黑体辐射普朗克的能量子假说.ppt

第十六章 从经典物理到量子物理,杨振宁在爱因斯坦对理论物理学的影响一书中指出：在20世纪初，发生了三次概念上的革命，它们深刻地改变了人们对物理世界的了解，这就是狭义相对论（1905年）、广义相对论（1916年）和量子力学（1925年）。,1900年前后，人们发现了许多经典理论无法解释的一些新实验事实，如：黑体辐射、光电效应、康普顿效应及原子光谱实验规律。,为了解释这些规律，迫使人们去寻找新的物理概念，建立新的理论。量子力学就是在这样的背景下逐渐发展起来的一种新理论.,本章主要介绍上述实验规律以及当时解释这些规律而提出的相关设想.,16-1 黑体辐射 普朗克的能量子假说,一、热辐射的基本概念,1.热辐射,P194,第1段,1,2行,它是由分子、原子热运动引起的。 温度不同时 辐射的波长分布不同,例如：加热铁块，随着温度的升高， 从看不出发光暗红橙色兰白色,1）概念：由于分子热运动导致物体不断地辐射电磁波,因这种辐射与温度有关, 故称热辐射.,热辐射 - 热能转化为电磁能的过程,如：固体在温度升高时颜色的变化,2）热辐射的基本性质,任何物体在任何温度下都有热辐射。 热辐射发射的电磁波是连续光谱 （各波长都有，但强度不同） 温度越高,辐射能量越大,辐射电磁波的波长越短。,800K以下，只发热，肉眼无法观察,800K以上，才能看到物体发光,P194,第1段，第2行起,直觉: 低温物体发出的是红外光 炽热物体发出的是可见光 高温物体发出的是紫外光 注意： 热辐射与温度有关 激光 日光灯发光不是热辐射,3）平衡热辐射,物体不仅有发射电磁波的本领、还具有吸收、反射电磁波的本领。,P194,第2段，第1行,P194,第2段，第2,3行,如果物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能量，物体达到热平衡，称为平衡热辐射。此时物体具有固定的温度。,以下只讨论平衡热辐射。,4.单色辐出度M（T）（或单色发射本领）,单位时间内从物体表面单位面积上所辐射出来的、波长在 范围内的辐射能为dM(T) ，,为该物体的单色辐出度。,定义,单位：W/m3,钨丝和太阳的单色辐出度曲线,P194,16.1式及上1，2行,定义:单位时间内从物体表面单位面积上辐射的波长在到+d范围内的辐射能量dM(T)与d的比值为单色辐出度，用M（T）表示.,1）单色辐出度M（T）（或单色发射本领）,单位：W/m3,M（T）和,温度、波长有关,发射体材料及表面情况有关,2.描述热辐射的物理量,P194,16.1式及上1，2行,钨丝和太阳的单色辐出度曲线,2）辐射出射度M(T)（或全发射本领）,定义：单位时间内从物体表面单位面积上辐射的各种波长电磁波的能量总和，称为该物体的辐射出射度，简称辐出度，用M(T)表示。,单位：W/m2,P194,第3段，1，2行,P194,16.2式及上面1行,M(T)和,温度有关,发射体材料及表面情况有关,温度T 时,物体辐出度与单色辐出度关系,附：钨丝和太阳的单色辐出度曲线,温度T 时，物体辐出度与单色辐出度关系,3）吸收比和反射比,P194,倒第1段，第1，2行,定义：物体在温度T时, 反射波长在 +d 范围内电磁波能量与相应波长的入射电磁波能量之比，称为该物体的单色反射比，用( ，T)表示。,对于不透明物体,P195,16.3式,定义：物体在温度T时,吸收波长在 +d 范围内电磁波能量与相应波长的入射电磁波能量之比，称为该物体的单色吸收比，用（，T）表示。,1.绝对黑体,1)定义：如果一物体,能完全吸收各种波长的入射辐射能而无反射,则该物体为绝对黑体，简称黑体。即,二、黑体和基尔霍夫辐射定律,。,2）黑体模型：在不透明材料做成的空腔上开一小孔，这样的小孔就可作为黑体模型。,说明：黑体是一理想模型。实际上 “黑体”不存在。,P195,1下1,2行,1.绝对黑体,1)定义：如果一物体,能完全吸收各种波长的入射辐射能而无反射,则该物体为绝对黑体，简称黑体。即,二、黑体和基尔霍夫辐射定律,P195,1下1,2行,对于平衡热辐射，物体辐射的能量和吸收的能量相同。因此 黑体也能辐射各种波长的电磁波 它的辐射的本领最大(和非黑体相比),黑体是一理想模型，实际上 “绝对黑体”是不存在的。,黑体模型,在不透明的材料上开小孔做成空腔，空腔外面的电磁波可以通过小孔进入空腔，经过多次反射后，几乎全部被腔壁吸收。,2）黑体模型,小孔能完全吸收各种波长的入射电磁波而成为黑体。,维恩设计的黑体,空腔上的小孔 炼钢炉上的小洞,向远处观察打开的窗子 近似黑体,，,，,2. 基尔霍夫定律,M0(T) 表示温度T下绝对黑体的单色辐出度,则上式可简记为,任何物体的单色辐出度和单色吸收比之比,等于同一温度下绝对黑体的单色辐出度,即基尔霍夫定律。,P196,1,2行,任何物体的单色辐出度和单色吸收比的比值,与物体的性质无关，与温度T及波长有关。,P195,16.5式,P195,2下第3行,P195,16.4式,2）由基尔霍夫辐射定律可得以下结论,a）一个好的吸收体，也是好的发射体。,黑体能够吸收各种波长的电磁波，因此黑体也能辐射各种波长的电磁波.,1）基尔霍夫定律适用于平衡热辐射。,说明：,P196,3,4行,b）在热辐射达到平衡时， 黑体的单色辐射度随波长变化曲线的形状与黑体的绝对温度T有关，与构成黑体的材料和形状无关.这样，利用黑体就可撇开材料的具体性质来研究热辐射的规律。,绝对黑体既是最好的吸收体，也是最好的发射体。,黑体的辐射的本领最大(和非黑体相比),P196, 4行,对于平衡热辐射，物体辐射的能量和吸收能量相同。因为绝对黑体能够吸收各种波长的电磁波，因此绝对黑体也能辐射各种波长的电磁波。,1）定律适用于平衡热辐射,基尔霍夫定律,说明：,P196,3,4行,2）定律表明：一个好的吸收体，也是好的发射体。,一个黑白花盘子的两张照片,绝对黑体既是最好的吸收体，也是最好的发射体。,黑体的辐射的本领最大(和非黑体相比),P196, 4行,3) 辐射达到平衡时：物体辐射能量=吸收能量。故 绝对黑体能够吸收各种波长的电磁波，也能辐 射各种波长的电磁波。,黑体材料和形状无关.,这样，利用黑体就可撇开材料的具体性质来研究热辐射的规律。,黑体温度T有关,黑体M(T) 曲线形状与,练2,练1,例1（练考点17),例2,1. 实验曲线,三、 黑体辐射的基本规律,黑体的单色辐出度Mo(T )按波长分布曲线,1）对应不同的温度，曲线不同。 2）每条曲线都有一个峰值。温度越高，峰值的波长越小。 3）温度越高，曲线下的面积越大。,特点：,黑体的单色辐出度Mo(T )按波长分布的实验曲线,特点：,是连续谱,Mo和、T有关,每条曲线有一极值波长m,T m ,曲线下面积即为M(T )，随T单调增加。,不同温度下 与的曲线,1）斯特藩玻耳兹曼定律,M0(T) = T 4,黑体辐射的总发射本领与它绝对温度的四次方成正比，即,P196,16.6式及上面一行,2.两个实验定律,斯特藩常量,不同温度下 与的曲线,2）维恩位移定律,T m = b,常量,P197,16.7式,1,2行,曲线的峰值波长与温度成反比。,热辐射的峰值波长随着温度的增加而向着短波方向移动。,3.说明：该定律适用于绝对黑体的平衡热辐射。,4.应用：,b)科研星球表面温度估算。(见例3),2)遥感、红外追踪等技术的物理基础。 如：神六、神七,1)测物体的温度，如,例3 实验测得太阳单色辐出度的峰值所对应的波长为483nm，若将太阳看作黑体，估计太阳表面的温度和太阳的辐出度。,解:,由此方法也可估算宇宙中其它发光星体的表面温度.,）由斯特藩玻耳兹曼定律，得,M0(T) = T 4,例4（考点19）,例5,四、经典物理学遇到的困难,理论物理学家做了艰苦地努力，其中最典型的是维恩公式和瑞利金斯公式。,1.维恩公式,1896年维恩从经典热力学理论及实验数据的分析得出,如何从理论上找到符合实验的函数式?,P197,16.8式,只适用于短波区,维恩公式与实验曲线,在长波段，维恩曲线明显偏离实验曲线！,1900年从经典电动力学和统计物理学理论 推导得,2.瑞利-金斯经验公式,瑞利-金斯线公式与实验曲线,只适用于长波区,P198,16.9式,在紫外区与实验曲线明显不符,瑞利-金斯线公式与实验曲线,“紫外灾难”,当0时，,P198,16.9式下1-3行,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。,“紫外灾难”原因能量连续分布对黑体辐射的失败。普朗克抛弃能量连续取值的概念，于1900年12月14日大胆地提出了能量量子化假设。,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，普朗克利用以上两公式，用数学内插法将维恩公式和瑞利-金斯公式衔接起来，得出了与实验结果符合的普朗克公式.,“紫外灾难”原因能量连续分布对黑体辐射的失败。普朗克抛弃能量连续取值的概念，于1900年12月14日大胆地提出了能量量子化假设。,1.维恩公式,P197,16.8式,2.瑞利-金斯公式,P198,16.9式,从麦克斯韦分子速率分布的规律解释。只适用于短波区。,从热力学统计物理中能量按自由度均分原理解释。只适用于长波区。,维恩(W.Wien 1864-1928 德国物理学家)于1911年获诺贝尔物理学奖,四、经典物理学遇到的困难,紫外灾难,当0， 这就是物理学历史上的“紫外灾难”。,“紫外灾难”原因能量连续分布对黑体辐射的失败。普朗克抛弃能量连续取值的概念，于1900年12月14日大胆地提出了能量量子化假设。,P198,16.9式下面2，3行,五、普朗克的能量子假设,1.普朗克假设,1)把构成黑体的原子、分子看成带电的线性谐振子；,2）谐振子所具有的能量只能是最小能量 的整数倍，即 , 2 ， 3 ， ，n , （ 称为能量子，n为正整数，叫量子数。）,3）对频率为 的谐振子，最小能量 = h，式中 h = 6.631034 J s，叫普朗克常量。,P198,倒第1段,4）谐振子在吸收或辐射能量时，振子从这些状态之一跃迁到其他一个状态。即物体发射或吸收的能量必须是最小能量的整数倍，而且是一份一份地按不连续的方式进行。每一份能量叫一能量子（ = h ）。,利用这一假设，普朗克从理论上导出了绝对黑体单色辐出度的表达式,P199, 第3行及10.10b下第6行,2.普朗克公式,P199, 16.10b,此式在全波段内与实验相符，它是国际实用温标用以定标的基础。,黑体辐射曲线与经典比较,成功解释了黑体辐射的实验规律；开创了物理学研究的新局面；标志人类对自然规律认识从宏观领域进入了微观领域；为量子力学诞生奠定了基础。,普朗克（L.Planck 1858-1947 德国物理学家）由于提出量子假设而对量子理论的建立所做的贡献获得1918年的诺贝尔物理学奖。,普朗克提出的能量量子化假设意义,例6 （考点22）,结束,结束,电离辐射：使物质电离的辐射。如：宇宙射线、射线、射线、射线、X射线等。 电离辐射的强度与距离、时间以及屏蔽情况有关。这种辐射对人体有害、注意防护。 非电离辐射：不能使物质电离的辐射。如：微波、激光、红外、紫外、超声波等。这种辐射到处都有，可不防护。,生活小贴士,普朗克首次指出了热辐射过程中能量变化的非连续性。普朗克所提出的能量量子化假设是一个划时代的发现，能量子的存在打破了一切自然过程都是连续的经典定论，第一次向人们揭示了自然的非连续本性。,普朗克常数h是微观物理中的重要物理量，与量子化分不开.,1921年中国物理学家叶企孙等人测定的普朗克常量值在物理学界使用了16年之久。,科学史家们将1900年12月14日定为量子的诞生日.,1）对应不同的温度，曲线不同。 2）温度越高，曲线下的面积越大。由图知其曲线下的面积为绝对黑体在该温度下的辐出度 3）对每一条曲线都有一个峰值。温度越高，与峰值对应波长越小。,1）斯特藩玻耳兹曼定律,2.实验结论,3.两条实验定律,M0(T) = T 4,黑体辐射的总发射本领与它的绝对温度的四次方成正比，即,P196,16.6式及上面一行,2）维恩位移定律,T m = b,常量,可见，当绝对黑体随温度升高时，其单色辐出度的最大值向短波方向移动。 如：炉温升高其火焰颜色由红黄；炉火纯青也说明该现象。,称为斯特藩常量,P197,16