2-1拨开黑体辐射的疑云

2-1、拨开黑体辐射的疑云到19世纪末，经典物理学经历300年的发展，已达到完善、成熟的阶段。不少物理学家都认为：辉煌的物理学大厦已经建成，剩下的只是进一步精细化的工作，如在一些细节上作些补充和修正，使各个物理学常量测得更精确一些，但这时，物理学晴朗的天空中飘着的两朵“乌云”影响了物理学家们的好心情。第一朵与以太的零漂移实验有关，相对论对此作出了圆满的回答。第二朵“乌云”是什么？物理学家又是怎样拨开它的呢？1900年英国物理学家开尔文在瞻望20世纪物理学的发展的文章中说到：“在已经基本建成的科学大厦中，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。”--开尔文--也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点后面在加几位罢了！开尔文还讲到：“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，----”这两朵乌云是指什么呢？热辐射实验迈克尔逊-莫雷实验后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。相对论问世普朗克量子力学的诞生思考与讨论在火炉旁边有什么感觉?投在炉中的铁块开始是什么颜色?过一会是什么颜色?物体在任何温度下，都会发射电磁波。温度不同，所发射的电磁波的频率、强度也不同。物理学中把这种现象叫做热辐射。辐射的能量及其按波长的分布都随温度而变化。一、热辐射2.对热辐射的初步认识任何物体任何温度均存在热辐射温度发射的能量电磁波的短波成分如一个20瓦的白炽灯和一个200瓦的白炽灯昏黄色贼亮刺眼直觉: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注意：热辐射与温度有关激光日光灯发光不是热辐射“冷”的物体也有热辐射，但强度低，且辐射波段主要在红外区。利用红外摄像仪可以捕捉到这种辐射的信息。头部各部分温度不同，因此它们的热辐射存在差异，这种差异可通过热象仪转换成可见光图象。重要应用：红外传感温度仪、夜视仪（军事、侦察）、报警器、卫星遥感仪、导弹寻踪传感仪…头部热辐射像例如：加热铁块。开始，铁块看不出发光，随着温度的升高，铁块开始呈现暗红色，逐步变为橙色，最后展现出黄白色。K800K1000K1200K1400固体在温度升高时颜色的变化对固体材料加热，随着温度上升，辐射能量上升，辐射中波长短的成分上升。热辐射解释：大量带电粒子的无规则热运动引起的。物体中每个分子、原子或离子都在各自平衡位置附近以各种不同频率作无规则的微振动，每个带电微粒的振动都会产生变化的电磁场，从而向外辐射各种波长的电磁波，形成连续的电磁波谱。1、黑体：如果某种物体能够完全吸收投射到其表面的电磁波而不产生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。二、黑体与黑体辐射黑体是理想化模型。2、黑体平衡热辐射：加热一黑体，黑体所吸收的能量等于在同一时间内向外辐射的能量，这样的辐射称为黑体平衡热辐射。平衡热辐射时黑体，温度恒定。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达到某一温度，平衡时会放出热辐射。通过透镜、棱镜折射可得到黑体辐射的不同方向不同波长。通过采集装置可得到黑体的不同波长对对应辐射能量的本领。实验装置采集装置T平行光管三棱镜T加热0123456λ(μm)),(0Te4.实验结果及经验结论：1.温度升高，黑体辐射各种波长的本领增强2.温度升高，黑体辐射本领最大值向短波移动5.理论解释实验值瑞利--金斯线o/μm)(0TM维恩线12345678经典物理学所遇到的困难——解释实验曲线1）维恩的半经验公式：Tc5102ec)T(M公式适合于短波波段，长波波段与实验偏离。402ckTTM公式只适用于长波段,而在紫外区与实验不符,----“紫外灾难”2）瑞利----金斯公式玻尔兹曼常数k=1.38065810-23J/K),(0TM实验瑞利-琼斯线维恩线T=1646k“紫外灾难”维恩公式在短波区与实验非常接近，在长波区与实验偏离很大；瑞利公式在长波区与实验严重不符，不但不符，而且当波长趋于零时，辐射竞变成无穷大，这显然是荒谬的，由于长波很小的辐射处在紫外线波段，故而由理论得出的这种荒谬结果被认为是物理学理论的灾难，当时称为“紫外灾难”。普朗克的能量子假说与黑体辐射公式黑体空腔壁的分子可看作振子，振子的能量是不连续的能量只能是=h的整数倍:2.振子辐射或吸收能量时，交换能量的最小单位是=hnhE注：1）=h能量子简称量子，能量的最小单位h=6.6310-34焦耳·秒-普朗克常数；振子频率Ｈｚn=1,2,3...2）振子能量四、普朗克假设驱“乌云”1.能量子假说：nhE3.黑体辐射公式1900.12.14普朗克在德国物理学会会议上提出一个黑体辐射公式1π2)(/32kThechTMsJ1063.634h普朗克公式图像与实验事实高度吻合),(0TM实验瑞利-金斯线维恩线T=1646k能量子很小，宏观世界一般观测不到能量子效应，可以认为能量是连续的。因此，经典物理学可以很好的解释宏观现象的运动。但当研究原子一下的微观世界，就必须考虑能量量子化。能量经典量子注意：普朗克的能量子假说使人类认识微观世界的本质有了全新的认识，对现代物理学的发展产生了革命性的影响。普朗克常量是自然界最基本的常量之一，体现了微观世界的基本特征。1918年普朗克因此获诺贝尔奖。他的墓碑上也刻着h=6.6310-34焦耳·秒普朗克贡献：普朗克这一思想是完全背离经典物理，并受到当时许多人的怀疑和反对，包括当时的物理学泰斗---洛仑兹。乃至当时普朗克自已也想以某种方式来消除nhEn这一关系式。它写道：“我试图将h纳入经典理论的范围，但一切这样的尝试都失败了，这个量非常顽固后来他又说：“在好几年内我花费了很大的劳动，徒劳地去尝试如何将作用量子引入到经典理论中去。我的一些同事把这看成是悲剧。但我有自已的看法，因为我从这种深入剖析中获得了极大的好处，起初我只是倾向于认为，而现在是确切地知道作用量子将在物理中发挥出巨大作用”。事实上正是这一理论导致了量子力学的诞生，普朗克也成为了量子力学的开山鼻祖，1918年因此而获得诺贝尔奖。