大学物理课件 14.1 黑体辐射

第十四章量子物理《大学物理》

引言

近几十年来，在不同领域相继发现了宏观量子效应（如超导现象，超流现象，乃至一些天体现象），表明宏观世界的物质运动也遵循量子力学规律，人们所熟知的经典力学规律只是量子力学规律在特定条件下的一个近似。

量子力学是将物质的波动性与粒子性统一起来的动力学理论，是20世纪初研究微观世界中粒子的运动规律建立起来的。物理学的两朵乌云：“黑体辐射”——量子力学的诞生“光速不变”——相对论的诞生

引言马克斯·普朗克（1858-1947）“黑体辐射”1900年，普朗克（MaxKarlErnstLudwigPlanck）首次提出了能量量子化，标志着量子论诞生。1905年，爱因斯坦（AlbertEinstein）引用普朗克的量子论并加以推广，用于解释光电效应，提出了光子学说。

1911年，在物理化学家能斯特的组织下，主题为“辐射理论与量子”的第一届索尔维会议在布鲁塞尔成功召开了。物理学家们共同讨论恼人的量子问题，经典物理学的某些基本原理处境不妙了。第一届索尔维会议使量子思想声名远播，并使更多的人投入到对量子问题的研究中。爱因斯坦的好友贝索风趣地将这次会议称为“布鲁塞尔的女巫盛宴”。

引言第一届索尔维会议第五次索尔维会议

1927年，第五次索尔维会议—会议主题为“电子和光子”，世界上最著名的物理学家聚在一起讨论重新阐明的量子理论。爱因斯坦以“上帝不会掷骰子”的观点反对海森堡的测不准原理，而玻尔反驳道：“爱因斯坦，不要告诉上帝怎么做”——这一争论被称为玻尔—爱因斯坦论战。参加这次会议的二十九人中有十七人先后获得获得诺贝尔奖。

引言

引言

目前，量子力学已广泛地应用到基本粒子、原子核、原子、分子、凝聚态物理直到中子星、黑洞各个层次的研究，从集成电路、电子计算机到量子计算机，从原子弹、氢弹到核电站，从激光技术、超导技术到固体材料、纳米技术，无不以量子力学为其理论基础。可以毫不夸张地说，没有量子力学就没有现代的科学技术。

量子力学与相对论被称为当今物理学与现代科学技术的两大支柱。714.1黑体辐射

能量子14.2光电效应

爱因斯坦光子理论14.3康普顿散射14.4氢原子光谱

氢原子的玻尔理论14.5微粒的波粒二象性

不确定关系14.6薛定谔方程14.7一维无限深势阱14.8原子壳层结构

第14章量子物理14.1

黑体辐射

能量子《大学物理》91、热辐射

任何物体在任何温度下都在不断向周围辐射着电磁波，且辐射的能量与温度有关。

物体辐射电磁波的同时,也在吸收电磁波。当吸收和辐射达到平衡时，物体的温度不再变化处于辐射热平衡状态。物体的辐射本领越大,其吸收本领也越大。

一

黑体辐射10

能够全部吸收各种波长的电磁辐射能而不发生反射和透射的物体称为绝对黑体。2.黑体

如果每次反射吸收10%,电磁波在空腔内反射100次后,只剩余0.90100=2.656×10-5

。

黑体的吸收本领最大，辐射本领也最大。辐射的电磁波含有各种频率成分，并随黑体的温度而变化。

一

黑体辐射11

在温度为T的黑体的单位面积上，在单位时间内，单位波长范围内所辐射出的电磁波能量，称为单色辐出度Mλ(T)。3.单色辐出度

在单位时间内，从温度为T的黑体的单位面积上所辐射出的电磁波的总能量,称为辐出度M(T)。4.辐出度

一

黑体辐射127000K6000K5000K4000K可见光黑体的实验曲线

在一定温度下，曲线有一极大值，对应的波长称为峰值波长λm

。各种单色辐出度随温度的升高而增加。

一

黑体辐射13

黑体的辐出度曲线下的面积（总辐射能）与黑体的热力学温度的四次方成正比：

定律表示单位时间单位表面积上辐射出的各种波长电磁波的总能量与温度之间的关系。式中

，称为斯忒藩

玻耳兹曼常量。1.斯忒藩

玻耳兹曼定律

二

经典物理的解释及困难142.维恩位移定律

当黑体的热力学温度升高时，峰值波长向短波方向移动。式中

，为常数。

维恩定律是由经典统计物理导出的半经验公式，在短波波段与实验符合的很好，而在长波波段有明显的差异。

二

经典物理的解释及困难实验维恩T=1646k15

瑞利—金斯公式是由经典统计物理和经典电动力学得出的，其在长波波段与实验符合的很好，而在短波波段有明显的差异，既历史上的“紫外灾难”。3.黑体辐射的瑞利—金斯公式“紫外灾难”其实质说明了经典理论具有一定的缺陷。

二

经典物理的解释及困难16经典物理的困难瑞利—金斯公式(1900年)维恩公式(1896年)试验曲线

二

经典物理的解释及困难173.当谐振子从一个能量状态变化到另一个状态时,辐射和吸收的能量是hν的整数倍:hν为能量子。1.组成腔壁的原子、分子可视为带电的一维线性谐振子，谐振子能够与周围的电磁场交换能量。2.每个谐振子的能量不是任意的数值,频率为ν的谐振子，其能量只能为hν,2hν,…分立值。

h=6.626×10–34js

,为普朗克常数。

三

普朗克的量子假设18或普朗克黑体辐射公式