量子論初步+高二下學(xué)期物理教科版（2019）選擇性必修第三冊

6.1量子論初步

19世紀(jì)末，牛頓定律在各個領(lǐng)域里都取得了很大的成功：在機(jī)械運(yùn)動方面不用說，在分子物理方面，成功地解釋了溫度、壓強(qiáng)、氣體的內(nèi)能。在電磁學(xué)方面，建立了一個能推斷一切電磁現(xiàn)象的Maxwell方程。另外還找到了力、電、光、聲等都遵循的規(guī)律——能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。當(dāng)時許多物理學(xué)家都沉醉于這些成績和勝利之中，他們認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頭了。于是，1900年，在英國皇家學(xué)會的新年慶祝會上,著名物理學(xué)家開爾文勛爵作了展望新世紀(jì)的發(fā)言:“科學(xué)的大廈已經(jīng)基本完成，后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了?！?-開爾文--

但開爾文畢盡是一位重視現(xiàn)實和有眼力的科學(xué)家，就在上面提到的文章中他還講到：“但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵令人不安的烏云，----”這兩朵烏云是指什么呢？黑體輻射實驗光的速度后來的事實證明，正是這兩朵烏云發(fā)展成為一埸革命的風(fēng)暴，烏云落地化為一埸春雨，澆灌著兩朵鮮花。而關(guān)于黑體輻射的問題正是我們今天要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。投入爐中的鐵塊隨溫度升高依次呈現(xiàn)不同顏色：剛開始鐵塊只是發(fā)熱，并不發(fā)光隨著溫度的升高，鐵塊會慢慢變紅，開始發(fā)光投在爐中的鐵塊800K1000K1200K1400K鐵塊依次呈現(xiàn)暗紅、赤紅、橘紅等顏色，直至成為黃白色（1）站在爐火旁邊有什么感覺？（2）投在爐中的鐵塊一開始是什么顏色?過一會變成什么顏色？思考與討論寒冷的冬季，我們喜歡圍坐在爐火旁邊取暖，此時，我們并未與爐火直接接觸，為什么也能獲得熱量？熱輻射：一切物體在任何溫度下都在輻射電磁波，這種輻射與物體的溫度有關(guān)，所以叫做熱輻射。輻射規(guī)律：

1.輻射的電磁波中包含各種波長的電磁波，不同波長，輻射強(qiáng)度

。1）在室溫下，輻射的主要成分是波長

的電磁波2)在高溫下，輻射的主要成分是波長

的電磁波2.溫度升高，輻射強(qiáng)度

，同時輻射電磁波的頻率和波長也在

。較長較短不同增大變化TT外來各種波長的輻射能反射某些波長的輻射能（隨物而異）吸收某些波長的輻射能（隨物而異）（故也隨物而異）發(fā)射各種波長的熱輻射能對熱輻射規(guī)律的研究顯得較復(fù)雜不透明體度于某一溫處熱平衡狀態(tài)：物體的溫度恒定時，物體所吸收的能量等于在同一時間內(nèi)輻射的能量，這時得到的輻射稱為平衡熱輻射。2、實際熱輻射的復(fù)雜性紅外成像探測鈾礦紅外夜視儀紅外測溫?zé)彷椛涞膽?yīng)用紅外照相問題：如何定量地研究物體的熱輻射規(guī)律？

注意：物體除了熱輻射外，物體表面還會吸收和反射外界射來的電磁波

例如：常溫下我們看到的物體顏色就是物體反射了該頻率的電磁波，吸收了其他頻率的電磁波。一些物體看起來很黑，其實是它吸收所有電磁波，反射的電磁波很弱。一座建設(shè)中的樓房還沒安裝窗子，但室內(nèi)墻已經(jīng)粉刷。從遠(yuǎn)處看，將室內(nèi)墻與樓房外墻的亮度相比你會發(fā)現(xiàn)什么？為什么？一、黑體與黑體輻射1.黑體：物體能夠完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發(fā)生反射。思考：那怎么樣才能得到一個黑體??？太陽，白熾燈燈絲近似當(dāng)做黑體帶小孔的空腔說明：

①黑體是個理想化的模型。

例：開孔的空腔，遠(yuǎn)處的窗口等可近似看作黑體。

②實驗表明：對于一般材料的物體，輻射電磁波的情況除與溫度有關(guān)外，還與材料的種類及表面狀況有關(guān)。

而黑體輻射電磁波的規(guī)律只與黑體的溫度有關(guān)，因而可以反映某種具有普通意義的客觀規(guī)律。于是，在研究熱輻射的規(guī)律時．人們特別注意對黑體輻射的研究。(1)熱輻射不一定要高溫，任何溫度的物體都發(fā)出一定的熱輻射，只是溫度低時輻射弱，溫度高時輻射強(qiáng)。(2)黑體是一個理想化的物理模型，實際不存在。(3)黑體看上去黑，不是一定是黑的，只有當(dāng)自身輻射的可見光非常微弱時看上去才是黑的；有些可看作黑體的物體由于有較強(qiáng)的輻射，看起來還會很明亮例如：煉鋼爐口上的小孔。一些發(fā)光的物體(如太陽、白熾燈燈絲)也被看作黑體來處理。3、特別提醒：2.黑體輻射：黑體向外輻射的電磁波（熱輻射）。差別大它可能反映了某種具有普遍意義的客觀規(guī)律，人們因此對黑體輻射進(jìn)行了深入的實驗及理論研究。二、黑體輻射的實驗規(guī)律黑體輻射譜隨溫度升高，各種波長的輻射強(qiáng)度都有增加相同溫度下：黑體輻射強(qiáng)度隨波長是變化的，中間有峰值隨溫度升高，峰值增加且峰值向波長較短的方向移動+-+-+-1.黑體輻射的理論解釋物體中存在帶電微粒直接找規(guī)律有點(diǎn)兒困難，科學(xué)家打算結(jié)合理論來尋找這個公式。2.維恩、瑞利——金斯的解釋①維恩公式在短波區(qū)與實驗非常接近，在長波區(qū)則與實驗偏離很大。②瑞利公式在長波區(qū)與實驗基本一致，但在短波區(qū)與實驗嚴(yán)重不符。3.普朗克的解釋普朗克找到了一個數(shù)學(xué)公式，它與實驗吻合得非常完美。維恩公式和瑞利——金斯公式，其實就是普朗克公式的特殊情況。(1)熱輻射中包含大量振動著的帶電微粒，它們的能量是某一最小能量ε的整數(shù)倍能量子大小

ε叫能量子，簡稱量子，n為量子數(shù)，它只取正整數(shù)——能量量子化(2)諧振子（簡諧振動的點(diǎn)電荷）只能一份一份按不連續(xù)方式輻射或吸收能量。對于頻率為ν的諧振子，最小能量為：

②h稱為普朗克常量，h＝6.626×10－34J·s(一般取h＝6.63×10－34J·s)。ε=ν

h①其中ν是電磁波的頻率，光在真空中λ=c/ν有

E=nεn=1,2,…稱為一個能量子光本身就是一個個不可分割的能量子，后來被叫做光子，其能量為：愛因斯坦從普朗克的能量子說中得到了啟發(fā)，他提出：練習(xí)1(多選)黑體輻射的實驗規(guī)律如圖所示，由圖可知()A.隨溫度的升高，各種波長的輻射能譜密度都增加B.隨溫度的降低，各種波長的輻射能譜密度都增加C.隨溫度