黑体辐射普朗克假说.ppt

电磁波 v E H 1、电磁波是一横波 2、E与H同位相 3、 4、电磁波的偏振性 介质中 波速： 真空中 波速： 5.电磁波的传播速度 能量密度 能流密度 量子物理基础量子物理基础 N.玻尔、M.玻恩、 W.L.布拉格、L.V.德布罗意、A.H.康普顿、 M.居里、P.A.M 狄喇克、A.爱因斯坦、W.K.海森堡、 郞之万、W.泡利、普朗克、薛定谔 等 第五次索尔维会议与会者合影(1927年) 热辐射 普朗克的量子假设 普朗克(1858-1947) 普朗克像 16-1 16-1 热辐射热辐射 普朗克的量子假设普朗克的量子假设 固体在温度升高时颜色的变化 1400K 物体辐射总能量及能量按波长分布都决定于温度。 800K 1000K 1200K 1. 热辐射现象 热辐射 : 由温度决定的物体的电磁辐射。 头 部 热 辐 射 像 头部各部分温度不同，因此它们 的热辐射存在差异，这种差异可 通过热象仪转换成可见光图象。 辐 射 能 量 0 1.0 1.75 波长 ( m ) 2.单色辐出度和辐射出射度 单色辐出度 与物体的 温度和辐射波长有关。 单色辐出度：单位时间内，温度为T 的物 体单位面积上发射的波长在 到 范围内 的辐射能量 与波长间隔 的比值，用 表示。 辐射出射度:单位时间内，从物体单位面积 上所发射的各种波长的总辐射能，称为物体的 辐射出射度，简称辐出度。 辐出度只是物体温度的函数。 I 3.单色吸收比和单色反射比 如果以 I 表示入射能量，A和R分别表示吸收能量 和反射能量 则有 I (T) = A (T) + R (T) R A (T) + (T) = 1 其中 (T) = A (T) / I (T) 称为单色吸收比。 (,T) = R (T) / I (T) 称为单色反射比。 4. 绝对黑体 若物体能够完全吸收入射的全部可见光 黑颜色物体 若物体能够完全吸收任何入射波长的辐射能 绝对黑体 黑体 ： (T) = 1， (T) = 0 白体 ： (T) = 0， (T) = 1 灰体 ： (T) ， (T) 均在0 1之间 在同样的温度下,各种物体对同一波长的单色辐出度与单色 吸收比之比值都相等。 该定律适用于平衡热辐射。 5. 基尔霍夫辐射定律 基尔霍夫 （1）某物体辐射的能量多，吸收的能量也多。不辐射 某一波长的辐射能，也不吸收这一波长的辐射能。 室温下的白底黑五星瓷片高温下的白底黑五星瓷片 （2）对任何波长的辐射能，黑体比同温度下所有 其他物体发射和吸收的都要多。 有关实验： S1S2 B1 B2 T 6. 黑体辐射实验规律 不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看 作黑体。 黑体模型 研究黑体辐射的 规律是了解一般物体 热辐射性质的基础。 测定黑体辐出度的实验简图 P L2 B2 A L1 B1 C A为黑体B1PB2为分光系统 C为热电偶 M0 (10-7 W / m2 m) ( m) 0.5 1.0 1.5 2.0 10 5 0 M0 (10-7 W / m2 m) ( m) 可见光 5000K 6000K 3000K 4000K 黑体的辐出度与黑体的绝对温度四次方成正比： （1） 斯特藩-玻耳兹曼定律 根据实验得出黑体辐射的两条定律： 热辐射的功率随着温度的升高而迅速增加。 斯特藩常数 M0 (10-7 W / m2 m) ( m) 对于给定温度T ，黑体的单色辐出度 有一 最大值,其对应波长为 。 热辐射的峰值波长随着温度的增加而向着短 波方向移动。 （2） 维恩位移定律 M0 (10-7 W / m2 m) ( m) 太阳表面温度 M 辐出度 测得太阳光谱的峰值波长在 绿光区域，为 m = 0.47 m. 试估算太阳的表面温度和辐 出度。 例 太阳不是黑体，所以按黑体计算出的 Ts 低于太阳的实际温度 ；M B (T) 高于实际辐出度。 说明 解 19世纪末，由于冶金等各方面的需求， 人们急于知道辐射强度与光波长之间的函数 关系。当时维恩和瑞利-金斯分别发表了两 个公式，试图解决这一问题。 维恩经验公式 问题：如何从理论上找到符合实验曲线的函数式 7. 普朗克量子假设 这个公式与实验曲线波长短 处符合得很好，但在波长很长处 与实验曲线相差较大。 维恩 o 实验值 /m 维恩线 12345678 瑞利-金斯公式 这个公式在波长很长处与实验曲线比较相近， 但在短波区，按此公式， 将随波长趋向于零而 趋向无穷大。 瑞利、金斯两人是根据经典物理的理论 严密推导的，理论值与实验值在短波区的北 辙南辕，使人们不得不称之为“紫外灾难”。 瑞利 o 实验值 /m 维恩线 瑞利-金斯线 紫 外 灾 难 12345678 维恩公式和瑞利-金斯公式都是用经 典物理学的方法来研究热辐射所得的结 果，都与实验结果不符，明显地暴露了 经典物理学的缺陷。黑体辐射实验是物 理学晴朗天空中一朵令人不安的乌云。 为了解决上述困难，普朗克利用内插法将适 用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利-金斯公 式衔接 起来，提出了一个新的公式： 普朗克常数 这一公式称为普朗克公式。它与实验结果符 合得很好。 8.普朗克的内插公式 o 实验值 /m 维恩线 瑞利-金斯线 紫 外 灾 难 普 朗 克 线 12345678 普朗克公式还可以用频率表示为： 将维恩公式和瑞利公式综合在一起，理论值 与实验结果符合得较好。 当0，即在长波范围，普朗克定律变为瑞 利金斯公式。 当，即在短波范围，又与维恩定律一致 。 普朗克得到上述公式后意识到，如果 仅仅是一个侥幸揣测出来的内插公式， 其价值只能是有限的。必须寻找这个公 式的理论根据。 8.普朗克的能量子假说 能量的量子假说：辐射物质中具有带电的线 性谐振子，它和周围电磁场交换能量。这些 谐振子只能处于某种特殊的状态，它的能量 取值只能为某一最小能量（称为能量子） 的整数倍，即： ，2, 3, . , n n为正整数 对于频率为 的谐振子最小能量为： 式中的k为玻尔兹曼常数，c为光速，h为