11经典物理的困难1.1经典物理的困难-Oriyao.pptVIP

第一章 绪论 第一章 绪论 1.1经典物理的困难 一、黑体辐射 1.黑体 定义：如果一个物体在任何温度下，对任何波长的电磁波都完全吸收，而不反射与透射，则称这种物体为绝对黑体，简称黑体。 说明： (1)黑体是个理想化的模型。 (2)对于黑体，在相同温度下的辐射规律是相同的。 2. 热辐射 热辐射现象：任何温度下，宏观物体都要向外辐射电磁波。电磁波能量的多少，以及电磁波按波长的分布都与温度有关，故称为热辐射。 热平衡现象：辐射和吸收的能量恰相等时称为 热平衡。此时温度恒定不变。 * * 内容简介：在简单回顾和罗列经典物理困难的基础上，本章扼要的介绍了普朗克的能量量子化的概念、爱因斯坦的光量子和玻尔的量子论，以及如何利用这些量子化的假说解决经典困难。然后引入光的波粒二象性和德布罗意波。本章的许多结果，最后虽然被量子力学在更高的水平上重新给出，但本章的许多概念，即使在今天，对于物理学工作者仍然是极其重要的。 1.1 经典物理学的困难 1.2 玻尔的量子理论 1.3 微观粒子的波粒二象性 1.1经典物理的困难 1.1经典物理的困难 3. 与辐射有关的物理量 单色辐出度 从热力学温度为T 的黑体的单位面积上、单位时间内、在单位波长范围内所辐射的电磁波能量，称为单色辐射出射度，简称单色辐出度，用Mλ(T)表示。 辐射出射度 在单位时间内，从热力学温度为T的黑体的单位面 积上、所辐射的各种波长范围的电磁波的能量总和 ，称为辐射出射度，简称辐出度。 黑体辐射 图1.1 4.黑体辐射 如图1.1所示，可以将一空腔看作黑体，当一束光线如射时，它将被完全吸收而无法逃出。当空腔与内部的辐射处于平衡时，腔壁单位面积所发射的辐射能量和它所吸收的辐射能量相等。 入 射 光 线 1.1经典物理的困难 1.1经典物理的困难 4.1 斯特藩-玻尔兹曼定律 黑体的辐出度与黑体的热力学温度的四次方成正比，这就是斯特藩?-玻耳兹曼定律。 s=5.67×10-8W· m-2· K-4为斯特藩?-玻耳兹曼常量 1700k 1500k 1300k 图1.2 1.1经典物理的困难 随着黑体温度的升高，其单色辐出度最大值 所对应的波长按照 的规律向短波方向移动，即 4.2 维恩位移定理 从图1.2可看出单色辐出度最大值随温度的变化 1.1经典物理的困难 4.3 维恩公式 维恩假定了谐振子的能量按频率的分布类似于麦克斯韦速率分布律，然后用经典统计物理学方法导出了下面的公式 、 为实验确定的参数 说明：维恩公式只在短波波段与实验符合，而在长波波段与实验差别较大。如图1.3 图1.3 1.1经典物理的困难 4.4 瑞利-金斯公式 1900年，瑞利和金斯根据经典电动力学和经典统计力学理论导出黑体单色辐出度与波长和温度关系的函数： 为玻尔兹曼常数 说明：瑞利-金斯公式在长波波段与实验符合得很好，但在短波波段与实验有明显差异，这就是著名的“紫外灾难”。如图1.4 图1.4 1.1经典物理的困难 4.5 普朗克假说 普朗克黑体辐射公式 在瑞利-金斯公式和维恩公式的基础上，普朗克进一步分析实验曲线，他假设黑体辐射空腔中振子的振动能量并不像经典理论所主张的那样和振幅平方成正比并且连续变化，而是和振子的频率 成正比，并且只能取离散值 、 、 、 、 是普朗克常数 与此相应，腔中辐射场和温度为T的腔壁物质达到热平衡后，能量也是一份份的，只能取 的整数倍。 4.5.1 普朗克假说 1.1经典物理的困难 4.5.2 普朗克公式 在普朗克架设的基础上，按照玻尔兹曼分布律，1900年，普朗克导出公式 这就是普朗克辐射公式。 1.1经典物理的困难 维恩位移定理 斯忒藩-玻尔兹曼定律 维恩公式 瑞利-金斯公式 说明 ：1.普朗克假说不仅圆满地解释了绝对黑体的辐射问题，还解释了固体的比热问题等。它成为现代理论的重要组成部分。 2.从普朗克公式可导出斯特藩?-玻耳兹曼定律，维恩公式，瑞利—金斯公式。 1.1经典物理的困难 4.5.3 普朗克假说的意义 普朗克抛弃了经典物理中的能量可连续变化的旧观点，提出了能量子、物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的方式进行的新观点。这不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理学研究新局面，标志着人类对自然规律的认识已经从从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础。 4.6 黑体辐射的应用