[理学]15-1___黑体辐射_普朗克能量子假设.ppt

第十五章 量子物理 15-1 黑体辐射 普朗克能量子假设 物理学 第五版 第十五章 量子物理 物理学 第五版 * * * 量子概念是 1900 年普朗克首先提出，距今已有 100 多年的历史. 其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力，到 20 世纪 30 年代，就建立了一套完整的量子力学理论. 物体在任何温度下都要发射电磁波, 这种由于物体中的分子或者原子受到热激发而发射电磁波的现象称为热辐射 热辐射 15-1 黑体辐射 普朗克量子假设 一、热辐射现象 1. 单色辐射本领（单色辐出度） 波长?为的单色辐射本领是指(ⅰ)单位时间内从物体的(ⅱ)单位面积上(ⅲ)发出的波长在?附近(ⅳ)单位波长间隔所辐射的能量。 单位： 单位： （2）辐射出射度 （辐出度） 单位时间，单位 面积上所辐射出的各 种频率（或各种波长） 的电磁波的能量总和. 0 2 4 6 8 10 12 钨丝和太阳的单色辐出度曲线 2 12 10 4 6 8 太阳 可见光区 钨丝（5800K） 太阳 （5800K） 钨丝 热辐射的基本概念 0 2 4 6 8 10 12 2 12 10 4 6 8 太阳 钨丝 可见光区 太阳 钨丝 钨丝和太阳的单色辐出度曲线 同一个物体的发射本领和吸收本领有内在联系，例下图为黑白花盘子的反射和自身辐射照片 室温下的反射光照片 1100K的自身辐射光照片 二. 基尔霍夫定律 基尔霍夫定律：实验发现，在温度一定时物体在某波长λ处的单色辐出度与单色吸收比的比值与物体及其物体表面的性质无关，即 图片说明一个好的发射体一定也是好的吸收体。 上式中，脚标不同对应不同的材料, M(?,T)为与材料无关的普适函数 M( ?,T )= ? a. 研究内容：绝对黑体的单色辐出度 --- 研究热辐射的中心问题 三. 黑体辐射及其规律 1.黑体 能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射而没有反射的物体称为绝对黑体，简称黑体 . b. 如何构造黑体 用不透明的物质围成一个空腔，则在空腔壁上的小孔的孔面就可是一个黑体表面。 表面粗糙的黑色物体一般吸收比较好，但是真正的黑体是不存在的。 人造绝对黑体模型 — 带有小孔的空腔.小孔表面就可以模拟黑体表面。这是因为从外面射来的辐射，经小孔射入空腔，要在腔壁上经过多次反射，才可能有机会射出小孔。因此，在多次反射过程中，外面射来的辐射几乎全部被腔壁吸收。 吸收 发射 在实验中，可在绕有电热丝的空腔上开一个小孔来实现，正因为实验所用的绝对黑体都是空腔辐射，因此，黑体辐射又称为空腔辐射． 黑体辐射的实现 黑体模型 2、 黑体辐射的基本规律 实验规律发现： 在温度一定时黑体的单色辐出度与波长有关，并存在一极大值，所对应的极值点?m有关系 上述全波段的黑体辐射规律是基于以下几个实验规律逐步建立的： （ⅰ）斯忒藩-波尔兹曼定律 1879年，斯忒藩(J．Stefan)从实验观察到黑体的辐出度与绝对温度T的四次方成正比，即 1884年玻尔兹曼从理论上给出这个关系式．其中 常量 峰值波长 0 1 000 2 000 1.0 可见光区 0.5 6 000 K 3 000 K 1893年, 维恩(W．Wien,1864~1928年)利用热力学理论 找出了T与λm之间的关系： （ⅱ）维恩位移定律 为Wien 常数 物体辐射总能量及能量按波长的分布决定于温度 固体在温度升高时颜色的变化 800 K 1000 K 1200 K 1400 K 例子：低温火炉辐射能集中在红光。 高温物体辐射能集中在蓝、绿色。 应用：光测高温计，测量发电厂炉内温度。 钢水 运动时各部分温度的分布 红外夜视仪 红外夜视图 解 （1）由维恩位移定律 例1（1）温度为 的黑体，其单色辐出度的峰值所对应的波长是多少？(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.（3）以上两辐出度之比为多少？ （2） （3）由斯特藩 - 玻耳兹曼定律 由维恩位移定律 他们把分子物理中的(ⅰ）能量按自由度均分原理(经典的能量均分定理)运用到电磁辐射上；（ⅱ）并认为在黑体空腔中辐射的电磁波是谐振子所发射的驻波，这样得到的公式为 玻尔兹曼常数 k =1.380658?10-23J/K 三 瑞利 - 金斯公式 经典物理的困难 0 1 2 3 6