光的量子性-黑體輻射

從經(jīng)典物理學(xué)到量子力學(xué)過渡時(shí)期的三個(gè)重大問題的提出引言

提綱物理學(xué)的分支及近年來發(fā)展的總趨勢(shì)§19-1、黑體輻射普朗克能量子假說熱輻射斯忒藩Stefan)-玻耳茲曼定律維恩位移定律確定黑體的熱輻射規(guī)律

經(jīng)典物理遇到的困難普朗克能量子假說§19-2光電效應(yīng)光的波粒二象性光電效應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)律及經(jīng)典理論的困難愛因斯坦的光子學(xué)說光子的能量、動(dòng)量和質(zhì)量（下一頁(yè)）引言：從經(jīng)典物理到現(xiàn)代物理概述物理學(xué)的分支及近年來發(fā)展的總趨勢(shì)物理學(xué)經(jīng)典物理現(xiàn)代物理力學(xué)熱學(xué)電磁學(xué)光學(xué)相對(duì)論量子論非線性時(shí)間t關(guān)鍵概念的發(fā)展力學(xué)電磁學(xué)熱學(xué)相對(duì)論量子論1600170018001900第19章量子力學(xué)基礎(chǔ)（下一頁(yè)）近年來的發(fā)展：★粒子物理高能加速器產(chǎn)生新粒子，已發(fā)覺300種。麥克斯韋理論、狄拉克量子電動(dòng)力學(xué)、重整化方法?！锾祗w物理運(yùn)用物理學(xué)試驗(yàn)方法和理論,對(duì)宇宙各種星球進(jìn)行==觀測(cè)和探討，從而得出相應(yīng)的天文規(guī)律的學(xué)科。應(yīng)用經(jīng)典、==量子、廣義相對(duì)論、等離子體物理和粒子物理。*太陽中微子短缺問題

*引力波存在的問題*物體的速度能否超過光速的問題★生物物理有機(jī)體遺傳程序的探討*有機(jī)體遺傳程序的探討（須運(yùn)用量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理、==X射線、電子能譜和核磁共振技術(shù)等）。*非平衡熱力學(xué)及統(tǒng)計(jì)物理（下一頁(yè)）物理學(xué)發(fā)展的總趨向：★學(xué)科之間的大綜合?！锵嗷B透結(jié)合成邊緣學(xué)科。例如：生物物理、生物化學(xué)、物理化學(xué)、量子化學(xué)、======量子電子學(xué)、量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)、固體量子論。二十世紀(jì)物理學(xué)中兩個(gè)重要的概念：場(chǎng)和對(duì)稱性

從經(jīng)典物理學(xué)到量子力學(xué)過渡時(shí)期的三個(gè)重大問題的提出

光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)。

黑體輻射問題，即所謂“紫外災(zāi)難”。原子的穩(wěn)定性和大小。（下一頁(yè)）熱輻射19-1熱輻射普朗克量子假設(shè)平衡熱輻射放射電磁輻射能量吸取電磁輻射能量相等一、黑體、黑體輻射（下一頁(yè)）試驗(yàn)表明：一切物體在任何溫度下都以電磁波的形式向外輻射能量。輻射的能量與溫度有關(guān)，∴稱之為熱輻射。輻射和吸取的能量相等時(shí)稱為熱平衡。此時(shí)物體具有穩(wěn)定溫度假如一個(gè)物體能全部吸取投射在它上面的輻射而無反射，這種物體稱為確定黑體，簡(jiǎn)稱黑體。確定黑體——一個(gè)志向模型確定黑體實(shí)例?空腔（下一頁(yè)）用不透亮材料制成一空心容器，壁上開一小孔，該小孔可看成確定黑體確定黑體的輻出度二確定黑體的輻射定律T確定黑體試驗(yàn)裝置確定黑體單色輻出度按波長(zhǎng)分布試驗(yàn)T平行光管確定黑體試驗(yàn)裝置二確定黑體的輻射定律確定黑體單色輻出度按波長(zhǎng)分布試驗(yàn)試驗(yàn)裝置T平行光管確定黑體三棱鏡二確定黑體的輻射定律確定黑體單色輻出度按波長(zhǎng)分布試驗(yàn)試驗(yàn)裝置T熱電偶平行光管確定黑體三棱鏡二確定黑體的輻射定律確定黑體單色輻出度按波長(zhǎng)分布試驗(yàn)物體單位表面積發(fā)射的各種波長(zhǎng)的

總輻射功率（1）輻射出射度如果從物體表面單位面積上發(fā)出的，波長(zhǎng)在為單色輻出度，即：,稱比值dλλλ+的輻射功率為和物體尤其是表面粗糙度有關(guān)輻射出射度，簡(jiǎn)稱輻出度（下一頁(yè)）單色吸取比確定黑體及其熱輻射規(guī)律在隨意溫度下對(duì)任何波長(zhǎng)的電磁波吸取比恒為1的物體稱為確定黑體?！彩且粋€(gè)志向模型。M0(T)對(duì)任何物體與任何表面都相同。基爾霍夫定律確定黑體的單色輻出度M0(,T)就是這一普適函數(shù)如何找到這個(gè)普適函數(shù)？好的吸取體同時(shí)也是好的輻射體。（下一頁(yè)）確定黑體的單色輻出度按波長(zhǎng)分布曲線0123456λ(μm)1100K確定黑體的單色輻出度按波長(zhǎng)分布曲線0123456λ(μm)1300K1100K確定黑體的單色輻出度按波長(zhǎng)分布曲線0123456λ(μm)1500K1300K1100K確定黑體的單色輻出度按波長(zhǎng)分布曲線0123456λ(μm)1700K1500K1300K1100K由實(shí)驗(yàn)及理論都可以得到斯忒藩—玻爾茲曼定律（2）斯忒藩（Stefan)——玻爾茲曼定律~λ曲線下的面積等于絕對(duì)黑體在一定溫度下的輻射出射度即：斯忒藩常數(shù)（下一頁(yè)）維恩位移定律:維恩位移定律指出：當(dāng)確定黑體的溫度上升時(shí)，單色輻出度最大值向短波方向移動(dòng)。（3）維恩（Wien)位移定律最大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為峰值波長(zhǎng)λ（下一頁(yè)）1400K物體輻射總能量及能量按波長(zhǎng)分布確定于溫度800K1000K1200K固體在溫度上升時(shí)顏色的變更例子：低溫火爐輻射能集中在紅光。高溫物體輻射能集中在藍(lán)、綠色。應(yīng)用：光測(cè)高溫計(jì)，測(cè)量發(fā)電廠爐內(nèi)溫度。爐火純青例1

測(cè)得太陽輻射譜的峰值在490nm處。試估計(jì)太陽表面的溫度、輻出度和地球接收到的總輻射能。解將太陽視為黑體，由維恩位移定律，得：由斯忒藩-玻耳茲曼定律有：太陽輻射的總功率為：d地球接收到的總輻射能為：（下一頁(yè)）例2

假設(shè)恒星表面的特性和黑體等效，測(cè)得天狼星表面單色輻出度的最大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為257nm（該波長(zhǎng)屬紫外區(qū)域，所以天狼星呈紫色）。試估計(jì)天狼星表面的溫度和單位面積上的輻射功率解：（下一頁(yè)）三普朗克的量子假說普郎克公式瑞利(Rayleigh)--金斯(Jeans)閱歷公式維恩(Wien)閱歷公式問題：如何從理論上找到符合實(shí)驗(yàn)的函數(shù)式？（19-4b）（下一頁(yè)）oλ(μm)123568947實(shí)驗(yàn)值oλ(μm)123568947實(shí)驗(yàn)值維恩oλ(μm)123568947實(shí)驗(yàn)值瑞利--金斯紫外災(zāi)難oλ(μm)123568947實(shí)驗(yàn)值瑞利--金斯紫外災(zāi)難維恩普朗克量子假說能量子假說：輻射物質(zhì)中具有帶電的線性諧振子，它和周圍電磁場(chǎng)交換能量。這些諧振子只能處于某種特殊的狀態(tài)，它的能量取值只能為某一最小能量（稱為能量子）的整數(shù)倍，即：

對(duì)于頻率為的諧振子最小能量為h

稱為普朗克常數(shù)，正整數(shù)n稱為量子數(shù)。（n為正整數(shù)）問題：如何從理論上找到符合實(shí)驗(yàn)的函數(shù)式？（下一頁(yè)）振子在輻射或吸取能量時(shí)，從一個(gè)狀態(tài)躍遷到另一個(gè)狀態(tài)。在能量子假說基礎(chǔ)上，從理論上推導(dǎo)，普朗克得到了黑體輻射公式：這一公式稱為普朗克公式,它和試驗(yàn)符合得很好。c

——光速e

——自然對(duì)數(shù)的底（下一頁(yè)）

——玻爾茲曼恒量oλ(μm)123568947普朗克試驗(yàn)值普朗克能量子假說的意義：首次提出了能量不連續(xù)的假設(shè)，成功的解決了黑體輻射的理論問題。開量子之先河。所以人們稱普朗克為“量子力學(xué)之父”。（下一頁(yè)）M.V.普朗克探討輻射的量子理論，發(fā)覺基本量子，提出能量量子化的假設(shè)1918諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)只要不到確定零度，任何物體都不停地進(jìn)行熱輻射輻射（發(fā)出）的包括可見光、紅外光、紫外光。而光是一份一份地以能量子的形式發(fā)出的，光的能量子就叫作光子。這將有其他的試驗(yàn)事實(shí)加以證明，例如：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)……人類對(duì)自然界的相識(shí)起先進(jìn)入了量子時(shí)代。量子論的誕生日，以普朗克于1900年12月14日在德國(guó)物理學(xué)會(huì)上，宣讀以《關(guān)于正常光譜中能量分布定律的理論》為題的論文算起，至今一百年多一點(diǎn)。量子論和相對(duì)論一起構(gòu)成了近代物理學(xué)的探討基礎(chǔ)。但是，能量