物理近代-1黑體輻射

1、量子物理學(xué)主要研究原子、分子、凝聚態(tài)物質(zhì)以及原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等基 礎(chǔ)理論，是人們認(rèn)識和理解微觀世界的基礎(chǔ)。在化學(xué)、生物、信息、激光、能源和新材料 等方面的科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)中，發(fā)揮越來越重要的作用。量子物理學(xué)包含兩個方面：一個是原子層次的物質(zhì)理論量子力學(xué)一個是量子場論，它調(diào)和了相對論與量子力學(xué)之間的1量子物理學(xué)發(fā)展史，提出了輻射能量子假說，成功地解釋了黑體輻射現(xiàn)象。1905年，引進(jìn)光量子概念，成功地解釋了光電相應(yīng)；之后又提出固體的振動能量也是量子化的，從而解釋了固體比熱容問題。1913年，在有核原子模型基礎(chǔ)上建立了原子的量子理論。以上被稱為舊量子論21923年，德提出了微觀粒子具有

2、波粒二象性的假說，隨后被實驗證實；量子力學(xué)建立的前奏1925年1月，泡利提出了不相容原理，為元素周期表奠定了基礎(chǔ)；1925年，1926年，、約當(dāng)建立了矩陣力學(xué)；建立了波動力學(xué)，隨后證明了矩陣力學(xué)與波動力學(xué)二者具有等價性；1926年，電子被證明遵循分布；1927年，提出了二次量子化理論，為量子場論的建立找到了一個出發(fā)點(diǎn)；1928年，提出了相對論性的波動方程電子，解釋了電子的自旋并了反物質(zhì)的存在319實驗基礎(chǔ)和基本原理19-119-219-319-419-519-619-7黑體輻射與光電效應(yīng)與能量子假說的光量子理論光子理論的證實氫原子光譜實物粒子的波粒二象性效應(yīng)不確定關(guān)系量子物理基本原理419-1

3、黑體輻射與能量子假說一、熱輻射1、熱輻射 :由于物體中的分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象。物體由大量原子組成，熱運(yùn)動引起原子碰撞使原子激發(fā)而輻射電磁波。原子的動能越大，通過碰撞引起原子激發(fā)的能量就越高，從而輻射電磁波的波長就越短。熱運(yùn)動是的，原子的動能與溫度有關(guān)，因而輻射電磁波的能量也與溫度有關(guān)。例如：加熱鐵塊， 溫度，鐵塊顏色由看不出發(fā)光 暗紅 橙色 黃白色5這種與溫度有關(guān)的電磁輻射，稱為熱輻射。并不是所有發(fā)光現(xiàn)象都是熱輻射，例如：激光 、 日光燈發(fā)光就不是熱輻射。任何物體在任何溫度下都有熱輻射，波長自遠(yuǎn)紅外區(qū)連續(xù)延伸到紫外區(qū)（連續(xù)譜）。溫度 輻射中短波長的電磁波的比例幾種溫度下輻射最

4、強(qiáng)的電磁波顏色1000K800K1200K1400K6低溫物體（例如）也有熱輻射，但輻射較弱，并且主要成分是波長較長的紅外線。頭部的紅外（熱的地方顯白色，冷的顯黑色）7中國第一張紅外（縝于1935年在夜景）大學(xué)氣象臺頂上拍攝的81100K，自身輻射光室溫，反射光一個黑白花盤子的兩張9不是，是反射鳥的羽毛的顏色是不是熱輻射？物體輻射電磁波的同時，也吸收電磁波。物體輻射本領(lǐng)越大，其吸收本領(lǐng)也越大。室溫高溫白底黑花瓷片輻射和吸收達(dá)到平衡時，物體的溫度不再變化，此時物體的熱輻射稱為平衡熱輻射。11輻射吸收單色吸收比：在波長 +d 內(nèi)溫度為 T 的物體表面吸收的輻射能 與全部入射能量 的比值，表示為a(

5、 4定律（1859年12月）熱平衡時，各種材料的單色輻出度與單色吸收比可以有很大差別，但在同一溫度下，它們的比值卻與材料無關(guān)，是一個確定的值，等于該溫度下黑體對同一波長的單色輻出度，即M(1T)M(2T)ML (0T)M(0T)a(1T) a(2T)a(0T)1a 1的物體稱為絕對黑體，簡稱 黑體，它能全部吸收射到其表面的一切熱輻射，但不反射和透射，它的單色輻射出射度也大。注意：黑體不一定是黑色的，黑色的也不一定是黑體。12二黑體輻射1、黑體：能完全吸收各種波長電磁波而無反射的物體。注意：是沒有反射，不是沒有輻射。黑體是理想化模型，即使是煤黑，對吸收 也小于 99%。光的設(shè)計的黑體：不透明介質(zhì)

6、空腔開一小孔，電磁波射入小孔后，很難再從小孔中射出。小孔表面是黑體。13黑體輻射的特點(diǎn) ： 黑體熱輻射只與溫度有關(guān)，與材料的性質(zhì)無關(guān)與同溫度其它物體相比，黑體發(fā)射或吸收電磁輻射的本領(lǐng)最強(qiáng)棱鏡空腔熱電偶測得不同頻率的輻射功率。電爐G頻率不同折射率不同折射角不同。測量黑體輻射譜的實驗裝置對黑體加熱，放出熱輻射； 把輻射按頻段分開；用熱電偶測各頻段輻射強(qiáng)度。14黑體輻射和熱輻射實驗曲線：10 -9 W/(m2 Hz) (10 -8 W/(m2 Hz)M /M 10 -8 W/(m2 Hz) 鎢絲M /(黑體)5800K面積為M(T)鎢絲2750K/1014Hz可見光區(qū)/1014Hz不同溫度下的黑體輻

7、射曲線鎢絲和的熱輻射曲線 153、黑體輻射定律：M (10 -8 W/(m2 Hz)（1）位移定律1893年由理論推導(dǎo)而得輻射最強(qiáng)頻率或波長C = 5.8801010 Hz/K或mK/1014Hz 103b 898設(shè) m.為黑體，測m=510nm，得 T表面 = 5700K16 b mTm = C T3、黑體輻射定律：(1).藩玻耳定律 W / m2 m)T4MM BdM(10-7BB0式中1067810W K5.m6000K輻出度與 T4成正比.(2).位移定律可見光峰值波長 m 與溫度 T 成反比5b8975000Km1032.m4000K3000K00.51.01.52.0 ( m)17

8、斯忒番-定律和位移定律是黑體輻射 的基本定律，現(xiàn)代廣泛應(yīng)用于高溫測量、遙感、紅外追蹤等。例題先后兩次測得煉鋼爐測溫孔（近似為黑體）輻射出射度的峰值波長1m=0.8m、2m =0.4m ，求：（1）相應(yīng)的溫度比；（2）相應(yīng)的輻射本領(lǐng)之比。解（1） 根據(jù)T 1 m 1位移定律bbTm 2 2（2）根據(jù)斯忒番-定律 T4MM011T402218M 01 ( T1 )4 1M 02T216 T1 2 m 1T2 1 m2三. 經(jīng)典物理的解釋（）1.公式1896年，從經(jīng)典熱力學(xué)和分布出發(fā)，找到了一個關(guān)于黑體輻射的公式2exp( T) M(T在高頻范圍內(nèi)與實驗符合，但在低頻（長波）范圍內(nèi)與實驗結(jié)果有明顯的

9、偏差。德國物理學(xué)家（1864-1928）1911年物理學(xué)獎獲得者192.瑞利(Rayleigh) (Jeans)公式年6月，瑞利按經(jīng)典的能量均分定理，把0091空腔中簡諧振子平均能量取與溫度成正比的連續(xù)值，得到一個黑體輻射公式2 2T)M(kTc2 1023. k 38J11K低頻段（長波）與實驗符合很好，高頻段明顯偏離實驗曲線。 , M “紫外”！L. Rayleigh(1842-1919)20,M(0T)實驗值紫外災(zāi) , M 難瑞利-線線01( m21243567890月，利用數(shù)學(xué)上的內(nèi)插法，0年1091利把適用于高頻的公式和適用于低頻的瑞公式銜接起來，得到一個半經(jīng)驗公式,黑體輻射公式：3

10、1401015常6量.：h626J eVs1364.s在全波段與實驗曲線驚人地符合！222 h3M (T) c 2h ekT1,M(0T)實驗值公式(1900年) 2hc2T 1 )M(BkT 1 5 hecc 光速k恒量h 常量o9 (23m)71234568由公式可導(dǎo)出其他所有熱輻射公式：積分 M4Tb求導(dǎo) T 低頻 M (T)m2 2kTc23eT/高頻M(T)1921 年，W.Duane， H.H.Palmer測得：10s009 34)55h6值.：h 0 .626075150(6.34J1986年1998年34：h 6260687160Js值.s1034.h一般?。?63J242 h

11、3M (T) c 2 h e /kT 1中國學(xué)部委員首任物理系（1926）、首任理學(xué)院院長（1929）用X 射線方法測定普常量，在國際上沿用了16年。25（18981977）不滿足“僥幸猜到”的半經(jīng)驗公式，要“不惜任何代價”地去揭示真正的物理意義。認(rèn)為：空腔內(nèi)壁的分子、原子的振動可以看成是許多帶電的簡諧振子，這些簡諧振子可以輻射和吸收能量，并與空腔內(nèi)的輻射達(dá)到平衡。從空腔小孔輻射出的電磁波，就是由這些空腔內(nèi)壁的簡諧振子輻射出的。大膽地假設(shè)：頻率為的簡諧振子的能量值，只能取 h 的整數(shù)倍。即，簡諧振zation），只能取子的能量是量子化的（下面的一系列特定的分立值,2 ,3 L ,26四、量子假

12、說1.輻射體是由許多帶電線性諧振子組成的。2.每個線性諧振子只可能處于某些特定的狀態(tài)，這些態(tài)中相應(yīng)的能量只能取一些離散的值，為某一最小能量 的整數(shù)倍,這個最小能量稱為能量子。頻率為 的諧 h振子的最小能量為341J0 s6 h.63 常數(shù)3.帶電諧振子輻射或吸收的能量只能是最小能量 h的整數(shù)倍。27在這一假設(shè)基礎(chǔ)上，再運(yùn)用經(jīng)典的統(tǒng)計物理方法就可推出黑體輻射公式。 2hc2T 1 )M(BkT 1 5 hec能量 h 稱為能量子(quantum of energy)，空腔內(nèi)的輻射就是由各種頻率的能量子組成。上述假設(shè)稱為能量子假設(shè)。能量子概念的提出標(biāo)志了量子力學(xué)的誕生，普為此獲得1918年物理學(xué)獎。281918物理學(xué)獎M.V.研究輻射的量子理論，發(fā)現(xiàn)基本量 子，提出能量量子化的假設(shè)29能量子的假設(shè)對于經(jīng)典物理來說是離經(jīng)叛道的，就連回到經(jīng)典的本人當(dāng)時都覺得難以置信。為，在一段時間內(nèi)他總想用能量的連