15 光波场的量子性.PPT

§1.4 光波场的量子性 主要内容 1.4.1 黑体辐射 本节重点 * * 1 光波、光线与光子 1. 黑体辐射 2. 光电效应 3. 康普顿效应 1.4 光波场的量子性 1 光波、光线与光子 (1) 热辐射的一般特征 热辐射：普遍存在于自然界的一种自发辐射过程 热辐射的一般特征： ① 任何温度下的所有物体都在向周围发射热辐射，同时也从周围吸收热辐射 ③ 同一温度下，不同物体所辐射的光谱成分有显著不同 ② 热辐射的光谱是连续的，随着温度的升高，光谱强度分布向短波方向移动,且总辐射功率增大 1.4 光波场的量子性 1 光波、光线与光子 图1.4-1 由温度辐射形成的红外图像 (b) 人体红外热图 (a) 高压线红外热图 1.4 光波场的量子性 1 光波、光线与光子 1.4.1 黑体辐射 单色辐射出射度Ml(l, T)：温度为T 的物体表面单位面积发出的波长为l 的辐射能通量谱密度。 单色吸收系数al (l, T)：温度为T 的物体表面单位面积所吸收的波长为l 的辐射能通量谱密度，与照射在该物体表面同一单位面积上的同一波长的辐射能通量谱密度之比。 引入目的：表征物体在不同温度下对不同波长成分的热辐射及吸收特性。 1.4 光波场的量子性 1 光波、光线与光子 1.4.1 黑体辐射 (2) 热辐射的单色辐出度与单色吸收系数 ① 假想实验：密闭绝热容器内若干温度不同的物体之间的热平衡过程 A1 A2 A3 C 图1.4-2 密闭的理想绝热容器 绝热容器内的热平衡特点：每个物体在单位面内积辐射的能量与其吸收的能量相等 数学表述： (1.4-1) ei(l, T)：热平衡状态下照射在第i个物体表面单位面积上的辐射能通量谱密度 1.4光波场的量子性 1 光波、光线与光子 1.4.1 黑体辐射 (3) 基尔霍夫热辐射定律 (1.4-2) ② 基尔霍夫定律：在给定温度T的热平衡状态下，任何物体对于给定波长的单色辐出度Ml(l, T)与单色吸收系数al(l, T)之比值与物质的性质无关，仅是波长和温度的一个普适函数Fl(l,T)，即 结论：在热平衡状态下，绝热容器内的eli(l, T)处处相等，因此，具有较大单色辐出度的物体，一定也具有较大的单色吸收系数，反之亦然。 1.4 光波场的量子性 1 光波、光线与光子 1.4.1 黑体辐射 ① 黑体、白体、灰体 黑体：在任何温度下对于任何波长电磁辐射的单色吸收系数均等于1。 白体：在任何温度下对于任何波长电磁辐射的单色吸收系数均等于0。 灰体：在任何温度下对于任何波长电磁辐射的单色吸收系数小于1而大于0。 ② 黑体辐射的特点 热平衡状态下，具有最大的单色吸收系数，因而也具有最大的单色辐出度。 以Ml0(l, T)表示处于热平衡状态下的绝对黑体的单色辐出度，由式（1.4-2）可得 (1.4-3) 基尔霍夫定律中的普适函数Fl(l, T)实际上就是处于热平衡状态下的绝对黑体的单色辐出度Ml0(l, T)。 结论： 1.4 光波场的量子性 1 光波、光线与光子 1.4.1 黑体辐射 (4) 黑体辐射的实验规律 ③ 黑体的单色辐出度曲线（辐射能谱） 特点：不同温度下的分布曲线不同，每条曲线都有一个极大值点。 T↑，Ml0(l, T)↑，且极大值点逐渐移向短波一侧。 1.4 光波场的量子性 1 光波、光线与光子 1.4.1 黑体辐射 图1.4-3 黑体辐射能谱 可见光 研究黑体辐射的意义： 寻找基尔霍夫定律中的普适函数F(l, T)的形式，以求从理论上解释实验所得黑体辐射能谱。 给定热平衡温度下，绝对黑体单位面积上的辐出度（总辐射能通量）： (1.4-4) 斯特藩-玻耳兹曼定律的意义： 给定温度下，辐射能谱曲线所围面积=所有波长的总辐射功率M0(T) ； 斯特藩-玻耳兹曼常数：s =5.67032×10-8J/(s·m2·K4)（焦每秒平方米四次方开） 说明： 斯特藩-玻耳兹曼定律描述了绝对黑体单位面积的总辐射功率与绝对温度的关系，为辐射测温提供了一种简便方法。但该定律并未涉及单色辐出度本身，因而无助于对黑体辐射能谱的解释。 ① 斯特藩-玻耳兹曼定律（1879——1884年） 1.4 光波场的量子性 1 光波、光线与光子 1.4.1 黑体辐射 (5) 黑体的经典辐射规律 ② 维恩公式与维恩位移定律 维恩于1893年由热力学的讨论得出，黑体的单色辐出度函数形式应为 (1.4-5) 热力学的困难：函数j 的形式尚不能决定。 维恩公式（1896年）： (1.4-6) a、b ：常数；c：真空中的光速。 说明： 由维恩公式可以直接导出斯特藩-玻耳兹曼定律。也可以导出黑体辐射能谱曲线最大值位置lM的计算公式—维恩位移定律： (1.