第十九章 黑體輻射

第十九章黑體輻射第一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五

在本世紀(jì)(指20世紀(jì)）初，發(fā)生了三次概念上的革命，它們深刻地改變了人們對(duì)物理世界的了解，這就是狹義相對(duì)論（1905年）、廣義相對(duì)論（1916年）和量子力學(xué)（1925年）。------楊振寧經(jīng)典物理（18－19世紀(jì)）用于描述宏觀世界運(yùn)動(dòng)發(fā)展規(guī)律的定量理論：牛頓力學(xué)熱力學(xué)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)經(jīng)典電磁理論已完全建成第二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五物理學(xué)的大廈已經(jīng)完成，今后物理學(xué)家的任務(wù)就是修飾完善這座大廈了。自然界的一切現(xiàn)象是否全部可以憑借經(jīng)典物理學(xué)來解釋開爾文十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初的一些新的物理實(shí)驗(yàn)對(duì)經(jīng)典物理學(xué)產(chǎn)生了強(qiáng)有力的沖擊。第三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五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(duì)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(duì)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(duì)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。第四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五普朗克首先提出能量子假說，成功地解釋黑體輻射現(xiàn)象（1900年）愛因斯坦的光子學(xué)說，成功地解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象(1905年)康普頓散射進(jìn)一步證實(shí)光的粒子性(1923年)德布羅意提出實(shí)物粒子的波粒二象性假說

(1924)玻爾利用量子化概念建立了氫原子模型，成功地解釋氫原子光譜(1913年)薛定諤提出的薛定諤方程建立了量子力學(xué)的波動(dòng)力學(xué)(1926

年)

海森堡等人建立了量子力學(xué)的矩陣力學(xué)(1925年)早期量子論的建立量子力學(xué)體系的建立第五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五本章的主要教學(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(duì)象的特點(diǎn)：

1)微觀客體：線度小活動(dòng)范圍小米2)除了具有粒子性還具有明顯的波動(dòng)性3)粒子的能量角動(dòng)量等物理量取值分立----量子化的完全脫離了經(jīng)典物理的模式新理論是在原有的理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的所以在極限情況下可以回到原有的理論第六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五19-1黑體輻射普朗克的能量子假說一、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(dòng)而向外輻射電磁波。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)出的是紫外光第七頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五紅外照相機(jī)拍攝的人的頭部的熱圖熱的地方顯白色，冷的地方顯黑色第八頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五英國“風(fēng)箏”單兵武器微光瞄準(zhǔn)鏡在SA80

5.56毫米槍上使用。重不超過1千克，弱月光下觀察距離600米，在星光下400米。美國AN/PVS-5A微光夜視眼鏡它可在200米內(nèi)發(fā)現(xiàn)人，在136米內(nèi)識(shí)別人，在565米內(nèi)發(fā)現(xiàn)坦克，在395米內(nèi)識(shí)別坦克。第九頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五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)的分布與溫度有關(guān)溫度短波長的電磁波的比例。鋼水1.熱輻射的特點(diǎn)第十頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五2.描述熱輻射的基本物理量

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)的輻射能單色輻出度、輻出度、單色吸收比、單色反射比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（單位時(shí)間內(nèi)）

T單位面積（單位時(shí)間內(nèi)）

T單位面積第十一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五或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。M(M)取決于T，()，物質(zhì)種類和表面情況3）單色吸收比（率）和單色反射比（率）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）第十二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五對(duì)于不透明物體：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(duì)任何波長的熱輻射吸收比均為1

的物體，稱為絕對(duì)黑體(黑體)。三、黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律當(dāng)物體在同一時(shí)間內(nèi)輻射和吸收的能量恰相等時(shí)，物體達(dá)到了熱平衡。此時(shí)物體溫度恒定不變------平衡熱輻射物體吸收和反射波長在區(qū)間的輻射能，與該區(qū)間總的入射能之比，分別稱為單色吸收比和單色反射比。第十三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五黑體模型：黑體輻射加熱空腔黑體----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（Kirchhoff’sLaw）(1859年)第十四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五2.基爾霍夫定律（Kirchhoff’sLaw）(1859年)123黑體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：各種物體單色輻出度與單色吸收比的比值彼此相等,且等于在同一溫度下黑體對(duì)同一波長的單色輻出度。為黑體的單色輻出度為黑體的單色吸收比（等于1)2）黑體是完全的吸收體因此也是理想的輻射體。確定黑體的單色輻出度成為研究熱輻射的中心問題。第十五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五一個(gè)黑白花盤子的兩張照片室溫下，反射發(fā)光1100K，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？第十六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五第十七頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五3.黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律黑體輻射測量的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)黑體加熱，會(huì)放出熱輻射。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。黑體熱電偶測M(T)光柵光譜儀T光柵第十八頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五黑體輻出度（總發(fā)射本領(lǐng)）與絕對(duì)溫度有如下關(guān)系：物理意義：對(duì)于黑體，溫度越高輻出度M（T）越大且隨T增高而迅速增大。=5.6710-8W/m2K41)實(shí)驗(yàn)規(guī)律之一----斯特藩-玻耳茲曼定律曲線與橫軸圍的面積就M

(T)不同溫度下的黑體輻射曲線第十九頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五2)實(shí)驗(yàn)規(guī)律二------維恩位移定律b稱為維恩常量b=2.897756×10-3m·K當(dāng)黑體的溫度T↑，Mλ(T)—λ曲線上，峰值波長λm向短波方向移動(dòng)。mC=5.880×1010Hz/K注意或第二十頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五例：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？由維恩位移定律解：由斯特藩-玻耳茲曼定律應(yīng)用：估算表面溫度第二十一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五四、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?為常數(shù)1896年維恩從經(jīng)典熱力學(xué)及統(tǒng)計(jì)理論及實(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2.瑞利-金斯公式

1900年從經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)理論推導(dǎo)而得長波方向與實(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”－經(jīng)典物理有難c為真空中的光速第二十二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五黑體熱輻射的理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較M瑞利—金斯公式維恩公式實(shí)驗(yàn)曲線由經(jīng)典理論導(dǎo)出的M(T)～

公式都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符合！(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!第二十三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五1900.10.7實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家魯本斯（Rubens）給普朗克(M.Planck)帶來了熱輻射理論與實(shí)驗(yàn)比較的信息。當(dāng)晚普朗克就用內(nèi)差法搞出了一個(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(huì)會(huì)議上提出這個(gè)黑體輻射公式——普朗克公式魯本斯（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)（1900）第二十四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五普朗克公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較M瑞利—金斯公式維恩公式普朗克公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較普朗克公式實(shí)驗(yàn)曲線第二十五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五2.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(dòng)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=h－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:第二十六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五1921葉企孫，W.Duane，H.H.Palmer測得普朗克常量：1986推薦值：1998推薦值：一般?。浩绽士斯接善绽士?/p>