普朗克假说.ppt

1、在相对论中已欣赏了近代物理的“一朵鲜花”让我们来欣赏另“一朵鲜花”-量子力学。,热辐射 实 验,先从被称为另一朵乌云说起,一）何谓热辐射,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,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电磁波的过程。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。,二）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

2、定于物体的 温度（T）、辐射的波长、时间的长短、发 射的面积,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M（T）表示。,光源,显然，它是温度的函数,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M（T）表示。,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I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R（T），吸收光的强度为A（T），则定义：,单色吸收率：,单色反射率：,显然，对

3、不透明的物体：,可得：,4）黑体（black body）,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（Kirchhoffs Law）,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

4、 ，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),A)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 M0（T）越大且随T增高而迅速增大。,2）黑体辐射的规律,B)维恩位移定律：黑体 温度增高时，其单色 辐出度的峰值波长向 短波方向传播，且有 如下关系：,峰

5、值波长,T：绝对温度,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,用经典力学理论来解释热辐射，建立了 两个公式：,1）维恩公式（Wiens formula）,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

6、与实验数据不符。,2）瑞利-金斯公式（Rayleigh-jeans formula）,1900年瑞利-金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（Plancks formula）,1900年普朗克根据实验数据拼凑了一个公式：,C为光速,k波尔兹曼常数,e为自然对数底,h=6.6310-34js称为普朗克恒量,该公式与实验数据符合得

7、很好！,讨论：,1）当hkT（高频段）,维恩公式,令：,普朗克公式,2）当hkT（低频段）,瑞利-金斯公式,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，能具 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：,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年因此 而获得诺贝尔奖。,普朗克说：,例：一频率为=0.5HZ，振辐为A=10cm，劲 度系数为K=3.0N/m的谐振子：,其能量,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：,若每相差一能量子画一直线,宏观看 是连续的,由此可见可以把经典物理 看成是量子物理在量子数很