黑體輻射、普朗克量子假說課件

1、11 、輻射： 化學發(fā)光、光致發(fā)光、場致發(fā)光、陰極發(fā)光、熱輻射等。3 、熱輻射的一般特點：(1）物質(zhì)在任何溫度下都有熱輻射。 (2）溫度越高，發(fā)射的能量越大，發(fā)射的電磁波的波長越短。一、熱輻射4 、平衡熱輻射以下只討論平衡熱輻射。 在任一時刻,如果物體輻射的能量等于所吸收的能量，輻射過程達到熱平衡，稱為平衡熱輻射。此時物體具有固定的溫度。 2、熱輻射： 組成物質(zhì)的諸微觀粒子在熱運動時都要使物體輻射電磁波，產(chǎn)生輻射場。這種與溫度有關的輻射現(xiàn)象，稱為熱輻射。 指物質(zhì)以發(fā)射電磁波的形式向外界輸出能量。如第1頁，共14頁。2二、單色輻射本領 為了定量地描述不同物體在不同的溫度下物體進行熱輻射的能力，而

2、引入單色輻射本領。1,單色輻射本領 M(T) 單位時間內(nèi)從物體單位表面發(fā)出的波長在附近單位波長間隔內(nèi)的電磁波的能量 M （ T ）稱單色輻射本領。(或單色輻出度) 單色輻射本領反映了在不同溫度下輻射能按波長分布的情況。 實驗表明：不同的物體，不同的表面（如光滑程度）其單色輻射本領是大不相同的。（例如：如果我們目的是散熱，則應：加大表面積，使表面粗糙，使其顏色加深） 單色輻射本領 M （ T ）是溫度 T 和波長的函數(shù)。第2頁，共14頁。32 、吸收比 反射比 基爾霍夫定律（ 1 ）吸收比反射比吸收比：物體吸收的能量和入射總能量的比值，（，T）反射比：物體反射的能量和入射總能量的比值，（，T)（

3、 2 ）基爾霍夫定律 基爾霍夫在 1860 年從理論上推得物體單色輻射本領與單色吸收比之間的關系: 所有物體的單色輻射本領 M(T) 與該物體的單色吸收比的比值為一恒量。 這個恒量與物體的性質(zhì)無關，而只與物體的溫度和輻射能的波長有關。第3頁，共14頁。4說明單色吸收比大的物體，其單色輻出度也大。 （例如黑色物體，吸熱能力強，其輻出本領也大）若物體不能發(fā)射某一波長的輻射能，那么該物體也就不能吸收這一波長的輻射能。關于物體顏色的說明：均指可見光范圍。例如，紅色表示除紅光外，其余都吸收（余類推）白色表示對所有波長的光都不吸收。黑色表示對所有波長的光都吸收。第4頁，共14頁。5三、絕對黑體1 、絕對黑

4、體模型 由于物體輻射的光和吸收的光相同，因此黑體能輻射各種波長的光，它的M (T）最大且只和溫度有關。 用不透明材料制成的開一個小孔的空腔，小孔面積遠小于空腔內(nèi)表面積，射入的電磁波能量幾乎全部被吸收。小孔能完全吸收各種波長的入射電磁波而成為黑體模型。 有一類物體不論它們組成成分如何，它們在常溫下，幾乎對所有波長的輻射能都能吸收。黑體: 能完全吸收照射到它上面的各種波長的光的物體。 例如優(yōu)質(zhì)煙煤和黑色琺瑯對太陽光的吸收能力可達 99 。第5頁，共14頁。6（ 1 ）任何物體的單色輻射本領和單色吸收比等于一個恒量，而這個恒量就是同溫度下絕對黑體的單色輻射本領。（ 2 ）若知道了絕對黑體的單色輻射本

5、領，就可了解所有物體的輻射規(guī)律，因此，研究絕對黑體的輻射規(guī)律就對研究熱輻射極為重要。式中 MB(T）叫做絕對黑體的單色輻射本領。由基爾霍夫定律2 、絕對黑體就是吸收系數(shù)( ,T)1的物體。 可知，這類物體在溫度相同時，發(fā)射的輻射能按波長分布的規(guī)律就完全相同。第6頁，共14頁。73 、絕對黑體單色輻射本領按波長分布曲線 MB(T) 只和溫度有關1100K1300K1500K1700K()MB（T）20003000 保持一定溫度，用實驗方法可測出單色輻射本領隨波長的變化曲線。取不同的溫度得到不同的實驗曲線，如圖：第7頁，共14頁。8 對待這個實驗曲線，許多物理學家從不同的側(cè)面進行了研究，并得出許多

6、重要結(jié)論，下面是有代表意義的兩條： 斯忒藩玻爾茲曼定律 該定律主要是計算分布曲線下的面積 維恩位移定律 由圖可看出，對應于每一條單色輻射本領按波長分布的曲線都有一個極大值，與這極大值對應的波長，叫做峰值波長m.稱為斯忒藩常數(shù)稱維恩常數(shù)第8頁，共14頁。9四、經(jīng)典物理學所遇到的困難1 、維恩公式 上述結(jié)果并沒有給出單色輻射本領的具體函數(shù)式，十九世紀末，有許多物理學家用經(jīng)典理論導出的MB（T）公式與實驗結(jié)果不符合，其中最典型的是維恩公式和瑞利金斯公式。 維恩假設：黑體的輻射可看成是由許多具有帶電的簡諧振子（分子，原子的振動）所發(fā)射，輻射能按頻率（波長）分布的規(guī)律類似于麥克斯韋分子速度分布律，于 1

7、896 年得出絕對黑體的單色輻出度與波長、溫度關系的一個半經(jīng)驗公式。 按照這個函數(shù)繪制出的曲線,其在高頻 (短波) 部份與實驗曲線能很好地相符,但在低頻 (長波) 部份與實驗曲線相差較遠。第9頁，共14頁。102 、瑞利金斯公式 他們把分子物理中的能量按自由度均分原理運用到電磁輻射上，并認為在黑體空腔中輻射的電磁波是諧振子所發(fā)射的駐波，這樣得到的公式為E瑞-金線維恩線實驗結(jié)果第10頁，共14頁。11在低頻段，瑞-金線與實驗曲線符合得很好；在高頻段，瑞-金線與實驗曲線有明顯的偏離 其短波極限為無限大(0，E)“紫外災難”。E瑞-金線維恩線實驗結(jié)果第11頁，共14頁。12五、普朗克的能量子假說和黑

8、體輻射公式 普朗克既注意到維恩公式在長波(即低頻）方面的不足，又注意到了瑞利金斯在短波（即高頻）方面的不足，為了找到一個符合黑體輻射的表達式，普朗克作了如下兩條假設。1 、普朗克假定（ 1900 年）(1) 黑體是由帶電諧振子組成，這些諧振子輻射電磁波，并和周圍的電磁場交換能量。(2)這些諧振子的能量不能連續(xù)變化，只能取一些分立值，這些分立值是最小能量的整數(shù)倍，即,2， 3， n， n 為正整數(shù)， 稱為能量子， h 稱為普朗克常數(shù) h=6.6260755 10-34 J s 。而且假設頻率為的諧振子的最小能量為=h第12頁，共14頁。132 、普朗克公式能量不連續(xù)的概念是經(jīng)典物理學完全不容許的。當，趨于維恩公式；當0，趨于瑞利金斯公式。 但從這個假定出發(fā)，導出了與實驗曲線極為符合的普朗克公式：第13頁，共14頁。143 、普朗克假設的意義 當時普朗克提出能量子的假設并沒有很深刻的道理，僅僅是為了從理論上推導出一個和實驗相符的公式。 這件事本身對物理學的意義是極其深遠的。能量子假設是對經(jīng)典物理的巨