量1 黑体辐射.ppt

作业15 18 量子物理 力学 牛顿运动三定律和万有引力定律热学 热力学定律与统计理论电学 电磁学和光学 麦克斯韦方程组 物理学的大厦已经落成 引言 十九世纪末 经典物理已发展得相当成熟 人们认为 对物理现象本质的认识已经完成 然而在人类即将跨入20世纪的时候 了某些无法用经典理论解释的实验现象 却发现 M M实验 零结果 和热辐射 紫外灾难 晴朗的物理学天空中出现的 两朵乌云 Twoclouds 两朵乌云 onthehorizonof20thcenturyphysics blackbodyradiation contradictspredictionsofthermodynamics Michelson Morleyexperiment contradictsNewtonianrelativity 牛顿或伽利略相对性原理 M M实验 相对论黑体辐射 量子论 提高照明效率 研究高温测量 测星体表面温度 电磁波谱的研究 1黑体辐射 Black bodyradiation 热辐射理论发展的背景 科技发展的需要 理论上出现了矛盾 紫外灾难 这种与温度有关的辐射称为 热辐射 一 热辐射 热辐射是热能转化为电磁能的过程 红外辐射热象图 红外夜视仪 红外夜视仪拍的照片 钢水温度测量 定性图述 炽热状态 定义 e T 该物体对波长的 l 单色辐出度 为 且与物体的材料及表面情况有关 e T 单色辐出度 从物体单位表面上辐射的各种波长的总辐射功率为 称为物体的总辐出度 其单位为 瓦 米 W m 即 2 2 其单位为 瓦 米 单位时间的辐射能 单位面积单位波长 e T d E l d l 二 黑体辐射 随物而异 故亦随物而异 随物而异 黑体 二 黑体辐射 随物而异 随物而异 故亦随物而异 二 黑体辐射 吸收系数 吸收能量与入射总能量的比值 单色吸收系数 在温度T和波长附近单位波长间隔内的吸收系数 反射系数 反射能量与入射总能量的比值 单色反射系数 在温度T和波长附近单位波长间隔内的反射系数 平衡热辐射 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 黑体 能够完全吸收外来辐射而没有反射的物体 对于不透明物体 研究结果表明 对于任何物体 单色吸收系数高 其单色辐出度亦大 两者比值为一恒量 与物体性质无关 仅与波长和温度有关 这表明 1 黑体光谱辐出度最大 2 好的辐射体也是好的吸收体 在平衡热辐射时 有规律 利用黑体可撇开材料的具体性质 来普遍 与材料无关 地研究热辐射本身的规律 3 若已知 则 基尔霍夫辐射定律 在相同温度下 单色辐出度与单色吸收率的比值对于所有物体都相同 是一个只取决于温度T和波长 的函数 好的辐射体也是好的吸收体 定理成立的条件 仅适用于平衡热辐射 因此时才有确定温度T 以下说法是否正确 温度相同两物体B1和B2 对指定波长的辐射能量 若B1比B2对此波长所辐射的能量多 则相应吸收亦多 反之亦然 若物体不能辐射某波长能量 亦不能吸收此波长能量 在相同波长 温度条件下 绝对黑体比非绝对黑体单色辐射本领和单色吸收系数都大 黑体实验模型 黑体辐射测量 黑体辐射规律 s 5 67 10W m K 2 8 4 斯特藩 玻耳兹曼定律 b 2 898 10 3m K 黑体辐射实验规律 维恩位移定律 5 67 10 8W m2K4 斯特藩 玻耳兹曼定律 重要应用 遥感和红外追踪高温比色测温仪估算表面温度非典时 测温仪 红外测温仪 红色 2600 3600K 黄色 5000 6000K 白色 7700 11500K 蓝色 12000K以上 sh nxi 红超巨星 蓝超巨星 由维恩位移定律 对宇宙中其他发光星体的表面温度也可用这种方法进行推测 2 取 1 由维恩位移定律 3 由斯特藩 玻尔兹曼定律 黑体辐射测量 黑体辐射规律 s 5 67 10W m K 2 8 4 斯特藩 玻耳兹曼定律 但沿用经典物理概念 如经典电磁辐射理论和能量均分定理 去推导一个符合实验规律的黑体单色辐出度函数均遇到困难 其中一个著名的推导结果是 2 4 l p c k T 瑞利 金斯公式 l 0 当 时 即波长向短波 紫外 方向不断变短时 则 8 经典物理概念竟然得出如此荒唐的结论 物理学史上称之为 紫外灾难 黑体辐射问题所处的困境成为十九世 末 物理学太空中的一朵乌云 但它却孕育着一个新物理概念的诞生 瑞利 金斯公式 平衡热辐射理论加上能均分定理 维恩公式 把辐射体的原子看成是带电谐振子 l 0 当 时 即波长向短波 紫外 方向不断变短时 则 8 三 普朗克公式及能量子假说 c 光在真空中的速率 k 玻耳兹曼常量 h 普朗克常量 并很快被检验与实验结果相符 理论曲线 单色辐出度函数及曲线线 普朗克的黑体 能量子假设 普朗克公式 由普朗克公式可导出其他所有热辐射公式 讨论 1 在长波段情况下 瑞利 金斯公式 2 在短波段情况下 维恩公式 爱因