大学物理：黑体辐射

黑体辐射普朗克量子假设光电效应光的波粒二象性康普顿效应德布罗意波实物粒子的二象性不确定关系量子力学简介氢原子的玻尔理论弗兰克-赫兹实验氢原子的量子力学简介多电子原子中的电子分布激光固体的能带结构小结

量子物理基本要求1

理解普朗克的量子假设，了解普朗克的黑体辐射公式；2

理解光电效应和康普顿效应的实验规律，以及爱因斯坦的光子理论和光电效应方程；3

了解德布罗意波假设及电子衍射实验，理解实物粒子的波粒二象性；4理解描述物质波动性的物理量（波长、频率）和粒子性的物理量（动量、能量）之间的关系；

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了解不确定关系，了解波函数及其统计解释6

了解薛定谔方程及其对一维势阱的应用，了解氢原子的薛定谔方程,能量、角动量和空间量子化，了解施忒恩一盖拉赫实验及微观粒子的自旋；7

了解描述原子中电子运动状态的四个量子数，了解泡利不相容原理、能量最小原理和原子的电子壳层结构；8

了解固体能带的形成以及满带、空带和导带的概念，能用能带观点区分导体、半导体和绝缘体；9

了解半导体、N型半导体、P型半导体和P-N结；10

了解激光形成、特性及其主要应用。

开尔文(1824-1907)

十九世纪末“物理学的大厦已经建成,以后人们的工作只是为其添砖加瓦而已”1迈—莫实验否定了绝对参照系以太的存在；2热辐射现象中的“紫外光灾难”；3放射性现象发现原子是可分的。

开尔文爵士于1900年4月27日在英国皇家学会的会议上发表了《Nineteenth-CenturyCloudsovertheDynamicalTheoryofHeatandLight》的著名演讲。物理学分支及近年来发展总趋势时间t关键概念的发展力学电磁学热学相对论量子论1600170018001900物理学经典物理现代物理力学热学电磁学光学相对论量子论非线性物理学发展的总趋向*学科之间的大综合。*相互渗透结合成边缘学科。生物物理、生物化学、物理化学、量子化学量子电子学、量子统计力学、固体量子论从经典物理学到量子力学过渡的三个重大问题光电效应康普顿效应黑体辐射问题即“紫外灾难”原子的稳定性和大小一为什么要研究黑体辐射？二实验的结果和规律如何？三经典理论出现了什么困难？四能量子假说的提出。15-1黑体辐射普朗克能量子假设

Thermogramofman一热辐射黑体辐射基尔霍夫定律因分子热运动而引起物体辐射电磁波的现象。1热辐射:入射反射透射吸收辐射

物体辐射电磁波的同时也吸收电磁波。辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，此时物体的热辐射称为平衡热辐射。基本性质温度—发射的能量—电磁波的短波成分热辐射的特点:(1)连续(2)温度越高,辐射越强(3)频谱分布随温度变化(4)物体的辐射本领与温度、材料有关；辐射本领越大，吸收本领也越大。单色辐出度M（T）

温度为T、单位时间内从物体单位表面发出的波长在附近、单位波长间隔内的电磁波的能量。单位：总辐出度M（T）

单位时间内从物体表面单位面积上所辐射的各种波长的电磁波的能量总和。黑体：(T)=1，称为理想黑体简称黑体。灰体:

(T)=，称为灰体,称为灰度。白体：(T)=0，称为理想白体简称白体。吸收比：吸收能量与入射总能量的比值。单色吸收比

(T)

：波长在范围的吸收率。

若物体在任何温度下能吸收一切外来电磁辐射，则称此物体为黑体.（绝对黑体）—-理想模型2基尔霍夫定律黑体基尔霍夫定律(1859年)

定律:

对于所有物体的单色辐出度与其单色吸收比的比值都为一定值，其与物性无关，只是波长和温度的函数。数学表达式如下：含义:相同温度下，不同物体单位面积发射的一定波长的辐射能量越多，吸收就越多，不发射则不吸收——适用于平衡热辐射。热平衡T表明：1黑体的单色辐出度是一个普适函数，有着特殊重要性！B=2在同温下，好的吸收体必定也是好的辐射体;室温高温吸收辐射二黑体辐射的实验定律1黑体模型:Wien和Lummer提出的黑体模型不透明材料制成的带小孔空腔

2实验装置T热电偶平行光管绝对黑体三棱镜3黑体辐射实验定律可见光5000K6000K3000K4000K0.51.01.52.010502）维恩位移定律例：低温火炉辐射能集中在红光。高温物体辐射能集中在蓝、绿色。维恩位移定律指出：当绝对黑体的温度升高时，单色辐出度最大值向短波方向移动。应用：光测高温计，测量发电厂炉内温度。1）斯特藩—玻尔兹曼定律：斯特藩—玻尔兹曼常量WilhelmWien1864-1928,1911

例（1）温度为室温的黑体，其单色辐出度的峰值所对应的波长是多少？（2）若使一黑体单色辐出度的峰值所对应的波长在红色谱线范围内，其温度应为多少？（3）以上两辐出度之比为多少？解（2）（1）（3）例太阳的单色辐出度的峰值波长试由此估算太阳表面的温度.解由维恩位移定律

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例

实验测得太阳辐射波谱的λm=490nm，若把太阳视为黑体，试计算:（1）太阳表面单位面积上所发射的功率；（2）地球表面阳光直射的单位面积接收到的辐射功率；（3）地球每秒内接收的太阳辐射能。（已知太阳半径RS=6.96×108m，地球半径RE=6.37×106m，地球到太阳的距离d=1.496×1011m)三瑞利—金斯公式经典物理的困难0123624瑞利-金斯公式紫外灾难实验曲线****************T=2000K普朗克（1858—1947）

德国理论物理学家，1900年12月14日在德国物理学会上，宣读论文《关于正常光谱中能量分布定律的理论》.劳厄称：“量子论的诞生日”.“为了从理论上得出正确的辐射公式，必须假定物质辐射（或吸收）的能量不是连续地、而是一份一份地进行的，只能取某个最小数值的整数倍”。

这个最小数值就叫能量子，辐射频率是ν的能量的最小数值ε=hν。他因这一发现开创了量子力学的新纪元，获得1918年诺奖。四普朗克假设、黑体辐射公式1普郎克量子假说：——普朗克黑体辐射公式电磁波

若谐振子频率为v

，则其能量是0,hv,2hv,3hv,…,nhv,…

普朗克常数：h=6.626×10-34J·s腔壁上的原子能量谐振子与腔内电磁场交换能量时，谐振子能量的变化是hv的整数倍.01236瑞利-金斯公式24普朗克公式的理论曲线实验值****************实验值与普朗克公式理论曲线比较T=2000K

（2）当量子数由增加到时，振幅的变化是多少？

例设一音叉尖端