第十九章____黑體輻射

1、第十九章 量子物理以太說 黑體輻射譜 經(jīng)典物理無法解釋這些新的物理現(xiàn)象利用經(jīng)典理論解釋黑體輻射現(xiàn)象的失?。?896-1900）為尋找絕對參考系而設(shè)計(jì)的邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)， 觀察的結(jié)果 否定絕對參考系的存在（1887）近代物理學(xué)的建立（20世紀(jì)） 邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn) 黑體輻射實(shí)驗(yàn) 相對論 量子論 量子力學(xué)開爾文：然而，在物理學(xué)晴朗的天空上還漂浮著 兩朵 令人不安的烏云。本章的主要教學(xué)內(nèi)容：量子理論的基本概念量子力學(xué)解決問題的基本思路和方法 對象的特點(diǎn)：對象的特點(diǎn)： 1) 微觀客體：線度小微觀客體：線度小 活動范圍小活動范圍小910米米2) 除了具有粒子性除了具有粒子性 還具有明顯的還具有明顯的波動

2、性波動性3) 粒子的能量粒子的能量 角動量等物理量角動量等物理量取值分立取值分立-量子化的量子化的 完全脫離了經(jīng)典物理的模式完全脫離了經(jīng)典物理的模式新理論是在原有的理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新理論是在原有的理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的所以所以 在在極限情況下極限情況下可以可以回到回到原有的理論原有的理論一、熱輻射及其描述因輻射與溫度有關(guān)，故稱熱輻射 物體內(nèi)部分子、原子由于熱運(yùn)動而向外輻射電磁波。物體內(nèi)部分子、原子由于熱運(yùn)動而向外輻射電磁波。逐漸升溫逐漸升溫物體溫度升高時(shí)顏色的變化直覺: 低溫物體發(fā)出的是紅外光 熾熱物體發(fā)出的是可見光 高溫物體發(fā)出的是紫外光紅外照相機(jī)拍攝的人的頭部的紅外照相機(jī)拍攝的人的頭部的

3、熱圖熱圖 熱的地方顯白色，冷的地方顯黑色熱的地方顯白色，冷的地方顯黑色英國英國“風(fēng)箏風(fēng)箏”單兵武器微光瞄準(zhǔn)單兵武器微光瞄準(zhǔn)鏡鏡在在SA80 5.56毫米槍上使用。毫米槍上使用。重不超過重不超過1千克，弱月光下觀察距千克，弱月光下觀察距離離600米，在星光下米，在星光下400米。米。美國美國AN/PVS-5A微光夜視眼鏡微光夜視眼鏡 它可在它可在200米內(nèi)發(fā)現(xiàn)人，在米內(nèi)發(fā)現(xiàn)人，在136米內(nèi)識別人，在米內(nèi)識別人，在565米內(nèi)發(fā)現(xiàn)坦克，在米內(nèi)發(fā)現(xiàn)坦克，在395米內(nèi)識別坦克。米內(nèi)識別坦克。 任何物體任何溫度均存在熱輻射 熱輻射譜是連續(xù)譜 各種波長(頻率)都有，但是強(qiáng)度不同。 熱輻射強(qiáng)度按波長(頻率)的

4、分布與溫度有關(guān)溫度 短波長的電磁波的比例 。鋼水鋼水1 .熱輻射的特點(diǎn) 或按頻率定義: 溫度為T的物體單位時(shí)間內(nèi)從單位表面發(fā)出的頻率在 附近單位頻率間隔內(nèi)的輻射能1）單色輻出度（單色發(fā)射本領(lǐng)）指溫度為T的物體單位時(shí)間內(nèi)從單位表面發(fā)出的波長在 附近單位波長間隔內(nèi)的輻射能ddMTM)().(3mWMd)(d（單位時(shí)間內(nèi)）（單位時(shí)間內(nèi)） T單位面積單位面積Md)(d（單位時(shí)間內(nèi)）（單位時(shí)間內(nèi)） T單位面積單位面積ddMTM)(或或2）輻出度( 輻射出射度 總發(fā)射本領(lǐng)）溫度為T 的物體單位時(shí)間內(nèi)從單位面積上所輻射的各種波長的總的輻射能，用M（T）表示。).(2mW0)()( dTMTM0)()( dT

5、MTMM ( M )取決于取決于T， ( )，物質(zhì)種類和表面情況物質(zhì)種類和表面情況3）單色吸收比（率）和單色反射比（率）ddMTM)(ddMTM)(若外來輻射能部分被物體吸收部分被物體反射（不計(jì)透射）)()(dd)(入射吸收MMT )()(dd)(入射反射MMT 對于不透明物體：對于不透明物體：1)()(TT 二、平衡熱輻射 討論 平衡熱輻射的規(guī)律 1. 黑體 在任何溫度下、對任何波長的熱輻射吸收比均為1 的物體， 稱為絕對黑體(黑體)。三、黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律物體物體吸收和反射吸收和反射波長在波長在 區(qū)間的區(qū)間的輻射輻射能能，與該區(qū)間總的入射能之比，與該區(qū)間總的入射能之比，分別稱為分別稱為單色

6、單色吸收比和吸收比和單色反射單色反射比比。d黑體輻射黑體輻射加熱空腔加熱空腔 黑體-理想模型 實(shí)際中的物體總是小于1。 黑體模型-一個(gè)不透明的空腔開有小孔可近似看成 理想的 黑體。 黑體只是=1，并不一定是黑色的（如太陽），只有當(dāng)其自身的熱輻射很弱時(shí)，看上去是黑洞洞的。2. 基爾霍夫定律（Kirchhoffs Law）(1859年)2. 基爾霍夫定律（Kirchhoffs Law）(1859年)123黑黑體體T這表明： 1）好的輻射體也是好的吸收體3）若M 已知，則平衡熱輻射時(shí)有：平衡熱輻射時(shí)有：)()()()()()()(2211TMTTMTTMTTM 各種物體單色輻出度與單色吸收比的比值彼

7、此相等,且等于在同一溫度下黑體對同一波長的單色輻出度。)(TM 為黑體的單色輻出度為黑體的單色吸收比（等于1)(T 2）黑體是完全的吸收體因此也是理想的輻射體。)()()(TMTTMii 確定黑體的單色輻出度成為研究熱輻射的中心問題。確定黑體的單色輻出度成為研究熱輻射的中心問題。一個(gè)黑白花盤子的兩張照片一個(gè)黑白花盤子的兩張照片室溫下，反射發(fā)光室溫下，反射發(fā)光1100K，自身輻射發(fā)光，自身輻射發(fā)光夏天有人喜歡穿黑衣，令人費(fèi)解嗎？人造衛(wèi)星表面的防輻射層（高反射率材料），為什么？你能用 基爾霍夫定律解釋下面的現(xiàn)象嗎？3.黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律黑體輻射測量的實(shí)驗(yàn)裝置黑體輻射測量的實(shí)驗(yàn)裝置對黑體加熱，會放出熱

8、輻射。對黑體加熱，會放出熱輻射。通過光柵可得到黑體輻射的頻譜。通過光柵可得到黑體輻射的頻譜。通過熱電偶可得到黑體輻射的單色輻出度。通過熱電偶可得到黑體輻射的單色輻出度。黑體黑體 熱電偶熱電偶 測測M (T)光柵光譜儀光柵光譜儀T 光柵光柵（總發(fā)射本領(lǐng)）與絕對溫度有如下關(guān)系：物理意義：對于黑體，溫度越高輻出度M（T）越大且隨T增高而迅速增大。 = 5.67 10-8 W/m2K44)(TTM 1) 實(shí)驗(yàn)規(guī)律之一 -曲線與橫軸圍的面積就曲線與橫軸圍的面積就M (T) d)()()(00TMdTMTM不同溫度下的黑體輻射曲線不同溫度下的黑體輻射曲線 M M2) 實(shí)驗(yàn)規(guī)律二 - 維恩位移定律b 稱為維

9、恩常量b = 2.89775610-3 mKbTm當(dāng)黑體的溫度 T，M(T)曲線上，峰值波長m向短波方向移動。 mC = 5.8801010 Hz/KTCm注意注意mmc /或例：太陽可以看成黑體，地球上測出其峰值波長為 m=510nm，則其表面溫度和輻出度為多少？由維恩位移定律bTm)(.KbTm57001051010898293484)5700(1067.5)(TTM 2710006mw /.解：由斯特藩 - 玻耳茲曼定律應(yīng)用：估算表面溫度應(yīng)用：估算表面溫度四、經(jīng)典物理學(xué)遇到的困難如何從理論上找到符合黑體輻射實(shí)驗(yàn)的函數(shù)式? TeTM/3)( 為常數(shù) 1896年維恩從經(jīng)典熱力學(xué)及統(tǒng)計(jì) 理論及

10、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析得出1.維恩公式短波方向與實(shí)驗(yàn)符合較好kTcTM222)( 2. 瑞利-金斯公式 1900年從經(jīng)典電動力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué) 理論 推導(dǎo)而得123KJ10380658. 1k長波方向與實(shí)驗(yàn)符合較好短波方向得出災(zāi)難性的結(jié)論“紫外災(zāi)難紫外災(zāi)難”經(jīng)典物理有難經(jīng)典物理有難c為真空中的光速黑體熱輻射的黑體熱輻射的理論與實(shí)驗(yàn)理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較結(jié)果的比較 M 瑞利瑞利金斯公式金斯公式維恩公式維恩公式由經(jīng)典理論導(dǎo)出的由經(jīng)典理論導(dǎo)出的 M (T) 公式都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符合！公式都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符合！(短波符合較好)(長波符合較好)物理學(xué)晴朗天空中的一朵烏云物理學(xué)晴朗天空中的一朵烏云! ! 1900.10.

11、7實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家魯本斯魯本斯（Rubens）給給普朗克普朗克(M.Planck)帶來了熱輻射理論與實(shí)驗(yàn)比較的信息。帶來了熱輻射理論與實(shí)驗(yàn)比較的信息。當(dāng)晚當(dāng)晚普朗克普朗克就用就用內(nèi)差法內(nèi)差法搞出了一個(gè)公式搞出了一個(gè)公式-黑體輻射公式五、普朗克黑體輻射公式和能量子假說1. 普朗克黑體輻射公式1900.10.19 普朗克在德國物理學(xué)會會議上提出這個(gè)黑體輻射公式普朗克公式普朗克公式12)(/32 kThechTM 魯本斯（Rubens）把這 “幸運(yùn)地猜出來的內(nèi)插公式”同最新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較 發(fā)現(xiàn)：在全波段與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驚人的符合(短波趨向維恩 長波趨向瑞利)sJ1055. 634 h 普普朗朗克克

12、常常量量（1900）普朗克公式普朗克公式與實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較結(jié)果的比較 M 瑞利瑞利金斯公式金斯公式維恩公式維恩公式普朗克公式普朗克公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較普朗克公式普朗克公式2. 普朗克的能量子假說基本物理思想：輻射黑體中的分子 原子可看作線性諧振子振動時(shí)向外輻射能量（也可吸收能量）物體發(fā)射或吸收電磁輻射時(shí) 交換能量的最小單位是nhE = h 能量子能量子諧振子的能量是不連續(xù)的 即物體 發(fā)射或吸收電磁輻射只能以“量子”的形式進(jìn)行, E 只能是 的整數(shù)倍:n = 1, 2 , 3. 由能量量子化概念得到了普朗克的黑體射公式普朗克能量子假說:1921 葉企孫，葉企孫，W.Duane， H.H.Palmer 測得普朗克常量：測得普朗克常量：sJ10)009. 0556. 6(34 h1986推薦值：推薦值： sJ106260755. 634 hsJ1063. 634 h 1998推薦值：推薦值： sJ1062606876. 634 h一般?。阂话闳。浩绽士斯狡绽士斯?TM 積分積分12)(/32 kThechTM kTcTM222)( 長長波波段段TeTM/3)(短波段 TCm 求導(dǎo)求導(dǎo)由普朗克公式可導(dǎo)出其他所有熱輻射公式：由普朗克公式可導(dǎo)出其他所有熱輻射