大学物理 热辐射.ppt

19世纪末页，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面不用说，在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。,引言：,在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现象的Maxwell方程。,另外还找到了力、电、光、声-等都遵循的规律-能量转化与守恒定律。,当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到头了。,于是1900年英国物理学家开尔文在瞻望20世纪物理学的发展的文章中说到：,也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点后面在加几位罢了！,但开尔文毕尽是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：,黑体辐射实验,迈克尔逊-莫雷实验,后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。,普朗克量子力学的诞生,相对论问世,经典力学,量子力学,相对论,微观领域,高速领域,一、热辐射,物体在任一温度下发射从红外线、可见光到紫外线的现象。,因辐射与温度有关，故称热辐射,4-0黑体辐射,1）从经典物理学看来热辐射过程的实质是物质以电磁波的形式向外辐射能量的过程。其辐射的能量称之为辐射能。,2）热辐射有平衡热辐射与非平衡热辐射：,当物体因辐射而失去的能量等于从外界吸收的辐射能时，这时物体的状态可用一确定的温度来描述，这种热辐射称为平衡热辐射。反之称为非平衡热辐射。,1、注意：,2、单色辐出度、辐射出射度、单色吸收率、单色反射率,实验表明：物体辐射能多少决定于物体的温度（T）、辐射的波长、时间的长短、发射的面积,1）单色辐出度（单色发射本领）,光源,显然，它是波长和温度的函数,2）辐射出射度（总发射本领）,单位时间内从物体单位面积上所辐射的各种波长的总的辐射能，用E（T）表示。,光源,显然，它是温度的函数,实验表明:吸收与反射的能量与物体温度有关、与辐射能的波长范围有关.,3)单色吸收率单色反射率,定义：一束波长为+，强度为E入的电磁辐射入射到温度为T的物体上时，若反射光的强度为E反(,T)，吸收光的强度为E吸（，T），则定义：,单色吸收率：,单色反射率：,显然，对不透明的物体：,同除E入（，T）：,二、黑体（blackbody）,在任何温度、对于任何波长的辐射的吸收率均为1的物体，称之为黑体。,注意：1）黑体是对入射的辐射能全部吸收（不管什么波长）的物体，也不反射。因此当其自身的热辐射很弱时，看上去是黑洞洞的。,2）黑体是理想化的模型，实际中的物体的吸收率总是小于1。,抛光的铜镜表面：,一般金属表面：,煤烟：,3）一个开有小孔的内表面粗糙的空腔可近似看成理想的黑体。,如远处不点灯的建筑物,若室内点灯,（自身辐射不很弱）,三、基尔霍夫定律（KirchhoffsLaw）,T=C,一个实验,真空,N个不同的物体置于一绝热恒温体内，经过热辐射交换能量，达到热平衡态-物体与容器具有相同温度且保持不变。,但不同物体的辐射出射度是不同的，即每个物体单位时间、单位面积辐射的能量,要维持温度不变，则物体吸收的辐射能必须等于辐射出去的能量,是不同的。因此要维持平衡热辐射，只有辐射能量较多的物体吸收能量也多，反之亦然。,基尔霍夫定律（KirchhoffsLaw）,在同样的温度下，各种不同的物体对相同波长的单色辐出度与单色吸收率之比值都相等，且等于在该温度下黑体对同一波长的单色辐出度。,为黑体的单色辐出度,为黑体的单色吸收率,其中：,物理含义：好的吸收体也是好的辐射体。,研究热辐射的中心问题是研究黑体的辐射问题,四、黑体辐射的实验研究,1、实验装置,A,L1,B,P,L2,C,黑体,准直系统,三棱镜,测量系统,2、黑体辐射的规律,(nm),1）斯忒蕃-玻尔兹曼定律：黑体辐射出射度与绝对温度有如下关系：,斯忒蕃-玻尔兹曼常数,含义：它说明对于黑体，温度越高，辐出度EB(T)越大且随T增高而迅速增大。,炉火纯青,注意：1）以上两规律只适用于黑体，对非黑体只近似成立。,(nm),2）热辐射规律在现代技术中有广泛的应用-高温测量、遥感、遥测、红外跟踪等。,例：太阳可以看成黑体，地球上测出其峰值波长为m=5100，则其表面温度和辐出度为多少？,由,解：,五、热辐射的理论解释、普朗克量子假说,当时经典力学占统治地位，人们自然用经典力学理论来解释热辐射并建立了两个公式：,1、维恩公式（Wiensformula）,1896年德国维恩（Wien）从热力学普遍理论出发，将黑体谐振子能量按频率分布类同于Maxwell速度分布，由经典理论导出以下公式,维恩公式,C1、C2须用实验确定。,此公式在长波方面与实验数据不符。,2瑞利琼斯公式（Rayleigh-jeansformula）,1900年瑞利-琼斯利用经典电动力学和统计力学（将固体当作谐振子且能量按自由度均分原则及电磁辐射理论）得到一个公式：,C为光速,K=1.38065810-23J/K,波尔兹曼常数,此公式在短波区域明显与实验不符，而理论上却找不出错误-“紫外线灾难”,像乌云遮住了物理学睛朗的天空。,热辐射实验,3、普朗克公式（Plancksformula）,h=6.6310-34js称为普朗克恒量,该公式与实验数据符合得很好！,讨论：,1）当hkT（高频段）,维恩公式,令：,2）当hkT（低频段）,瑞利琼斯公式,具体讲：辐射物体是由一些线性谐振子组成，对频率为的谐振子，它具有的最小能量是h，谐振子具有的其它能量值是h的整数倍，因此它吸收与辐射的能量也只能是h的整数倍。即能量只能是：,