§2 光的量子性1

《§2 光的量子性1》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、§2光的量子性到了19世纪末，经典物理理论已取得了很大的成就。因此，1900年著名的英国物理学家开尔文在一篇瞻望二十世纪物理学的文章中所说：“在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了，”接下去又说“在物理晴朗天空的远处，还有两朵小小的令人不安的乌云”这两朵乌云中的一朵，就是物理学家们在研究黑体辐射【电磁波（光）与物质的相互作用，即物体在吸收或辐射电磁（光）波的过程】时发现：严格按经典理论推导的结果却与实验事实不符，即所谓的“紫外灾难。”另一朵乌云是证明光速不随参照系而变的

2、“迈克逊—莫雷实验”它导致了相对论的发现。“紫外灾难”现象，以及以后的光电效应；原子光谱。被列为揭开量子物理序幕的三件大事。首先驱散这朵“乌云”而开创了物理学中一场深刻革命的是普朗克，他在1900年用能量量子化假设（即量子论），成功的解释了热辐射现象。在此基础上，1905年爱因斯坦用光量子概念解决了经典理论与光电效应的矛盾。1913年玻尔又提出了原子结构的定态理论，解释了氢原子光谱。他们的成功，为量子物理的创立和发展奠定了基础，使人们逐渐认识到光波（电磁波）不仅具有波动性，也具有粒子性；而且电子等微观

3、粒子不仅具有粒子性，而且也具有波动性，即：“一切微观粒子都具有波粒二象性”。一、黑体辐射1、热辐射（1）热辐射—任何固体或液体，在任何温度下都能向外发射电磁波。在温度较低的热物体主要辐射红外线（长波长）。温度较高的热物体可以发射可见光，紫外线等。这种由其温度所决定的电磁辐射称之热辐射。（2）热辐射的特点：（a）热辐射的光谱是连续光谱，并且辐射谱的性质与温度有关。同一物体所辐射的能量随温度而异，高温时的热辐射比低温时要强些。特别要指出的是，辐射中含有多种波长的电磁波，但各波长成份的辐射量并不相同，能量按

4、频率的分布也随温度而异；温度越高，短波区电磁波所贡献的能量越多。光谱中与能量最大的辐射相对应的频率也越高。0例如，在室温下，大多数物体辐射不可见的红外光，但如果把一个物体加热到500C左右，物体开始0发出暗红色的可见光；随着温度的不断上升，辉光逐渐亮起来，而且波长较短的辐射越来越多，大约在1500C时，就变成明亮的白炽光。（b）热辐射与物体有关。在一定温度下，不同物体所辐射的能量，光谱成分有显著的不同，例如，将0钢加热到约800C时，就可观到明亮的红射光，但在同一温度下，熔化的水晶却不辐射可见光。并

5、与物体表面形状（颜色，光洁度等）有关。（3）发射本领（E）和吸收本领（A）vT,vT,（a）发射本领（E）：在单位时间内从物体单位面积向各个方向所发射的，频率在v和范围内的vT,dT辐射能量d与的比值，即：E（1）,Tdv即发射本领的物理意义是指：从物体表面单位面积发出的，频率在附近的单位频率间隔内的辐射功率。（b）吸收本领(A)：频率在和vvd范围内照射到温度为T的物体的单位面积上的辐射通量d与vT,e物体所吸收的辐射通量d的比值，叫做该物体的吸收本领。aAdd

6、/（2）,Tae（4）基尔霍夫定律——E和A的关系vT,vT,（a）实验：如图1.1将温度不同的物体p,p,p放在一个密闭的理想绝热的真空容器中，则物体123和容器之间以及物体与物体之间只能通过辐射和吸收来交换能量。当达到热平衡时，物体的温度不再变化，说明各物体在单位时间内发出的能量恰等于吸收的能量。即：吸收=辐射。由此可见，在热平衡辐射时的实验表明，物体的辐射本领越大，其吸收本领也越大，反之亦然。p1（b）基尔霍夫定律p1859年，基尔霍夫根据热平衡原理得出了发射本领E和吸收本领A3pvT,vT,

7、2的关系：物体的发射本领E和吸收本领A的比值与物体的性质无关，而vT,vT,图2.1只是频率和温度vT的普适函数，即：E,Tf(,T)（3）A,T（c）意义：物理学家总是喜欢从千差万别中找出共性的规律。虽然E和A都与物体的性质有关，但vT,vT,基尔霍夫指出了它们的共性，即E与A的比值对一切物体都一样，与物体的性质无关，而只是频率vT,vT,和温度T的普适函数，即(3)式。于是人们自然对这样一个问题感兴趣。很想知道这个普适函数f(,vT)的具体形式。问题是怎么知道？，困难在哪里？3、黑体辐射

8、倘若有一物体，它对所有波长的吸收率都等于1，来考察它发出各个波长的发射本领E的规律。则vT,这个规律也即是f(,)vT。这样的理想物体就叫“绝对黑体”。（a）黑体：若一个物体能够全部吸收投射于它的各种波长的电磁辐射而无反射和透射，这种物体就称为绝对黑体，简称黑体。（b）黑体的实现事实上当然不存在“绝对的黑体”，但在实验室中，人们常用不透明材料制成带小孔的空腔（如图2.2），可近似的作为黑体模型。从小孔S中射入电磁波经多次吸收和反射，只有极小一部分能量有机