第4章 奇妙的有色和无色世界热辐射——光与物质的相互作用1：黑体辐射.ppt

* * 19世纪末页，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面不用说，在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。 第四章 奇妙的有色和无色世界 光与物质的相互作用 引言： 在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现象的 Maxwell方程。 另外还找到了力、电、光、声----等都遵循的规 律---能量转化与守恒定律。 当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之 中。他们认为物理学已经发展到头了。 于是1900年英国物理学家开尔文在瞻望20世纪物理学的发展的文章中说到： 也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点后面在加几位罢了！ 但开尔文毕尽是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到： “在已经基本建成的科学大厦中，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。” --开尔文-- 黑体辐射实验 迈克尔逊- 莫雷实验 后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。 “在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，----” 普朗克量子力学的诞生 相对论问世 经典力学 量子力学 相对论 微观领域 高速领域 一、 热辐射 物体在任一温度下发射从红外线、可见光到 紫外线的现象。 火 炉 600度 1000度 400度 因辐射与温度有关，故称热辐射 §4-0 黑体辐射 乾 隆 通 宝 乾 隆 通 宝 乾 隆 通 宝 火 炉 1000度 1）从经典物理学看来热辐射过程的实质是 物质 以电磁波的形式向外辐射能量的过程。其辐 射的能量称之为辐射能。 2）热辐射有平衡热辐射与非平衡热辐射： 当物体因辐射而失去的能量等于从外界吸收 的辐射能时，这时物体的状态可用一确定的 温度来描述，这种热辐射称为平衡热辐射。 反之称为非平衡 热辐射。 1、注意： 2、单色辐出度、辐射出射度、单色吸收率、单 色反射率 实验表明：物体辐射能多少决定于物体的温度（T）、辐射的波长、时间的长短、发射的面积 1）单色辐出度（单色发射本领） 单位时间内，温度为T的物体上单位面积上发 射波长在? ?+d?范围内的辐射能dE?与波长 间隔d?比值，用e(?,T)表示。 光源 S=1 显然，它是波长和温度的函数 2）辐射出射度（总发射本领） 单位时间内从物体单位面积上所辐射的各种 波长的总的辐射能，用E（T）表示。 光源 S=1 显然，它是温度的函数 实验表明:吸收与反射 的能量与物体温度有 关、与辐射能的波长 范围有关. 3)单色吸收率 单色反射率 不透明介质 E吸 吸收 E入 射 入 射 E反 反 定义：一束波长为???+??，强度为E入的电磁辐射入射到温度为T的物体上时，若反射光的强度为E反(?,T)，吸收光的强度为E吸（?，T），则定义： 单色吸收率： 单色反射率： 显然，对不透明的物体： 不透明介质 E吸 吸收 E入 射 入 射 E反 反 同除E入（ ?，T ）： 二、 黑体（black body） 在任何温度、对于任何波长的辐射的吸收率均 为1的物体，称之为黑体。 注意：1）黑体是对入射的辐射能全部吸收（不 管什么波长）的物体，也不反射。因 此当其自身的热辐射很弱时，看上去 是黑洞洞的。 2）黑体是理想化的模型，实际中的物体的吸收率 总是小于1。 抛光的铜镜表面： 一般金属表面： 煤烟： 3）一个开有小孔的内表面粗糙的空腔可近似看成 理想的黑体。 如远处不点灯 的建筑物 若室内点灯 （自身辐射不很弱） 绝热恒温体 三、基尔霍夫定律（Kirchhoff’s Law） T=C 一个实验 M1 M2 B 真空 N个不同的物体置于一绝热 恒温体内，经过热辐射交换 能量，达到热平衡态---物体 与容器具有相同温度且保持 不变。 但不同物体的辐射出射度 是不同的，即每个物体单位 时间、单位面积辐射的能量 要维持温度不变，则 物体吸收的辐射能必须等于 辐射出去的能量 是不同的。因此要维持平衡热辐射，只有辐射能 量较多的物体吸收能量也多，反之亦然。 基尔霍夫定律（Kirchhoff’s Law） 在同样的温度下，各种不同 的物体对相同波长的单色辐出 度与单色吸收率之比值都相等 ，且等于在该温度下黑体对同 一波长的单色辐出度。 为黑体的单色辐出度