第十九章-黑体辐射

19-1黑体辐射普朗克的能量子假说19-2光电效应光的波粒二象性19-3康普顿效应19-4氢原子的玻尔理论19-5德布罗意波实物粒子的二象性第十九章量子物理19-6薛定谔方程及应用简例19-7氢原子的量子力学处理19-8电子的自旋在本世纪(指20世纪）初，发生了三次概念上的革命，它们深刻地改变了人们对物理世界的了解，这就是狭义相对论（1905年）、广义相对论（1916年）和量子力学（1925年）。------杨振宁经典物理（18－19世纪）用于描述宏观世界运动发展规律的定量理论：牛顿力学热力学经典统计力学经典电磁理论已完全建成物理学的大厦已经完成，今后物理学家的任务就是修饰完善这座大厦了。自然界的一切现象是否全部可以凭借经典物理学来解释开尔文十九世纪末二十世纪初的一些新的物理实验对经典物理学产生了强有力的冲击。以太说黑体辐射谱经典物理无法解释这些新的物理现象利用经典理论解释黑体辐射现象的失败（1896-1900）为寻找绝对参考系而设计的迈克尔逊-莫雷实验，观察的结果否定绝对参考系的存在（1887）近代物理学的建立（20世纪）迈克尔逊－莫雷实验黑体辐射实验相对论量子论量子力学开尔文：然而，在物理学晴朗的天空上还漂浮着两朵令人不安的乌云。普朗克首先提出能量子假说，成功地解释黑体辐射现象（1900年）爱因斯坦的光子学说，成功地解释光电效应现象(1905年)康普顿散射进一步证实光的粒子性(1923年)德布罗意提出实物粒子的波粒二象性假说(1924)玻尔利用量子化概念建立了氢原子模型，成功地解释氢原子光谱(1913年)薛定谔提出的薛定谔方程建立了量子力学的波动力学(1926年)海森堡等人建立了量子力学的矩阵力学(1925年)早期量子论的建立量子力学体系的建立本章的主要教学内容：量子理论的基本概念量子力学解决问题的基本思路和方法对象的特点：1)微观客体：线度小活动范围小910米2)除了具有粒子性还具有明显的波动性3)粒子的能量角动量等物理量取值分立----量子化的完全脱离了经典物理的模式新理论是在原有的理论基础上发展起来的所以在极限情况下可以回到原有的理论19-1黑体辐射普朗克的能量子假说一、热辐射及其描述因辐射与温度有关，故称热辐射物体内部分子、原子由于热运动而向外辐射电磁波。物体温度升高时颜色的变化直觉:低温物体发出的是红外光炽热物体发出的是可见光高温物体发出的是紫外光红外照相机拍摄的人的头部的热图热的地方显白色，冷的地方显黑色英国“风筝”单兵武器微光瞄准镜在SA805.56毫米枪上使用。重不超过1千克，弱月光下观察距离600米，在星光下400米。美国AN/PVS-5A微光夜视眼镜它可在200米内发现人，在136米内识别人，在565米内发现坦克，在395米内识别坦克。任何物体任何温度均存在热辐射热辐射谱是连续谱各种波长(频率)都有，但是强度不同。热辐射强度按波长(频率)的分布与温度有关温度短波长的电磁波的比例。钢水1.热辐射的特点2.描述热辐射的基本物理量或按频率定义:温度为T的物体单位时间内从单位表面发出的频率在附近单位频率间隔内的辐射能单色辐出度、辐出度、单色吸收比、单色反射比1）单色辐出度（单色发射本领）指温度为T的物体单位时间内从单位表面发出的波长在附近单位波长间隔内的辐射能ddMTM)().(3mWMd)(λd（单位时间内）T单位面积Md)(d（单位时间内）T单位面积ddMTM)(或2）辐出度(辐射出射度总发射本领）温度为T的物体单位时间内从单位面积上所辐射的各种波长的总的辐射能，用M（T）表示。).(2mW0)()(dTMTM0)()(dTMTMM(M)取决于T，()，物质种类和表面情况3）单色吸收比（率）和单色反射比（率）ddMTM)(ddMTM)(若外来辐射能部分被物体吸收部分被物体反射（不计透射）)()(dd)(入射吸收MMT)()(dd)(入射反射MMT对于不透明物体：1)()(TT二、平衡热辐射讨论平衡热辐射的规律1.黑体在任何温度下、对任何波长的热辐射吸收比均为1的物体，称为绝对黑体(黑体)。三、黑体辐射的实验规律当物体在同一时间内辐射和吸收的能量恰相等时，物体达到了热平衡。此时物体温度恒定不变------平衡热辐射物体吸收和反射波长在区间的辐射能，与该区间总的入射能之比，分别称为单色吸收比和单色反射比。d黑体模型：黑体辐射加热空腔黑体----理想模型实际中的物体总是小于1。黑体模型----一个不透明的空腔开有小孔可近似看成理想的黑体。黑体只是=1，并不一定是黑色的（如太阳），只有当其自身的热辐射很弱时，看上去是黑洞洞的。2.基尔霍夫定律（Kirchhoff’sLaw）(1859年)2.基尔霍夫定律（Kirchhoff’sLaw）(1859年)123黑体T这表明：1）好的辐射体也是好的吸收体3）若M已知，则平衡热辐射时有：)()()()()()()(2211TMTTMTTMTTM各种物体单色辐出度与单色吸收比的比值彼此相等,且等于在同一温度下黑体对同一波长的单色辐出度。)(TM为黑体的单色辐出度为黑体的单色吸收比（等于1))(T2）黑体是完全的吸收体因此也是理想的辐射体。)()()(TMTTMii确定黑体的单色辐出度成为研究热辐射的中心问题。一个黑白花盘子的两张照片室温下，反射发光1100K，自身辐射发光夏天有人喜欢穿黑衣，令人费解吗？人造卫星表面的防辐射层（高反射率材料），为什么？你能用基尔霍夫定律解释下面的现象吗？3.黑体辐射实验规律黑体辐射测量的实验装置对黑体加热，会放出热辐射。通过光栅可得到黑体辐射的频谱。通过热电偶可得到黑体辐射的单色辐出度。黑体热电偶测M(T)光栅光谱仪T光栅黑体辐出度（总发射本领）与绝对温度有如下关系：物理意义：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。=5.6710-8W/m2K44)(TTM1)实验规律之一----斯特藩-玻耳兹曼定律曲线与横轴围的面积就M(T)d)()()(00TMdTMTM不同温度下的黑体辐射曲线MM2)实验规律二------维恩位移定律b称为维恩常量b=2.897756×10-3m·KbTm当黑体的温度T↑，Mλ(T)—λ曲线上，峰值波长λm向短波方向移动。mC=5.880×1010Hz/KTCm注意mmc/或例：太阳可以看成黑体，地球上测出其峰值波长为m=510nm，则其表面温度和辐出度为多少？由维恩位移定律bTm)(.KbTm57001051010898293484)5700(1067.5)(TTM2710006mw/.解：由斯特藩-玻耳兹曼定律应用：估算表面温度四、经典物理学遇到的困难如何从理论上找到符合黑体辐射实验的函数式?TeTM/3)(为常数1896年维恩从经典热力学及统计理论及实验数据的分析得出1.维恩公式短波方向与实验符合较好kTcTM22π2)(2.瑞利-金斯公式1900年从经典电动力学和统计物理学理论推导而得123KJ10380658.1k长波方向与实验符合较好短波方向得出灾难性的结论“紫外灾难”－经典物理有难c为真空中的光速黑体热辐射的理论与实验结果的比较M瑞利—金斯公式维恩公式实验曲线由经典理论导出的M(T)～公式都与实验结果不符合！(短波符合较好)(长波符合较好)物理学晴朗天空中的一朵乌云!1900.10.7实验物理学家鲁本斯（Rubens）给普朗克(M.Planck)带来了热辐射理论与实验比较的信息。当晚普朗克就用内差法搞出了一个公式----黑体辐射公式五、普朗克黑体辐射公式和能量子假说1.普朗克黑体辐射公式1900.10.19普朗克在德国物理学会会议上提出这个黑体辐射公式——普朗克公式1π2)(/32kThechTM鲁本斯（Rubens）把这“幸运地猜出来的内插公式”同最新的实验结果比较发现：在全波段与实验结果惊人的符合(短波趋向维恩长波趋向瑞利)sJ1055.634h普朗克常量（1900）普朗克公式与实验结果的比较M瑞利—金斯公式维恩公式普朗克公式与实验结果的比较普朗克公式实验曲线2.普朗克的能量子假说基本物理思想：•辐射黑体中的分子原子可看作线性谐振子•振动时向外辐射能量（也可吸收能量）物体发射或吸收电磁辐射时交换能量的最小单位是nhE=h－能量子谐振子的能量是不连续的即物体发射或吸收电磁辐射只能以“量子”的形式进行,E只能是的整数倍:n=1,2,3...由能量量子化概念得到了普朗克的黑体射公式普朗克能量子假说:1921叶企孙，W.Duane，H.H.Palmer测得普朗克常量：sJ10)009.0556.6(34h1986推荐值：sJ106260755.634hsJ1063.634h1998推荐值：sJ1062606876.634h一般取：普朗克公式4TM积分12)(/32kThechTMkTcTM222)(长波段TeTM/3)(短波段TCm求导由普朗克公式可导出其他所有热辐射公式：由能量量子化概念得到了普朗克的黑体射公式维恩公式瑞利-金斯公式斯特藩-玻耳兹曼定律维恩位移定律获1918年诺贝尔奖M.Planck德国人(1858－1947)普朗克后来被定为“量子论的诞生日”。的理论”的论交到了德国自然科学会，1900.12.14.Planck把“关于正常谱中能量分布