大学物理【第五版下册】第十五章量子物理.ppt

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1、第十五章量子物理15--1黑体辐射普朗克能量子假设量子物理引言到十九世纪末期，物理学各个分支的发展都已日臻完善，并不断取得新的成就。首先在牛顿力学基础上，哈密顿和拉格朗日等人建立起来的分析力学，几乎达到无懈可击的地步，特别是十九世纪中期，海王星的发现充分表明了牛顿力学是完美无缺的。其次，通过克劳修斯、玻耳兹曼和吉布斯等人的巨大努力，建立了体系完整而又严密的热力学和统计力学，并且应用越来越广泛。由安培、法拉第和麦克斯韦等人对电磁现象进行的深入而系统的研究，为电动力学奠定了坚实的基础，特别是由麦克斯韦的电磁场方程组预言了电磁波的存在，随即被赫兹的实验

2、所证实。后来又把牛顿、惠更斯和菲涅耳所建立的光学也纳入了电动力学的范畴，更是一项辉煌的成就。因此当时许多著名的物理学家都认为物理学的基本规律都已被发现，今后的任务只是把物理学的基本规律应用到各种具体问题上，并用来说明各种新的实验事实而已。就连当时赫赫有名对物理学各方面都做出过重要贡献的权威人物开耳文勋爵在一篇于1900年发表的瞻望二十世纪物理学发展的文章中也说：“在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只需要做一些零星的修补工作就行了”，不过他还不愧为一名确有远见卓识的物理学家，因为他接着又指出：“但是在物理晴朗天空的远处，还有两朵小小令人不安的

3、乌云”，即运用当时的物理学理论所无法正确解释的两个实验现象，一个是热辐射现象中的紫外灾难，另一个是否定绝对时空观的迈克尔逊--莫雷实验，正是这两朵小小的乌云，冲破了经典物理学的束缚，打消了当时绝大多数物理学家的盲目乐观情绪，为后来建立近代物理学的理论基础作出了贡献。事实上还有第三朵小小的乌云，这就是放射性现象的发现，它有力地表明了原子不是构成物质的基本单元，原子也是可以分割的。所有这些实验结果都是经典物理学无法解释的，它们使经典物理处于十分困难境地，为摆脱这种困境，有一些思想敏锐而又不受旧观念束缚的物理学家纷纷重新思考研究，在二十世纪初期，建立起

4、了近代物理的两大支柱------量子论和相对论，并在这个基础上又建立起以研究原子的结构、性质及其运动规律为目的的原子物理学，后来又进一步发展，相继建立起原子核物理学和基本粒子物理学，这些内容统称为量子物理学。量子概念是1900年普朗克首先提出的，距今已有一百多年的历史.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.量子力学宏观领域经典力学现代物理的理论基础量子力学相对论量子力学微观世界的理论起源于对波粒二相性的认识一、几个概念任何物体在任何温度下都要发

5、射各种波长的电磁波，这种由于物质中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象为热辐射。固体、液体在任何温度下都要辐射电磁波。注意①.深色物体比浅色物体吸收和发射电磁波能力大。1.什么是热辐射描写物体辐射本领的物理量。类似于波强。②.物体在某个频率范围内发射电磁波能力越大，则它吸收该频率范围内电磁波能力也越大。2.单色辐出度表示在一定温度T下，单位时间内从物体表面单位面积上波长在附近单位波长间隔内辐射出的能量。3.辐出度描写物体在温度T时向外辐射能量本领的物理量。表示在温度T时单位时间内、单位面积整个波长范围内的辐射出能量。已知物体在T时各种波长的

6、单色辐出度，可求出温度为T时单位时间单位面积的总辐射能量。二、黑体辐射物体具有向四周辐射能量的本领，又有吸收外界辐射来的能量，一般物体只能将一部分能量吸收另一部分反射出去。1.什么是黑体能够吸收外来一切电磁波辐射而毫无反射的物体，黑体只是一种理想的模型。碳黑可近似看作黑体。灰体、透明体。实验表明辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强.黑体能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射的物体称为黑体.（黑体是理想模型）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2.黑体的辐射分布实验中将开有小孔的空腔视为黑体，如使空腔恒温，测量从小孔中辐

7、射出来的各种波长范围的单色辐出能与波长之间的关系。三、斯特藩-玻耳兹曼定律、维恩位移定律1.斯特藩-玻耳兹曼定律①.特点：单色辐出度M(T)是温度T的函数，与黑体材料无关。黑体辐出度M(T)与绝对温度的四次方成正比。②.斯特藩-玻耳兹曼定律斯特藩常量随黑体温度升高曲线峰值所对应的波长短波方向移动。维恩位移定律是从经典热力学得到的，这个公式在短波部分与实验曲线符合比较好，由此1911年获诺贝尔物理学奖。2.维恩位移定律后来知道这个公式只适于短波部分，在长波部分相差较大。瑞利-金斯按照经典电磁场理论和经典统计物理进行计算，波长从到+d辐射能

8、量四、黑体辐射的瑞利-金斯公式经典物理遇到的困难瑞利-金斯公式在长波部分符合得较好，瑞利金斯线维恩线实验曲线当波长变短，辐出度趋于无穷大