熱輻射普朗克能量子假設(shè)PPT課件

1、 量子概念是 1900 年普朗克首先提出的，距今已有一百多年的歷史.其間，經(jīng)過愛因斯坦、玻爾、德布羅意、玻恩、海森伯、薛定諤、狄拉克等許多物理大師的創(chuàng)新努力，到 20 世紀(jì) 30 年代，就建立了一套完整的量子力學(xué)理論.量子力學(xué)宏觀領(lǐng)域經(jīng)典力學(xué)現(xiàn)代物理的理論基礎(chǔ)量子力學(xué)相 對 論量子力學(xué)微觀世界的理論起源于對波粒二相性的認(rèn)識第1頁/共36頁一、何謂熱輻射？ 物體在任一溫度下發(fā)射從紅外線、可見光到紫外線等電磁波的現(xiàn)象。 實(shí)驗(yàn)證明不同溫度下物體能發(fā)出不同的電磁波，這種能量按頻率的分布隨溫度而不同的電磁輻射叫做熱輻射。第2頁/共36頁火爐600度1000度400度因輻射與溫度有關(guān)，故稱熱輻射1）從經(jīng)典

2、物理學(xué)看來熱輻射過程的實(shí)質(zhì)是物質(zhì) 以電磁波的形式向外輻射電磁波的過程。其 輻射的能量稱之為輻射能。注意：第3頁/共36頁2）熱輻射有平衡熱輻射與非平衡熱輻射：當(dāng)物體因輻射而失去的能量等于從外界吸收的輻射能時(shí)，這時(shí)物體的狀態(tài)可用一確定的溫度來描述，這種熱輻射稱為平衡熱輻射。反之稱為非平衡熱輻射。二、單色輻出度、輻射出射度、單色吸收率、單 色反射率 實(shí)驗(yàn)表明：物體輻射能多少?zèng)Q定于物體的溫度（T）、輻射的波長、時(shí)間的長短、發(fā)射的面積。第4頁/共36頁1、單色輻出度（單色發(fā)射本領(lǐng)）單位時(shí)間內(nèi)，溫度為T的物體上單位面積上發(fā)射波長在 +d范圍內(nèi)的輻射能dM與波長間隔d比值，用M（）表示。光源ddMMT).

3、().(3mWS=1顯然，它是波長和溫度的函數(shù)dMd第5頁/共36頁光源).(2mWS=1顯然，它是溫度的函數(shù).2、輻射出射度（總發(fā)射本領(lǐng)）單位時(shí)間內(nèi)從物體單位面積上所輻射的各種波長的總的輻射能，用M（T）表示。TM0).()(dMMTT第6頁/共36頁o 2 4 6 8 10 12Hz10/1421210468)/(128HzmW10TM太陽)/(129HzmW10-TM鎢絲K5800T可見光區(qū) 太陽 鎢絲鎢絲和太陽的單色輻出度曲線第7頁/共36頁 實(shí)驗(yàn)表明:吸收與反射的能量與物體溫度有關(guān)、與輻射能的波長范圍有關(guān).3、單色吸收率和單色反射率不透明介質(zhì)A吸吸收I入射入射R反反第8頁/共36頁

4、一束波長為+，強(qiáng)度為I的電磁輻射入射到溫度為T的物體上時(shí)，若反射光的強(qiáng)度為R（T），吸收光的強(qiáng)度為A（T），則定義：單色吸收率：單色反射率：IAaTT)()(IRrTT)()(不透明介質(zhì)A吸吸收I入射入射R反反第9頁/共36頁1)()(TTra同除I：4、黑體（black body） 在任何溫度下、對于任何波長的輻射的吸收率均為1的物體，稱之為黑體。注意：1）黑體是對入射的輻射能全部吸收（不 管什么波長）的物體，也不反射。因 此當(dāng)其自身的熱輻射很弱時(shí)，看上去 是黑洞洞的。 對不透明的物體：)()(TTARI第10頁/共36頁2）黑體是理想化的模型，實(shí)際中的物體的吸收率 總是小于1。拋光的銅鏡表

5、面：一般金屬表面：煤煙：02. 0總a8 . 06 . 0總a98. 095. 0總a第11頁/共36頁3）一個(gè)開有小孔的內(nèi)表面粗糙的空腔可近似看成 理想的黑體。如遠(yuǎn)處不點(diǎn)燈的建筑物若室內(nèi)點(diǎn)燈（自身輻射不很弱）第12頁/共36頁第13頁/共36頁絕熱恒溫體三、基爾霍夫定律（Kirchhoffs Law）T=C一個(gè)實(shí)驗(yàn)B1B2B3真空N個(gè)不同的物體置于一絕熱恒溫體內(nèi)，經(jīng)過熱輻射交換能量，達(dá)到熱平衡態(tài)-物體與容器具有相同溫度且保持不變。 要維持溫度不變，則物體吸收的輻射能必須等于輻射出去的能量。第14頁/共36頁 但不同物體的輻射出射度是不同的，即每個(gè)物體單位時(shí)間、單位面積輻射的能量是不同的。因此

6、要維持平衡熱輻射，只有輻射能量較多的物體吸收能量也多，反之亦然。第15頁/共36頁基爾霍夫定律（Kirchhoffs Law） 在同樣的溫度下，各種不同的物體對相同波長的單色輻出度與單色吸收率之比值都相等，且等于在該溫度下黑體對同一波長的單色輻出度。)(0Ta)(0TM為黑體的單色輻出度為黑體的單色吸收率其中：絕熱恒溫體B1B2B3真空T=C)(0)(0)(0)(2)(2)(1)(1TTTTTTTMaMaMaM第16頁/共36頁物理意義：好的吸收體也是好的輻射體。 研究熱輻射的中心問題是研究黑體的輻射問題.四、黑體輻射的實(shí)驗(yàn)研究1、實(shí)驗(yàn)裝置AL1BPL2C黑體準(zhǔn)直系統(tǒng)三棱鏡測量系統(tǒng)第17頁/共

7、36頁2、黑體輻射的規(guī)律1.02.03.0 4.05.0203010405060(nm).(11)(0mcmwMT2200K2000K1800K1600KA) 斯忒蕃-玻爾茲曼 定律：黑體輻射出 射度與絕對溫度有 如下關(guān)系：4)(0TMTmKw/1067. 58斯忒蕃-玻爾茲曼常數(shù)物理意義：對于黑體，溫度越高，輻出度 M0（T）越大且隨T增高而迅速增大。第18頁/共36頁2、黑體輻射的規(guī)律B) 維恩位移定律：黑體 溫度增高時(shí)，其單色 輻出度的峰值波長向 短波方向傳播，且有 如下關(guān)系：bTmKmb.10898. 23m峰值波長T：絕對溫度火爐1000度2000度800度爐火純青1.02.03.0

8、 4.05.0203010405060(nm).(11)(0mcmwMT2200K2000K1800K1600K第19頁/共36頁注意：1）以上兩規(guī)律只適用于黑體，對非黑體只 近似成立。 2）熱輻射規(guī)律在現(xiàn)代技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用： 高溫測量、遙感、遙測、紅外跟蹤等。第20頁/共36頁例：太陽可以看成黑體，地球上測出其峰值波長為 m=5100，則其表面溫度和輻出度為多少？由bTm)(570010510010898. 2103KbTm484)(0)5700(1067. 5TMT27/1000. 6mw解：第21頁/共36頁五、熱輻射的理論解釋、普朗克量子假說 當(dāng)時(shí)經(jīng)典力學(xué)占統(tǒng)治地位，人們自然用經(jīng)典力

9、學(xué)理論來解釋熱輻射并建立了兩個(gè)公式：1、維恩公式（Wiens formula） 1896年德國維恩（Wien）從熱力學(xué)普遍理論出發(fā)，將黑體諧振子能量按頻率分布類同于Maxwell速度分布，由經(jīng)典理論導(dǎo)出以下公式TcTecM251)(0C1、C2須用實(shí)驗(yàn)確定。此公式在長波方面與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不符。1.0 2.03.0 4.05.06.07.08.09.0)(0TM(nm).(11mcmw第22頁/共36頁2、瑞利-金斯公式（Rayleigh-jeans formula） 1900年瑞利-金斯利用經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)（將固體當(dāng)作諧振子且能量按自由度均分原則及電磁輻射理論）得到一個(gè)公式：C為光速K=1.

10、38065810-23J/K波爾茲曼常數(shù)4)(02CKTMT第23頁/共36頁1.0 2.03.0 4.05.06.07.08.09.0)(0TM(nm).(11mcmwC為光速K=1.38065810-23J/K波爾茲曼常數(shù) 此公式在短波區(qū)域明顯與實(shí)驗(yàn)不符，而理論上卻找不出錯(cuò)誤-“紫外線災(zāi)難” ,像烏 云遮住了物理學(xué)睛 朗的天空。 熱輻射實(shí) 驗(yàn)4)(02CKTMT第24頁/共36頁11252)(0TkhCTehCM3、普朗克公式（Plancks formula） 1900年德國物理學(xué)家普朗克根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)拼湊了一個(gè)公式:“普朗克公式” C為光速 k波爾茲曼常數(shù)11252kThehCh=6.63

11、10-34js稱為普朗克恒量該公式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合得很好！)(0TM(n m)1.02.03.04.0 5.06.07.0 8.09.0).(11mcmw第25頁/共36頁11252)(0TkhCTehCM討論：1）當(dāng)hkT（高頻段）1TkhCTkhCTehCM52)(02TCTecM251)(0維恩公式khCc 2212 hcc令：第26頁/共36頁11252)(0TkhCTehCM討論：2）當(dāng)hkT（低頻段）1TkhCTkhChCMT/252)(02)(211TkhcTkhceTkhC4)(02CkTMT瑞利-金斯公式第27頁/共36頁普朗克注意到在過去的理論中，把黑體中的原子和分子都看成可

12、以吸收或輻射電磁波的諧振子，且電磁波與諧振子交換能量時(shí)以任一大小的份額進(jìn)行，（從0到大）。普朗克當(dāng)時(shí)大膽地放棄了這一概念，提出了能量的吸收與輻射只能按不連續(xù)的一份一份能量進(jìn)行。第28頁/共36頁普朗克量子假設(shè)： 輻射黑體是由帶電諧振子組成，這些諧振子輻射電磁波并和周圍電磁場交換能量，但這些諧振子只能處于某些特殊的狀態(tài)。它們的能量只能是某些能量子的整數(shù)倍。nEnh3.2.1nsjh341063. 6為諧振子頻率量子數(shù)第29頁/共36頁具體講：輻射物體是由一些線性諧振子組成，對頻率為的諧振子，它具有的最小能量是h，其它能量值是h的整數(shù)倍，因此它吸收與輻射的能量也只能是h的整數(shù)倍。即能量只能是：hh

13、2h3注意：普朗克這一思想是完全背離經(jīng)典物理，并受到當(dāng)時(shí)許多人的懷疑和反對，包括當(dāng)時(shí)的物理學(xué)泰斗-洛侖茲。乃至當(dāng)時(shí)普朗克自已也想以某種方式來消除nhEn這一關(guān)系式。它寫道：第30頁/共36頁 “我試圖將h納入經(jīng)典理論的范圍，但一切這樣的嘗試都失敗了，這個(gè)量非常頑固。后來他又說： “在好幾年內(nèi)我花費(fèi)了很大的勞動(dòng)，徒勞地去嘗試如何將作用量子引入到經(jīng)典理論中去。我的一些同事把這看成是悲劇。但我有自已的看法，因?yàn)槲覐倪@種深入剖析中獲得了極大的好處，起初我只是傾向于認(rèn)為，而現(xiàn)在是確切地知道作用量子 將在物理中發(fā)揮出巨大作用”。事實(shí)上正是這一理論導(dǎo)致了量子力學(xué)的誕生，普朗克也成為了量子力學(xué)的開山鼻祖，19

14、18年因此而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第31頁/共36頁普朗克（1858-1947） 德國理論物理學(xué)家，量子論的奠基人. 1900年他在德國物理學(xué)會(huì)上，宣讀了以關(guān)于正常光譜中能量分布定律的理論為題的 論文. 勞厄稱這一 天是“量子論的 誕生日”.量子論 和相對論構(gòu)成了近代物理學(xué)的研究 基礎(chǔ).第32頁/共36頁例：一頻率為=0.5HZ，振幅為A=10cm，勁度系 數(shù)為K=3.0N/m的諧振子：其能量)(105.11.032121222JKAE若能量變化，一次減少一個(gè)能量子，一個(gè)能量子能量：)(103.35.01063.63434JhXF不連續(xù)變化的比率：32234102.2105.1103.3EE第33頁/共36頁若每相差一能量子畫一直