量子物理1详解.ppt

* 第六章 量子物理 基础 (1) 引言 十九世纪末，经典物理已相当成熟， 对物理现象本质的认识似乎已经完成。 但在喜悦的气氛中，还有两朵 小小的令人不安的乌云： 跳出传统的物理学框架！ ？寻找以太的 零结果 ？热辐射的 紫外灾难 寻找以太的 零结果 相对论 热辐射的紫外灾难 量子论 §6.10 黑体辐射和普朗克的能量子假说 分子(含有带电粒子)的热运动使物体辐射 电磁波。这种辐射与温度有关，称为热辐射 (heat radiation)。 热辐射的电磁波的能量对波长有一个分布。 例如加热铁块，随着温度的升高: 开始不发光→ → → 黄白色 橙色 暗红 温度不同，热辐射的电磁波的能量不同， 波长分布不同。 温度为T时,单位时间内从物体单位表面发出的 波长在? 附近单位波长间隔内的电磁波的能量， 称为单色辐出度M?(T) 1．单色辐出度M?(T) 一.描述热辐射的物理量 M?的SI单位为W/m3 dE?…?温度为T时,单位时间内从物体单位表面 发出的波长在 ?→? + d?间隔内的电磁波的能量 M?(T) …?表示辐射能量按波长的分布。 2.总辐出度M(T) M 的单位为W/m2 3.单色吸收率??(T) 以上这些物理量均与物体 种类及其表面情况有关。 ??（T）…?温度为T时,（单位时间内）入射 到物体（单位表面）的,波长在 ?→?+ d?间隔 内的电磁波的能量，被物体吸收的百分比。 ★平衡热辐射 此时物体具有固定的温度。 以下只讨论平衡热辐射的情况。 1.黑体:能完全吸收照射到它上面的各种 波长的电磁波的物体，称为黑体。 物体辐射的能量等于在同一时间内所 吸收的能量时，热辐射过程达到热平衡， 称为平衡热辐射。 二.黑体和黑体辐射的基本规律 维恩设计的黑体：不透明材料的空腔 开一个小孔。 黑体 实验表明： 辐射本领大的物体， 吸收本领也大。 （演示）。 黑体能吸收各种波长的电磁波，也能辐射 各种波长的电磁波。 黑体的吸收本领最大，辐射本领也最大 黑体的单色吸收率 ??(T)=1----‘理想模型’。 ? 对各种具体物体的总辐出度，可以通过实验 定出的“黑度系数”(有“机电手册”可查) 来得出。 而黑体的热辐射正好与空腔的形状、材料及 ‘表面状态’ 都无关。 ? 研究热辐射本身的规律，应利用辐射本领 M? 只与温度有关，而和材料及表面状态无关的 物体。 例. 油毛毡（法向） 0.93 (200C) 氧化铜（法向） 0.6?0.7(500C) 研究黑体辐射的实验装置示意图: 黑体 热电偶(测 M?(T)) 光栅光谱仪 T 黑体单色辐出度 M?(T)～?曲线 实验结果 2．斯特藩—玻耳兹曼定律（实验定律） 其中常量 ? =5.67×10- 8 /m2K4 3．维恩位移定律（实验定律） 黑体辐射光谱中辐射最强 的波长与黑体温度T 之间 满足反比关系 其中常量 b = 2.89×10-3 m·K （1. 黑体） 总辐出度M(T)与黑体温度的四次方成正比 热辐射定律的发现 斯特藩—玻耳兹曼定律和 维恩位移律是测量高温、 遥感和红外追踪等技术的 物理基础。 维恩 (Wilhelm Wien 德国人 1864-1928) 1911年 诺贝尔物理学奖 获得者 三.经典物理学所遇到的困难 ---- 如何解释黑体辐射曲线？ ? 空腔壁产生的热辐射，想象 成空腔壁内有许多以壁为 节点的许多电磁驻波。 ? 其中最典型的是维恩公式 和瑞利—金斯公式 黑体内的驻波 但是， 由经典理论导出的M?(T)～? 公式都与实验结果不符合！ （1）维恩公式（非前面的维恩位移公式） 假定驻波能量按频率的分布类似于 麦克斯韦速度分布率（经典的）。 （2）瑞利—金斯公式 假定驻波的平均能量为 kT （经典的能量均分定理） 在长波段，维恩线明显偏离实验曲线！ 在紫外区(短波段)与实验明显不符， 短波极限为无限大—“紫外灾难”！ o λ(μm) 1 2 3 5 6 8 9 4 7 M B λ 维恩 瑞利--金斯 实验值 紫 外 灾 难 四.普朗克的能量子假说和黑体热辐射公式 1.普朗克假设（1900年） (普朗克与鲁本斯)。 对于频率为 ? 的电磁辐射， 物体只能以 h?为单位发射 或吸收它。 即物体发射或吸收电磁辐射 只能以“量子”方式进行，每 个能量子的能量为 ?