1 熱輻射 普朗克能量子假設(shè).ppt

1、在相對(duì)論中已欣賞了近代物理的“一朵鮮花”，讓我們來欣賞另“一朵鮮花”-量子力學(xué)。,引言：,光是電磁波還是微粒,？,熱輻射 實(shí) 驗(yàn),要欣賞另一朵鮮花，還得從另一朵烏云說起：,量子概念是 1900 年普朗克首先提出的，距今已有一百多年的歷史.其間，經(jīng)過愛因斯坦、玻爾、德布羅意、玻恩、海森伯、薛定諤、狄拉克等許多物理大師的創(chuàng)新努力，到 20 世紀(jì) 30 年代，就建立了一套完整的量子力學(xué)理論.,量子力學(xué),經(jīng)典力學(xué),現(xiàn)代物理的理論基礎(chǔ),量子力學(xué)相 對(duì) 論,量子力學(xué),一、何謂熱輻射？,物體在任一溫度下發(fā)射從紅外線、可見光到 紫外線等電磁波的現(xiàn)象。,實(shí)驗(yàn)證明不同溫度下物體能發(fā)出不同的電磁波，這種能量按頻率的

2、分布隨溫度而不同的電磁輻射叫做熱輻射。,因輻射與溫度有關(guān)，故稱熱 輻射,1）從經(jīng)典物理學(xué)看來熱輻射過程的實(shí)質(zhì)是物質(zhì) 以電磁波的形式向外輻射電磁波的過程。其 輻射的能量稱之為輻射能。,注意：,2）熱輻射有平衡熱輻射與非平衡熱輻射：,當(dāng)物體因輻射而失去的能量等于從外界吸收 的輻射能時(shí)，這時(shí)物體的狀態(tài)可用一確定的 溫度來描述，這種熱輻射稱為平衡熱輻射。 反之稱為非平衡熱輻射。,二、單色輻出度、輻射出射度、單色吸收率、單 色反射率,實(shí)驗(yàn)表明：物體輻射能多少?zèng)Q定于物體的 溫度（T）、輻射的波長、時(shí)間的長短、發(fā) 射的面積。,光源,顯然，它是波長和溫度的函數(shù),光源,顯然，它是溫度的函數(shù).,2、輻射出射度（總

3、發(fā)射本領(lǐng)）,單位時(shí)間內(nèi)從物體單位面積上所輻射的各種 波長的總的輻射能，用M（T）表示。,鎢絲和太陽的單色輻出度曲線,實(shí)驗(yàn)表明:吸收與反射 的能量與物體溫度有關(guān)、 與輻射能的波長范圍有關(guān).,3、單色吸收率和單色反射率,一束波長為+，強(qiáng)度為I的電磁輻射入射到溫度為T的物體上時(shí)，若反射光的強(qiáng)度為R（T），吸收光的強(qiáng)度為A（T），則定義：,單色吸收率：,單色反射率：,同除I：,4、黑體（black body）,在任何溫度下、對(duì)于任何波長的輻射的吸收率均 為1的物體，稱之為黑體。,注意：1）黑體是對(duì)入射的輻射能全部吸收（不 管什么波長）的物體，也不反射。因 此當(dāng)其自身的熱輻射很弱時(shí)，看上去 是黑洞洞的。

4、,2）黑體是理想化的模型，實(shí)際中的物體的吸收率 總是小于1。,拋光的銅鏡表面：,一般金屬表面：,煤煙：,3）一個(gè)開有小孔的內(nèi)表面粗糙的空腔可近似看成 理想的黑體。,如遠(yuǎn)處不點(diǎn)燈 的建筑物,若室內(nèi)點(diǎn)燈,（自身輻射不很弱）,三、基爾霍夫定律（Kirchhoffs Law）,T=C,一個(gè)實(shí)驗(yàn),真空,N個(gè)不同的物體置于一絕熱 恒溫體內(nèi)，經(jīng)過熱輻射交換 能量，達(dá)到熱平衡態(tài)-物體 與容器具有相同溫度且保持 不變。,要維持溫度不變，則 物體吸收的輻射能必須等于 輻射出去的能量。,但不同物體的輻射出射度是不同的，即每個(gè)物體單位時(shí)間、單位面積輻射的能量是不同的。因此要維持平衡熱輻射，只有輻射能量較多的物體吸收能

5、量也多，反之亦然。,基爾霍夫定律（Kirchhoffs Law）,在同樣的溫度下，各種不同 的物體對(duì)相同波長的單色輻出 度與單色吸收率之比值都相等 ，且等于在該溫度下黑體對(duì)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：好的吸收體也是好的輻射體。,研究熱輻射的中心問題是研究黑體的輻射問題.,四、黑體輻射的實(shí)驗(yàn)研究,1、實(shí)驗(yàn)裝置,A,L1,B,P,L2,C,黑體,準(zhǔn)直系統(tǒng),三棱鏡,測量系統(tǒng),2、黑體輻射的規(guī)律,(nm),A) 斯忒蕃-玻爾茲曼 定律：黑體輻射出 射度與絕對(duì)溫度有 如下關(guān)系：,斯忒蕃-玻爾茲曼常數(shù),物理意義：對(duì)于黑體，溫度越高，輻出度 M0（T）

6、越大且隨T增高而迅速增大。,2、黑體輻射的規(guī)律,B) 維恩位移定律：黑體 溫度增高時(shí)，其單色 輻出度的峰值波長向 短波方向傳播，且有 如下關(guān)系：,峰值波長,T：絕對(duì)溫度,爐火純青,(nm),注意：1）以上兩規(guī)律只適用于黑體，對(duì)非黑體只 近似成立。,2）熱輻射規(guī)律在現(xiàn)代技術(shù)中有廣泛的應(yīng)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：,五、熱輻射的理論解釋、普朗克量子假說,當(dāng)時(shí)經(jīng)典力學(xué)占統(tǒng)治地位，人們自然用經(jīng)典力 學(xué)理論來解釋熱輻射并建立了兩個(gè)公式：,1、維恩公式（Wiens formula）,1896年

7、德國維恩（Wien）從熱力學(xué)普遍理論 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(dǎo)出以下公式,C1、C2須用實(shí)驗(yàn)確定。,此公式在長波方面 與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不符。,2、瑞利-金斯公式（Rayleigh-jeans formula）,1900年瑞利-金斯利用經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué) （將固體當(dāng)作諧振子且能量按自由度均分原則及 電磁輻射理論）得到一個(gè)公式：,C為光速,K=1.38065810-23J/K,波爾茲曼常數(shù),C為光速,K=1.38065810-23J/K,波爾茲曼常數(shù),此公式在短波區(qū)域明顯與實(shí)驗(yàn)不符，而 理論上卻找不出錯(cuò)誤 -“紫外線災(zāi)難” ,像烏 云遮住了物理學(xué)睛

8、 朗的天空。,熱輻射 實(shí) 驗(yàn),3、普朗克公式（Plancks formula）,1900年德國物理學(xué)家普朗克根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)拼湊了一個(gè)公式: “普朗克公式”,C為光速,k波爾茲曼常數(shù),h=6.6310-34js稱為普朗克恒量,該公式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合得很好！,討論：,1）當(dāng)hkT（高頻段）,維恩公式,令：,討論：,2）當(dāng)hkT（低頻段）,瑞利-金斯公式,具體講：輻射物體是由一些線性諧振子組成，對(duì) 頻率為的諧振子，它具有的最小能量是h，其它 能量值是h的整數(shù)倍，因此它吸收與輻射的能量 也只能是h的整數(shù)倍。即能量只能是：,事實(shí)上正是這一理論導(dǎo)致了量子力學(xué)的誕生，普 朗克也成為了量子力學(xué)的開山鼻祖，1918年因此 而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,普朗克（1858-1947）,德國理論物理學(xué)家，量子論的 奠基人. 1900年他在德國物理學(xué) 會(huì)上，宣讀了以關(guān)于正常光譜 中能量分布定律的理論為題的 論文. 勞厄稱這一 天是“量子論的 誕生日”.量子論 和相對(duì)論構(gòu)成了近代物理學(xué)的研究 基礎(chǔ).,例：一頻率為=0.5HZ，振幅為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(gè)能量子，一個(gè)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,宏觀看 是連續(xù)