18-(1-2-3)黑体辐射.ppt

1、1,后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一场革命性的风暴，乌云落地化作春雨，浇灌着两朵鲜花。,量子力学,相对论,2,教学基本要求,一 正确理解单色幅出度、幅出度的概念； 掌握斯忒藩波尔兹曼定律和维恩位移定律，并能应用它们对问题进行简单计算。,二 正确理解普朗克的量子假说及黑体辐射的普朗克公式。,三 正确理解光电效应的实验规律，掌握爱因斯坦光子假说及爱因斯坦光电效应方程。,四 正确理解康普顿效应，对其简单问题会分析、计算。,五 正确理解光子的波粒二象性，掌握光子波粒二象性的基本关系及其应用。,3,18-1 热辐射 基尔霍夫定律,光是怎样发射和吸收的？ 光的量度又是什么？,4,热辐射现象：任何物

2、体在任何温度下都要发射各种波长的电磁波，并且其辐射能量的大小及辐射能量按波长的分布都与温度有关。,因辐射与温度有关，故称热辐射。,一 热辐射,5,红外照相机拍摄的人的头部的热图,热的地方显白色，冷的地方显黑色,6,炼钢的热辐射,7,(3) 物体既会辐射能量，也会吸收能量。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) 从经典物理学看来热辐射过程的实质是物质中的分子、原子受到热激发后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。,注意：,高温物体发出的是紫外光。,炽热物体发出的是可见

3、光，,(2) 热辐射波谱是连续谱，各种波长(频率)都有，但是强度不同。热辐射强度按波长(频率)的分布和温度有关，温度 短波长的电磁波的比例 。,低温物体发出的是红外光，,8,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、时间的长短和发射的面积。,二 辐出度和吸收比,1 单色辐出度（单色发射本领）,单位时间内，温度为T的物体上单位面积上发射波长在+d范围内的辐射能dE(T)与波长间隔d比值，用e(,)表示。,光源,显然，它是波长和温度的函数。,单位：,9,2 辐射出射度(辐出度),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。,同样，它是温度的函数。,3

4、单色吸收率和单色反射率,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。,单位：,- 总发射本领,10,E吸,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：,对不透明的物体：,11,三 黑体 (Black body),1 黑体：在任何温度、对于任何波长的辐射的吸收率均为1 的物体，称之为绝对黑体，简称黑体。,一次反射,二次反射,N次反射后,12,2）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

5、表面粗糙的空腔可近似看成理想的黑体。,如日光下的建筑物的窗户,若室内点灯,（自身辐射不很弱）,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。,13,四 基尔霍夫定律,室温下，反射光,1100K，自身辐射光,一个黑白花盘子的两张照片,实验现象：(1)原来白底的地方吸收的少(反射的多)， 发射的光强也就弱； (2)原来黑花纹的部分吸收的多(反射的少)， 发射的光强也就强。,基尔霍夫(Gustav Robert Kirchhoff, 1824-1887)德国物理学家,14,真空,模型：,N个不同的物体置于一绝热恒温体内，经过热

6、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。,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。,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。,15,真空,为黑体的单色辐出度,为黑体的单色吸收率,基尔霍夫定律：任何物体的单色辐出度和单色吸收比之比，等于同温度下绝对黑体的单色辐出度。,物理含义：好的吸收体 也是好的辐射体。,16,基尔霍夫定律：任何物体的单色辐出度和单色吸收比之比， 等于同温度下绝对黑体的单色辐出度。,注意：,(1)温度相同的甲乙两物体，对于某一给定波长的辐射能，以单位时间单位表面积计，甲发射的比乙多，则甲吸收的也比乙多；若

7、存在丙物体不能发射某种波长的辐射能，则它也不能吸收该波长的辐射能 。,(2)对于任何波长的辐射能，在相同的温度下，绝对黑体在单位时间单位面积上辐射出去的和吸收的能量比任何其它任何物体都多。,17,18-2 绝对黑体辐射的辐射定律,18,测量黑体辐射出射度实验装置,一 黑体辐射的实验研究,准直系统,19,不同温度下的黑体辐射曲线,20,二 黑体辐射的规律,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。,21,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。,22,(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。,测量

8、黑体温度 - 光测高温计,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。,调节R，当灯丝温度炉温时，灯丝在炉孔像的背景上显示出亮线。,当灯丝温度=炉温时，灯丝在炉孔像的背景上消失。,由通过灯丝电流强度可算出炉温T。,23,例1 (1)温度为室温200C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)以上两黑体辐出度之比为多少？,解：,(2)取,(1)由维恩位移定律,(3)由斯特藩-玻尔兹曼定律,24,例2 太阳的单色辐出度的峰值波长m=483nm，试由此估算 太阳表

9、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。,25,保暖内衣一般靠三条途径来实现保暖，一是改进纺织材料，隔绝空气；二是加膜保暖；三是利用新技术，在纤维中加入特殊材料。“莱恩”“莱卡”纤维属于第一种，这种纤维有类似空心的结构，可以隔绝空气，起到保暖作用，这和羊毛保暖的原理相同。1998年上市的第一代保暖内衣采用的大多是第二种保暖方式，即在两层面料间镀反光膜。而现在我们听得最多的、最不明白的“远红外”技术则属于第三种保暖措施。它在纺织的时候将接近纳米级别的氧化锌或氧化锆一类的陶瓷材料加入纤维中，由于这类陶瓷材料能激发人体血液微循环，所以可起到一定的升温

10、作用。保暖内衣做得再好，至多也只能使你的体温增加2至3摄氏度，说顶几件羊毛衫实在有点夸张。,远红外线的本质是物质的化学键振动和转动过程中能量状态变化的结果，因此绝对温度零度以上的任何物质均能发射出远红外线。远红外线是与人息息相关的，人每时每刻都在发射红外线，也在吸收红外线。红外线可用于医疗保健如日光浴、远红外辐射灯、能量康复器、频谱仪等。有促进血液循环、调 节 血 压、改善关节疼痛、调节自律神经等功效。,26,18-3 普朗克公式,27,一 热辐射的经典理论解释,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（Wiens Formula）,1896年

11、，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速率分布，由经典理论导出以下公式：,- 维恩公式,c1、c2需要实验确定。,28,2 瑞利-琼斯公式（Rayleigh-Jeans Formula）,1900年，瑞利和琴斯把分子物理学中的能量按自由度均分原理以及空腔中的驻波定理应用到电磁辐射中，导出以下公式：,29,对于频率为v的谐振子最小能量为,能量,二 普朗克假设 普朗克公式（1900 年）,1 普朗克假设(能量子假说)：辐射物体中包含着大量的带电线性谐振子，他们与辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些谐振子只

12、能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相应的能量是某一最小能量(称为能量子)的整数倍，即： ，n为正整数，称为量子数。,普朗克常量,30,2 普朗克公式（Plancks Formula）,h=6.6310-34Js - 称为普朗克常数,该公式与实验数据符合得很好！,31,讨论：,(1)当hvkT（高频段）,维恩公式,令：,32,(2)当hvkT（低频段）,瑞利-琴斯公式,33,例 一频率为v=0.5HZ，振辐为A=10cm，劲度系数为K=3.0N/m的谐振子。,能量,若能量变化，一次减少一个能量子，一个能量子能量：,不连续变化的比率：,若每相差一

13、能量子画一直线,宏观看是连续的,34,由此可见可以把经典物理看成是量子物理在量子数很大时的特殊情况（只有n很小时，能量的不连续才显得很明显）。,对应原理：量子论对一个系统的描述，当量子数 非常大时，即与经典物理的描述一致。 （1929年波尔提出）,第一个认识到普朗克假说的伟大意义的是爱因斯坦。并于1905年提出了光量子的概念，正确的解释了光电效应，量子理论才逐渐为人们所接受。,35,在1918年4月普朗克六十岁生日庆祝会上，爱因斯坦说：,在科学的殿堂里有各种各样的人：有人爱科学是为了满足智力上的快感；有的人是为了纯粹功利的目的。而普朗克热爱科学是为了得到现象世界那些普遍的基本规律，这是他无穷的

14、毅力和耐心的源泉。 他成了一个以伟大的创造性观念造福于世界的人。,36,注意：普朗克这一思想是完全背离经典物理，并受到当时许多人的怀疑和反对，包括当时的物理学泰斗-洛伦兹。乃至当时普朗克自已也想以某种方式来消除 这一关系式。它写道：,“我试图将hv纳入经典理论的范围，但一切这样的尝试都失败了，这个量非常顽固。后来他又说：,“在好几年内我花费了很大的劳动，徒劳地去尝试如何将能量子引入到经典理论中去。我的一些同事把这看成是悲剧。但我有自已的看法，因为我从这种深入剖析中获得了极大的好处，起初我只是倾向于认为，而现在是确切地知道能量子将在物理中发挥出巨大作用”。,37,事实上正是这一理论导致了量子力学的诞生，普朗克也成为了量子力学的开山鼻祖，1918年他荣获诺贝尔物理学奖。 他的墓碑上只刻着他的姓名和,38,量子概念是 1900 年普朗克首先提出的，距今已有一百多年的历史.其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力，到 20 世纪 30 年代，就建立了一套完整的量子力学理论.,量子力学,经典力学,现代物理的理论基础,量子力学相 对 论,量子力