量子2008级01黑体辐射普朗克能量子假设hipeak.ppt

* 第十六章 量子物理 16 – 1 黑体辐射 普朗克能量子假设 * 一、何谓热辐射 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 暗红 橙红 黄白 * 根据经典电磁理论，带电粒子的加速运动将 向外辐射电磁波。 * 一切物体都以电磁波的形式向外辐射能量。 根据经典电磁理论，热辐射过程的实质是物质 以电磁波的形式向外辐射电磁波的过程。 其辐射的能量称之为辐射能。 注意： 实验证明不同温度下物体能发出不同的电磁波， 这种能量按频率的分布随温度而不同的电磁辐射 叫做热辐射. 物体温度绝对零度,都有热辐射 * 这种电磁波形式的辐射能量按波长分布是不均匀的。 锶 Sr 铷 Rb 铜 Cu 二、 热辐射的基本概念和基本定律 1）单色辐出度（单色辐射本领） 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dM?与波长 间隔d?比值，用M?（?）表示。 显然，它是波长和温度的函数 头部各部分温度不同，因此它们 的热辐射存在差异，这种差异可 通过热像仪转换成可见光图象。 单 色 辐 出 度 0 1.0 1.75 波长 ( m m ) 头 部 热 辐 射 像 单位时间内从物体表面单位面积上所发射的各种波长的总辐射能。 2）辐出度 M(T) M(T)的单位为W/m2 * 物体辐射能量的同时，又吸收周围其它物体的辐射能量。当辐射能量等于吸收能量时，其温度不变 —— 平衡热辐射 实验表明 辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强.此称基尔霍夫定律。 能全部吸收所有波长的入射辐射能，即无反射，吸收率为 1 . 绝对黑体 (black body) 能完全吸收照射到它上面的各种波长的电磁辐射的物体称为绝对黑体。简称黑体 （黑体是理想模型） 3）绝对黑体 发射本领强的，吸收本领也强 三、 黑体辐射的实验规律 会聚透镜 空腔 小孔 平行光管 棱镜 热电偶 测量黑体辐射出射度实验装置 黑体辐射只与温度有关，保持一定温度，测出单色辐射本领随波长变化的曲线 0 1000 2000 1.0 0.5 可见光区 3000K 6000K 规律一：斯特藩—玻尔兹曼定律 斯特藩—玻尔兹曼常量 黑体辐射出射度与绝对温度有如下关系： 它说明对于黑体，温度越高，辐出度M(T)越大且随T增高而迅速增大。 含义： 规律二：维恩位移定律 0 1000 2000 1.0 0.5 可见光区 3000K 6000K 黑体温度增高时，其单色辐出度的峰值波长向短波方向移动，且有如下关系： 常量 峰值波长 绝对温度 维恩位移定律应用于工程: 测太阳表面的温度 1）以上两规律只适用于黑体，对非黑体只 近似成立。 2）热辐射规律在现代技术中有广泛的应用 ---高温测量、遥感、遥测、红外跟踪等。 注意： 例1：太阳可以看成黑体，地球上测出其峰值波长 为 ?m=5100?，则其表面温度和辐出度为多少？ 由 解： 例2 太阳的单色辐出度的峰值波长 ， 试由此估算太阳表面的温度. 解 由维恩位移定律 可用这种方法推测宇宙中其他发光星体的表面温度 四、热辐射的理论解释、普朗克量子假说 当时经典力学占统治地位，人们自然用经典力 学理论来解释热辐射并建立了两个公式： 1）维恩公式（Wien’s formula） 1896年德国维恩（Wien）从热力学普遍理论出发，将黑体谐振子能量按频率分布类同于Maxwell速度分布，由经典理论导出以下公式： C1、C2须用实验确定。 此公式在长波方面与实验数据不符。 维恩公式 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 ?(nm) 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 ?(nm) 2）瑞利--金斯公式（Rayleigh-jean’s formula） 1900年瑞利--金斯利用经典电动力学和统计力学 （将固体当作谐振子且能量按自由度均分原则及 电磁辐射理论）得到一个公式： C为光速 K=1.380658?10-23J/K 波尔兹曼常数 此公式在短波区域明显与实验不符，而 理论上却找不出错误 --“紫外线灾难” ,像乌云遮住了物理学睛朗的天空。 热辐射 实 验 3）普朗克公式（Plan