫振蕩，而向周圍輻射同頻率的電磁波）,不能解釋紅移現(xiàn)象.康普頓認為這是由于入射線中的光子和散射物質中的自由電子作彈性碰撞的結果.散射物體探測器e?由于是彈性碰撞,動量和能量都守恒,動量守恒的大小關系為考慮到質速關系,;=0,=0,=0