高二物理競(jìng)賽第18章熱輻基爾霍夫定律課件

18.1

熱輻射基爾霍夫定律一.平衡熱輻射熱輻射:任何物體在任何溫度下,由于分子的熱運(yùn)動(dòng)使物體向外輻射各種波長(zhǎng)的電磁波.平衡熱輻射:物體輻射的能量等于同一時(shí)間所吸收的能量當(dāng)溫度上升時(shí)輻射總能增加,同時(shí)輻射最大的波長(zhǎng)減小.物體輻射的同時(shí),也吸收輻射.頭部熱輻射像頭部各部分溫度不同，因此它們的熱輻射存在差異，這種差異可通過熱象儀轉(zhuǎn)換成可見光圖象。單位時(shí)間內(nèi)從物體單位表面積的波長(zhǎng)在附近單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的電磁波的能量.輻出度

:單位:W·m－2二.輻出度和吸收比單色輻出度:單位時(shí)間從物體表面單位面積輻射的總能量.單色吸收比

:物體在溫度T時(shí),對(duì)于波長(zhǎng)在附近單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)吸收的能量與入射的總能量的比值.若用表示對(duì)應(yīng)的單色反射比,對(duì)于不透明的物體有三.絕對(duì)黑體(blackbody)能完全吸收各種波長(zhǎng)的電磁波而無(wú)反射的物體任何溫度、對(duì)任何波長(zhǎng)的輻射的吸收率均為1黑體是理想化的模型,實(shí)際物體的吸收率總小于1.煤煙約99%空腔小孔可近似看作為黑體.如遠(yuǎn)處不點(diǎn)燈的建筑物;若室內(nèi)點(diǎn)燈,視為自身輻射不很弱絕熱恒溫體四.基爾霍夫定律（Kirchhoff’sLaw）T=C一個(gè)實(shí)驗(yàn)M1M2B真空

N個(gè)不同物體和一黑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。

材質(zhì)的輻出度不同，即每個(gè)物體單位時(shí)間、單位面積輻射的能量不同。

要維持溫度不變，物體吸收的輻射能須等于輻射出的能量.

故要維持平衡熱輻射，只有輻射能量較多的物體吸收能量也多，反之亦然?；鶢柣舴蚨?同樣的溫度下，不同物體對(duì)相同波長(zhǎng)的單色輻出度與單色吸收率之比值都相等，等于該溫度下黑體對(duì)同一波長(zhǎng)的單色輻出度。為黑體的單色輻出度為黑體的單色吸收率其中：物理意義:熱平衡時(shí),強(qiáng)吸收體必然是強(qiáng)輻射體.推論I:(某)物體若不能發(fā)射某波長(zhǎng)的輻射,那么它也不能吸收這一波長(zhǎng)的輻射,反之亦然.推論II:相同溫度,黑體吸收本領(lǐng)最大,其發(fā)射本領(lǐng)也最大研究熱輻射的中心問題是研究黑體的輻射問題一、絕對(duì)黑體單色輻出度按波長(zhǎng)的分布AL1BPL2C黑體準(zhǔn)直系統(tǒng)三棱鏡測(cè)量系統(tǒng)18.2

絕對(duì)黑體的輻射規(guī)律1.02.03.04.05.02030104050602200K2000K1800K1600K(nm)二、絕對(duì)黑體的輻射定律1

斯特藩-玻耳茲曼定律(1879年斯特藩由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出,1884年玻耳茲曼由熱力學(xué)得出)黑體的輻出度與黑體的溫度的四次方成正比=5.6710-8W/m2K4——斯特藩-玻耳茲曼常數(shù)2維恩位移定律(1893)黑體溫度增高時(shí)，其單色輻出度的峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)，且有如下關(guān)系：mT=bb=2.897756×10-3m·K注意：1）以上兩規(guī)律只適用于黑體，對(duì)非黑體近似成立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(cè)量、遙感、遙測(cè)、紅外跟蹤等.例：太陽(yáng)可以看成黑體，地球上測(cè)出其峰值波長(zhǎng)為m=5100?，則其表面溫度和輻出度為多少？由解：18.3普朗克公式

一、經(jīng)典理論的困難：人們企圖用經(jīng)典理論解釋黑體輻射的實(shí)驗(yàn)曲線，卻得到兩個(gè)與曲線不符的式子：1）維恩公式（Wien’sformula）1896年德國(guó)維恩（Wien）從熱力學(xué)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：c1、c2用實(shí)驗(yàn)確定。此公式在長(zhǎng)波方面與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不符。1.02.03.04.05.06.07.08.09.0(nm)2）瑞利—金斯公式（Rayleigh-jean’sformula）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)（把腔內(nèi)的電磁場(chǎng)看作是具有一定數(shù)目本征振動(dòng)的駐波場(chǎng),然后據(jù)能均分定理)可得一公式：c3為常數(shù)

此公式在短波區(qū)域與實(shí)驗(yàn)不符，趨于無(wú)窮!理論上卻找不出錯(cuò)誤--“紫外災(zāi)難”

,像烏云遮住了物理學(xué)睛朗的天空。

熱輻射實(shí)驗(yàn)1.02.03.04.05.06.07.08.09.0(nm)

當(dāng)時(shí)的理論把腔壁中的原子分子看成可吸收或輻射電磁波的諧振子，可按任一大小的分額交換能量，普朗克放棄了這一概念，提出能量的吸收與輻射只能按不連續(xù)的一份一份的進(jìn)行.這些諧振子只能處于某些特殊狀態(tài)。它們的能量只能是某些能量子的整數(shù)倍。為諧振子頻率普朗克量子假設(shè)：量子數(shù)電磁波能量腔壁上的原子二、普朗克假設(shè)普朗克公式（Planck’sformula）

“我試圖將h

納入經(jīng)典理論范圍，但一切嘗試都失敗了，這個(gè)量非常頑固.”后來(lái),他又說(shuō)：

“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能量子引入到經(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)在是確切地知道能量子ε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，1918年因此而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

普朗克這一思想完全背離經(jīng)典物理，并受到當(dāng)時(shí)許多人的懷疑和反對(duì)，包括當(dāng)時(shí)的泰斗洛侖茲。這給普朗克造成很大壓力。1900年德國(guó)人普朗克推導(dǎo)出新的黑體輻射公式c為光速k:玻爾茲曼常數(shù)該公式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合得很好！(nm)1.02.03.04.05.06.07.08.09.0例1：一頻率為=0.5HZ，振輻為A=10cm，勁度系數(shù)為K=3.0N/m的諧振子：其能量若能量變化，一次減少一個(gè)能量子，一個(gè)能量子能量：不連續(xù)變化的比率：若每相差一能量子畫一直線EX宏觀看是連續(xù)的

可見經(jīng)典物理可看成量子物理在量子數(shù)很大時(shí)的特殊情況（只有n很小時(shí)，能量的不連續(xù)才顯得很明顯）18.4

光電效應(yīng)愛因斯坦方程一光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1．光電效應(yīng)：在光照下,電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象逸出的電子叫光電子.2．光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置（I,v)AKUiA為陽(yáng)極,K為陰極.光照射在K上,電子從K逸出在電壓UAK作用下,形成光電流3.實(shí)驗(yàn)規(guī)律(1)

對(duì)某種金屬而言,僅當(dāng)入射光頻率v大于一定的頻率v0,才產(chǎn)生光電流.否則,不論光的強(qiáng)度有多大,都無(wú)光電子逸出.0叫截止頻率(也稱紅限),不同金屬的0不一樣金屬截止頻率4.5455.508.06511.53銫

鈉鋅銥鉑19.29(2)瞬時(shí)性:只要頻率大于截止頻率,光電效應(yīng)產(chǎn)生的時(shí)間不超過10-9s.(3)遏止電勢(shì)差Ua：使光電流為零時(shí)的反向電壓.(eUa=Ekmax)遏止電勢(shì)差與入射光頻率成線性關(guān)系,與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān).4.06.08.010.0(1014Hz)0.01.02.0Ua(V)NaCaCs0(4)飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度的關(guān)系在相同的條件下,飽和光電流強(qiáng)度iS與入射光強(qiáng)成正比.-UaiUO光強(qiáng)較弱iS1iS2光強(qiáng)較強(qiáng)從K射出的光電子全部飛向陽(yáng)極A，形成飽和電流實(shí)驗(yàn)規(guī)律小結(jié):

只有光的頻率

0

時(shí)，光電子才會(huì)逸出。遏止電勢(shì)差(光電子最大初動(dòng)能)和光頻率成線性關(guān)系。

飽和光電流強(qiáng)度(逸出光電子的多少)取決于光強(qiáng)

I

。

光電子瞬時(shí)發(fā)射，滯后時(shí)間不超過

10–9

秒。二.經(jīng)典物理(光的波動(dòng)說(shuō))與實(shí)驗(yàn)規(guī)律的矛盾

電子在電磁波作用下作受迫振動(dòng)，光強(qiáng)越大,E矢量的振幅越大,電子受迫力越大,光電子最大初動(dòng)能取決于光強(qiáng)，和光的頻率無(wú)關(guān).且不應(yīng)存在紅限0。當(dāng)光強(qiáng)很小時(shí)，電子要逸出，必須經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間的能量積累。1.普朗克假定是不協(xié)調(diào)的只涉及光的發(fā)射或吸收,未涉及輻射在空間的傳播.2.愛因斯坦光量子假設(shè)(1905)三.光子假設(shè)愛因斯坦方程即腔壁振子量子化,腔內(nèi)仍是電磁波.愛因斯坦認(rèn)為,光在空間傳播時(shí)也是量子化的.電磁輻射由以光速c運(yùn)動(dòng)的局限于空間某一小范圍的光量子（光子,每一個(gè)光子的能量為）組成此式為光電效應(yīng)方程入射光子能量光電子初動(dòng)能金屬逸出功幾種金屬的逸出功金屬鈉

鋁鋅銅銀鉑2.284.084.314.704.736.353.對(duì)光電效應(yīng)的解釋入射光強(qiáng)增大?光子數(shù)增多?光電子增多?飽和光電流大一能流密度為S的單色光，單位時(shí)間通過垂直于光傳播方向的單位面積的光子數(shù)為n,則S=nhν光電子初動(dòng)能正比于頻率.比較得:h=eK,W=eU01916年密立根對(duì)光電效應(yīng)進(jìn)行了精密測(cè)量.證明了斜率是h/e,由此求得的h與別的方法求得的值一致，說(shuō)明愛因斯坦光電效應(yīng)方程的正確．電子一次吸收一個(gè)光子,不需要時(shí)間累積—瞬時(shí)性.當(dāng)

＜W/h時(shí).不發(fā)生光電效應(yīng)紅限頻率：光的波粒二象性:光在傳播過程中,波動(dòng)性(,)表現(xiàn)比較顯著;當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí),粒子性(E,p)表現(xiàn)比較顯著.四光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用光控繼電器、自動(dòng)控制、自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)警等.放大器接控件機(jī)構(gòu)光光控繼電器示意圖測(cè)量波長(zhǎng)在

200~1200nm極微弱光的功率光電倍增管例1.波長(zhǎng)為450的單色光射到純鈉的表面上.求(1)這種光的光子能量和動(dòng)量;(2)光電子逸出表面時(shí)的動(dòng)能;(3)若光子的能量為2.40eV,其波長(zhǎng)為多少?解

(1)=2.76eV=1.47×10-27kg·m·s-1(2)

鈉的逸出功

W=2.28eV；Ek=2.76-2.28=0.48eV(3)=518nm例2.設(shè)有一半徑為1.0×10-3m的薄圓片,它距光源1.0m.

此光源的功率為1W,發(fā)射波長(zhǎng)為589nm的單色光.假定光源向各個(gè)方向發(fā)射的能量相同,試計(jì)算在單位時(shí)間內(nèi)落在薄圓片上的光子數(shù).解圓片的面積為S=×(1.0×10-3)2=×10-6m2單位時(shí)間落到圓片上的能量為代入數(shù)據(jù)有光子數(shù)為=7.4×1011s-1例３用波長(zhǎng)4000A的光照射銫感光層，求銫所放出的光電子速度及遏止電壓。（紅限波長(zhǎng)為6600A）18.5康普頓效應(yīng)康普頓研究X射線(0很短)在石墨上的散射,發(fā)現(xiàn)散射光中不僅有與原入射線波長(zhǎng)0相同的譜線,也有波長(zhǎng)>0的譜線.這種波長(zhǎng)變長(zhǎng)的現(xiàn)象稱康普頓紅移.光的波動(dòng)理論能解釋波長(zhǎng)不變的散射（X射線的電場(chǎng)迫使散射物中的電子作強(qiáng)迫振蕩，而向周圍輻射同頻率的電磁波）,不能解釋紅移現(xiàn)象.康普頓認(rèn)為這是由于入射線中的光子和散射物質(zhì)中的自由電子作彈性碰撞的結(jié)果.散射物體探測(cè)器e?由于是彈性碰撞,動(dòng)量和能量都守恒,動(dòng)量守恒的大小關(guān)系為考慮到質(zhì)速關(guān)系,;=0,=0,=0