普朗克黑体辐射理论高二下学期物理人教版选择性必修第三册

4.1

普朗克黑体辐射理论1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上，物理学家威廉·汤姆孙勋爵作了展望新世纪的发言：科学的大厦已经基本完成，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了黑体辐射实验迈克尔逊莫雷实验“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云”量子论的建立是20世纪物理学的最大成就之一。量子论解释了原子、分子等微观粒子遵循的规律，这些规律和牛顿力学等宏观、低速情况下的物理规律有很大不同。量子论不但深化和丰富了人类对自然界的认识，而且催生了一大批新技术，深刻地改变了人们的生活方式和社会形态。量子论使人们认识了微观世界的运动规律，并发展了一系列对原子、分子等微观粒子进行有效操控和测量的技术。图为利用扫描隧道显微镜将48个铁原子排成的“原子围栏”。那么，人们认识量子规律的第一步是怎样迈出的？任何物体在任何温度下辐射电磁波一定时间内物体辐射能量的多少、辐射能量按波长的分布与物体的温度有关——与温度有关的辐射称为热辐射800K1000K1200K1400K特性：室温时，主要成分是波长较长的电磁波；当温度升高时，波长较短的电磁波成分越来越强。

辐射强度及波长成分的分布随温度变化热辐射热辐射物体受热就会发光，也就是辐射电磁波。温度不同时,辐射的波长（或频率）也不同，例如：加热铁块，

温度升高，铁块颜色由看不出发光

暗红→橙色→

黄白色→蓝白色这种与温度有关的电磁辐射，称为热辐射。并不是所有发光现象都是热辐射，例如：激光

、

日光灯发光就不是热辐射不透明体外来各种波长的辐射能反射某些波长的辐射能吸收某些波长的辐射能（随物而异）发射各种波长的热辐射能（故亦随物而异）TT一处于某温度实际物体热辐射的复杂性（随物而异）但理论研究表明各种同温物体对同一波长辐射能的单色吸收本领单色发射本领比值相同而且都等于一个同温的“黑体”对同一波长辐射能的单色发射本领。黑体辐射成为研究实际物体热辐射问题的基础。什么是黑体？热辐射假设有这样的物体无任何反射TT这种假设的物体称为黑体。绝对理想的黑体并不存在，但它是热辐射的重要理论模型。值得注意的是实验室中常用的黑体经典实验模型：（随物而异）能全部吸收入射各种波长的辐射能热辐射开一小孔通过小孔进入腔内的辐射能几乎全被腔壁吸收反射回小孔出射的机会极少，小孔表面好比黑体（吸收全部入射的辐射能而无反射）对空腔加热至某热平衡温度对空腔加热至某热平衡温度从小孔表面出射的就是处于某一热平衡温度的T实验黑体的辐射能，进而探索其能谱分布规律。不透明材料空腔不透明材料空腔TT热辐射黑体和黑体辐射1.黑体：如果一个物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波，而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。2.黑体辐射：黑体虽然不反射电磁波，却可以向外辐射电磁波，这样的辐射叫作黑体辐射。黑体是个理想化的模型黑体和黑体辐射（1）黑体辐射的特征：黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关。（一般物体的辐射与温度、材料、表面状况有关）（2）对黑体的理解：绝对的黑体实际上是不存在的，但可以用某装置近似地代替，如图所示。不透明材料制成的带小孔的空腔太阳，白炽灯灯丝近似当做黑体黑体辐射的实验规律分光元件（如棱镜或光栅等）将不同波长的辐射按一定的角度关系分开，转动探测系统测量不同波长辐射的强度分布。再推算出黑体单色辐出度按波长的分布。黑体（小孔表面）T集光透镜平行光管分光元件会聚透镜及探头电炉（控制温度）特点：相同加热温度下，黑体辐射强度与辐射电磁波的波长有关，中间有最大值随温度的升高①各种波长的辐射强度都在增加；②温度越高，辐射的最大值越大

③辐射强度的最大值向短波方向移动。如何从理论上找到符合实验的函数式?黑体辐射的实验规律维恩①维恩的经验公式：短波符合，长波不符合维恩线瑞利瑞利─金斯线维恩线②瑞利

─

金斯公式：

长波符合，短波荒唐

──

紫外灾难1900年从经典电动力学和统计物理学理论（能量均分）推导而得该公式在低频段与实验曲线符合得很好

“物理学晴朗天空中的一朵乌云!”普朗克的发现黑体辐射公式：

1900年10月19日，普朗克在德国物理学会会议上提出黑体辐射公式。普朗克找到的数学公式，它与实验吻合得非常完美。练习关于对热辐射的认识，下列说法正确的是（）A．热的物体向外辐射电磁波，冷的物体只吸收电磁波B．物体温度越高，辐射强度越大C．辐射强度按波长的分布情况只与物体的温度有关，与材料种类及表面状况无关D．常温下我们看到的物体的颜色就是物体辐射电磁波的颜色B练习下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中，符合黑体辐射实验规律的是（）A能量子普朗克普朗克MaxPlanckMaxPlanck1858-19471858-19471900年12月24日，普朗克在《关于正常光谱的能量分布定律的理论》一文中提出能量量子化假设，量子论诞生。这些谐振子和空腔中的辐射场相互作用过程中吸收和发射的能量是量子化的，只能取一些分立值：e

,

2e

,...，ne

;组成黑体腔壁的分子或原子可视为带电的线性谐振子；频率为

的谐振子，吸收和发射能量的最小值e=h

称为能量子（或量子）h称为普朗克常量，h＝6.626×10－34J·s(一般取h＝6.63×10－34J·s)ε量子：不可分割的基本个体分立：不连续的宏观世界中：能量可以是任意值，可以连续变化。例如：物体的重力势能，弹簧振子的弹性势能。微观世界中：微观粒子的能量只能是一个一个的特定值，不能连续变化。（能量量子）例如：物体的带电量，电子绕原子核运动的轨道半径。经典量子连续分立2.能量子的理解宏观微观普朗克量子化理论的意义（1）破除“能量连续变化”的传统思想，是物理新思想的基石之一。（2）开创物理学新纪元，为量子力学的诞生奠定了基础。（3）标志着人类对自然规律的认识从宏观进入微观领域。牛顿以来物理学最伟大的发现之一跨出了真正说明物质世界量子性的第一步普朗克普朗克一战封神------超越牛顿的发现瑞利─金斯公式黑体辐射：不反射电磁波，却可以向外辐射电磁波随温度的升高：各种波长的辐射强度都在增加；辐射强度的最大值向短波方向移动普朗克黑体辐射理论黑体：能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体普朗克公式黑体辐射的理论解释黑体辐射的实验规律维恩的经验公式能量子振动的带电微粒，它们的能量是某一最小能量ε的整数倍；ε

=

hν能量是量子化的，只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量下列有关黑体和黑体辐射的说法正确的是（

）A.黑体能够吸收照射到它上面的全部辐射而无反射B.黑体的温度升高时可以辐射出任何频率的电磁波(包括可见光和不可见光)C.黑体辐射的实验规律可以利用经典物理学的理论来解释D.黑体辐射的实验规律无法用经典物理学的理论解释ABD在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看作黑体，由小孔的热辐射特性，就可以确定炉内的温度。如图所示是黑体的辐射强度与其辐射光波长的关系图象，则下列说法正确的是（）A．T1>T2B．T1<T2C．随着温