19 光的量子性

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1、第十九章光的量子性一、热辐射研究的动因19世纪末，城市照明提到日程上来了，不管是气体照明还是电力照明都有一个效率问题，寻求效率最高最经济的适用的照明方式是企业家面临的丞待解决的问题，这就给物理学家提出了一系列新课题。天体测温的需要，从光谱强度的分布推断天体（or星体）的表面温度是可能的，因而有必要对温度和光谱能量分布的规律进行详尽的研究。§1黑体辐射(black-bodyradiation)从物理本身来看，maxwell电磁理论建立后，1887年证实电磁波与光的同一性，在这以后人们开始转向系统地探索电磁波谱，寻求新的辐射，其中之一就是热辐射，而

2、检测电磁波的重要手段正是利用热效应，热辐射就因此得到了迅速发展。从纯粹理论研究来看，热辐射也很吸引理论物理家的注意，黑体辐射与物体本身的性质无关，为热力学提供了用武之地！工业技术上高温测量日益发展，钢铁工艺监视炉温用到光测高温计，其原理就是利用发射光谱强度分布随温度变化的性质，机械工业的淬火、退火工艺要测温度，玻璃、陶瓷、化学都与高温测量有联系，这些工业部门到了19世纪世纪末，资本主义发达国家都日益盛行或有进行技术改进的需要，这刺激科学家研究热辐射。任何固体或液体在任何温度下都向外辐射电磁波。1400K由于物体辐射总能量及能量按波长分布都决定于

3、温度所以称为热辐射(thermalradiation)800K1000K1200K固体在温度升高时颜色的变化二、热辐射基尔霍夫定律绝对黑体1、热辐射现象色温！如果从物体表面单位面积上发出的，波长在为单色发射本领，即：物体单位表面积发射的各种波长的总辐射功率MT()和物体种类（尤其是表面粗糙度）有关lllMMTdd()=总发射本领：MT()，称比值λdMλddλλλ+λdM的辐射功率为单色发射本领：2、热辐射规律——发射本领反射比反射能量入射总能量=吸收比吸收能量入射总能量=显然alrl(,)(,)TT+=1辐射能的单色吸收比λal(,)Tλdλ

4、+辐射能的单色反射比λrl(,)Tλdλ+3、吸收比(absorptance)、反射比(reflectance)对于任何温度、任何波长吸收比始终等于1的物体BTal(,)=1显然，绝对黑体的单色吸收比等于1，即：绝对黑体模型绝对黑体三、绝对黑体窗户、煤四、基尔霍夫定律1869年基尔霍夫发现，对于所有物体(包括绝对黑体)单色发射本领与单色吸收比之比值为一常量，即：对于黑体所以BlT(,)a=1aMllTT()(,)=MlT()BaM11lalMTT()(,)==B恒量=22llTT()(,)aMllTT()(,)B...=研究绝对黑体辐射其意义就

5、非常大！理解基尔霍夫定律的假想实验真空容器内处于热平衡状态温度为T因为温度不变，所以每个物体吸收辐射能应等于它发射的辐射能。吸收本领大的物体也是辐射本领大的物体所以各物体发射本领和吸收比之比为一常量。黑体B2A1A3A基尔霍夫定律：任何物体的单色发射本领和单色吸收比之比，等于同一温度绝对黑体的单色发射本领。五、绝对黑体的辐射定律实验装置热电偶平行光管绝对黑体T三棱镜1、绝对黑体单色辐射度按波长分布实验绝对黑体的单色辐射度按波长分布曲线MBλ（T）0123456λ(μm)1100K绝对黑体的单色辐射度按波长分布曲线MBλ（T）0123456λ(μ

6、m)1300K1100K绝对黑体的单色辐射度按波长分布曲线MBλ（T）0123456λ(μm)1500K1300K1100K绝对黑体的单色辐射度按波长分布曲线MBλ（T）0123456λ(μm)1700K1500K1300K1100K曲线下的面积等于绝对黑体在一定温度下的发射本领即：由实验及理论都可以得到斯忒藩—玻尔兹曼定律：BMTT()=s4λλB()TM~B()TM2、斯忒藩（Stefan)——玻尔兹曼定律σ=5.67×10-8w/m2·k4MBλ（T）最大值所对应的波长为λm维恩位移定律:维恩位移定律指出，当绝对黑体的温度升高时，单色发射

7、本领最大值向短波方向移动。例子：低温火炉辐射能集中在红光。高温物体辐射能集中在蓝、绿色。应用：光测高温计，测量发电厂炉内温度。Tλmb=λλmMBλ（T）3、维恩（Wien)位移定律lBCTMCeTlll(,)=-253六、普朗克的量子假说普郎克公式BMfTll=(,)?瑞利--金斯经验公式：维恩经验公式：问题：如何从理论上找到符合实验的函数式紫外灾难！oλ(μm)123568947MBλ维恩瑞利--金斯实验值紫外灾难oλ(μm)123568947MBλ维恩瑞利--金斯实验值紫外灾难问题：如何从理论上寻找符合实验曲线的函数式BMfTll=(,)

8、?普朗克量子假说能量子假说：辐射物质中具有带电的线性谐振子，它和周围电磁场交换能量。这些谐振子只能处于某种特殊的状态，它的能量取值只能为某一最小能量ε