《黑体辐射》PPT课件

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1、第十五章量子光学第十五章量子光学*在量子概念的提出中起关键性作用的物理效应黑体辐射(Black-bodyradiation)光电效应（photoelectriceffect）康普顿效应（Comptoneffect）一、热辐射（heatradiation）实验表明：一切物体均以电磁波的形式向外辐射能量。1、热辐射：能量的辐射与温度有关。§15-1黑体辐射热辐射的特点：①消耗物体的内能而实现电磁波的辐射；②固体和液体在任何温度下都可以进行热辐射；③单位时间内辐射的能量与波长、温度以及物体的性质有关；④

2、热辐射的电磁波是连续的。例：金属在熔炼过程中；碳在燃烧过程中温度低于800k时，辐射能量分布在红外长波区域。高于800k时，辐射能量增加，并向短波方向变化，逐渐进入到可见光区域。黑体辐射属于热辐射问题中的一部分。可见光只是辐射电磁波中很窄的一部分。平衡热辐射:辐射和吸收的能量恰好相等时，物体和辐射场就处于温度一定的平衡态，平衡态下的辐射称为平衡热辐射。一个好的辐射体也是一个好的吸收体3、单色辐出度：2、辐出度：单位时间、单位表面积上所辐射出的，在波长附近单位波长间隔中的能量。此时辐射辐出度与单色辐

3、出度的关系为：为了描述物体热辐射的规律引入辐出度和单色辐出度单位时间、单位表面积上所辐射出的各种波长的辐射总能量，用表示。二、黑体的辐射定律物体与物体之间存在辐射场，物体不仅能辐射电磁波，同时也能吸收照射到它表面的电磁波。当吸收能量和反射能量相等时，达到平衡。物体和辐射场处于同一温度，这时物体和辐射场所处的状态称为平衡态。吸收比反（辐）射比对于非透明物体（1）、物体的吸收与反射实验表明：不同的材料，辐射能力和吸收能力不同。辐射能力强的物体吸收能力也强。普适函数在热平衡下，任何物体的单色辐出度与吸收

4、比之比应相同，是一个与材料和形状无关，仅与波长和温度有关的普适函数。可见，若某种物体的例不同材料、不同温度的物体A1A2A3A1A2A3经过长时间后，达到热平衡，温度相同。A1A2A3称该种物体为绝对黑体，简称黑体对于黑体即黑体的单色辐出度，就是所要寻找的普适函数。用不透明材料制成的一空心容器，壁上开一小孔，可看成黑体。(2)黑体:能在任何温度下完全吸收辐射在它表面上的电磁波的物体。称为绝对黑体，简称黑体。小孔表面也向外辐射能量，因为空腔内壁每一点都可以作为次波源发出电磁波，由于电磁波的传播和反射

5、，会形成电磁驻波，其能量从小孔逸出，就形成黑体辐射。例如：a、窑炉开的小孔;b、高楼上的窗口。研究黑体辐射的目的就是为了找出黑体的单色辐出度，找出普适函数。在平衡态下，黑体辐射的能量仅是温度和波长的函数，利用分光技术可测出一定温度下的单色辐出度的曲线。（3）、黑体热辐射的规律实验装置绝对黑体单色辐出度按波长分布实验在一定温度下，黑体的单色辐出度e0(λ,T)，仅是波长的函数，根据测量数据，可绘出单色辐出度e0(λ,T)与波长的变化曲线。黑体辐射谱分析仪黑体的辐出度1700k1500k1300k实验

6、发现：当黑体的温度升高时，单色辐出度最大值所对应的波长m向短波方向移动。数值上等于曲线下的面积定量分析实验曲线，得到两条实验规律：m维恩位移定律斯忒藩玻耳兹曼定律a、维恩位移定律在平衡态下黑体辐射单色辐出度的最大值所对应的波长与温度之积是一常数。称为维恩位移定律常数1700k1500k1300kmb、斯忒藩(Stefan)-玻耳兹曼定律Stefan根据实验得称为斯忒藩-玻耳兹曼常数以上两定律的应用（1）炉温的测量。（2）地球辐射的电磁波、太阳温度的测量（3）遥感的利用：进行资源、植被、

7、地质等的测量例15-1由测量得到太阳辐射谱的峰值处在，计算太阳的表面温度和单位表面积上所辐射的功率；如太阳的辐射是常数，其直径，求太阳在一年内由于辐射而损失的质量。解：将太阳看作黑体由得太阳的表面温度例：地球的表面温度约为300k，算得λm约为10μm。处在红外波段。由于红外线不被大气所吸收，所以利用遥感技术可对地球的表面进行遥测，分析植被、地质等信息。太阳单位表面积上所辐射的功率即太阳辐出度一年内辐射的能量由得太阳的质量黑体辐射的理论研究涉及热力学、统计物理学和电磁学，因而成为19世纪末物理学家

8、研究的中心问题之一。三、经典物理遇到的困难许多物理学家都企图从经典理论导出黑体的单色辐出度的理论公式，但始终得不到满意的结果。比较著名的成果有（1）维恩根据经典热力学得出：实验曲线维恩理论值在短波区域与实验值符合得很好维恩理论曲线（2）瑞利和金斯用能量均分定理和电磁理论得出：只适于长波，趋于短波时偏离较大。瑞利-金斯曲线维恩曲线实验曲线T=1646k有所谓的“紫外灾难”之说。德国物理学家普朗克为了解决上述问题，通过分析和深入研究发现问题所在，经典理论不适用于原子性的微观振动。普朗克