16.1普朗克量子化假设.ppt

N.玻尔、M.玻恩、 W.L.布拉格、L.V.德布罗意、A.H.康普顿、M.居里、P.A.M 狄喇克、A.爱因斯坦、W.K.海森堡、 郎之万、W.泡利、普朗克、薛定谔 等 第五次索尔维会议与会者合影(1927年) 第16章 早期量子论 1. 热辐射 16.1.1 热辐射 16.1 普朗克能量子假设 实验表明，一切物体在任何温度下都向外发射电磁波。在室温下，物体单位时间辐射的电磁波能量较少，且主要分布在长波范围。随温度升高，物体单位时间辐射的电磁波能量迅速增加，其短波成分的比例也逐渐增大。由于辐射的总能量以及能量按波长的分布都与温度有关，故称这种辐射为热辐射。 物体辐射电磁波的同时，也会将投射到它上面的电磁波的一部分吸收。当辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化而处于热平衡状态，这时的辐射称之为热平衡辐射。 2. 单色辐射出射度 当物体的温度 T 一定时，单位时间从物体表面单位面积上发射的、波长在 ? ~ ? + d? 范围内的辐射能 dM? 与波长间隔 d? 的比值，叫单色辐射出射度，简称单色辐出度： ? 右图同时绘出了白炽灯、太阳表面、荧光灯的单色辐出度曲线。我们看到，当温度升高时，从物体表面辐射的能量逐渐向短波方向移动。 3. 辐射出射度（发射本领） 当温度 T 一定时，单位时间从物体表面单位面积发射的所有波长的辐射能 叫辐射出射度，简称辐出度，也叫发射本领： 一般情况，物体只将投射到它上面的电磁波的一部分进行吸收，并将其余部分进行反射和透射。 4. 吸收比和反射比 对电磁波不透明的物体，就只有反射和吸收。吸收和反射的能量与入射能量之比，分别称为吸收比和反射比。分别用 和 表示单色吸收比和单色反射比。显然，对电磁波不透明的物体总有： 5. 黑体 能够全部吸收各种波长的电磁波，不反射也不透射的物体称为黑体，也叫绝对黑体。对黑体有： 自然界不存在黑体，黑天鹅绒能吸收投射到其表面约 98% 的电磁波；黑煤烟能吸收投射到其表面约 99% 的电磁波。 用不透明的材料制成带小孔的空腔作为黑体模型，该模型叫空窖。进入空窖的电磁波，在不光滑的内壁上经多次反射和吸收，很少再有机会从小孔射出。 6.基尔霍夫定律 1860年，德国物理学家基尔霍夫（1824～1887）发现，当波长和温度一定时，每种物体的单色辐出度与其单色吸收比不仅成正比关系，而且都相等，都等于黑体的单色辐出度，这一结果被称为基尔霍夫定律： 可见，研究黑体的单色辐出度具有普遍的意义。在19世纪末，试图从理论导出黑体的单色辐出度成为一个热门的研究课题。 16.1.2 普朗克能量子假设 1. 维恩公式 1896年，德国物理学家维恩（1864～1929）推出一个黑体单色辐出度公式。1899年经实验物理学家卢默尔（德，1860～1925 ）检验，维恩公式只在短波波段与实验符合得很好，在长波波段与实验有明显偏离。 2. 瑞利公式 1900年，英国物理学家瑞利（1842～1919）也得到一个黑体单色辐出度公式，该公式与维恩公式正好相反，它只在长波波段与实验符合很好，在短波波段不仅与实验不符，而且给出发散的结果，这在历史上被称为紫外灾难或紫外灾变。 3. 普朗克公式 德国物理学家普朗克（1858～1947）从1894年开始研究黑 体辐射问题。1900年，普朗克用“内插法”从数学上得到一个新的黑体辐射公式，后经鲁本斯（德，1865～1922）检验，结果发现与实验 “令人满意地相符” 。 1900年10月19日，普朗克向德国物理学会报告了他的这个新辐射公式，并于同年12月14日在德国物理学会发表了题为《关于正常光谱的能量分布定律的理论》的论文。在这篇文章中，普朗克正式提出了能量子假定，并从理论上导出了他的新辐射公式。 按照普朗克的假设：对于一定频率 的电磁辐射 ，物体只能以 为单位进行发射和吸收能量。普朗克把 称为能量子。 叫普朗克常数，它是一个非常小的量。1986年的国际推荐值为： 物体在发射和吸收电磁辐射时，不能以任意方式进行，而只能以 的份额进行，这叫只能以量子化的方式进行。 4. 维恩公式、瑞利公式、普朗克公式与实验的比较 量子化现象在自然界比比皆是，但普朗克是第一个在物理学中引入量子化概念的人，因此后人尊称普朗克为量子奠基人，并将1900年12月14日称为量子诞辰日。 在这里我们将维恩公式、瑞利公式和普朗克公式同画在一张图中，以便与实验值进行比较。 维恩 普朗克 瑞利－金斯