第21章电磁辐射量子性教案

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1、第二—章电磁辐射的量子性电磁辐射量子理论起始于普朗克的能量子假设。1900年，普朗克提出能量子假设，成功解释黑体辐射实验规律。1905年，爱因斯坦提出光子理论，对光电效应给予正确说明。1913年，玻尔提出定态、能级，量子化跃迁等概念,建立了玻尔的氢原子理论，解释了氢原子光谱实验规律。教学要求*了解普朗克假设及光量子概念*理解爱因斯坦光子理论,光的波粒二象性。用爱因斯坦关系式计算光子能量、动量、光强。*理解光电效应和康普顿效应实验规律，用光子理论作出解释和简单的计算。*理解氢原子光谱的实验规律及玻尔氢原子理论及计算,了解玻尔氢原子理论意义和局限性。教学内容（学时

2、：6学时）子假设§21-1黑体辐射□a普朗克能量§21-2爱因斯坦光子理论§21-3电磁辐射与物质相互作用时的量子效应§21-4玻尔的氢原子理论作业21-01)、21-03)、21-05)V21-08)v21-09)、21-10)、21-12)v21-14)v21-16)、21-19)、21-21)v21-23)v21-24)、21-25)、21-27)v22-01)、22-03)、22-05)、22-07)、22-09)、22-11)、22-13)v22-15)v22-17)v22-18)v第23、24、25、26章全部单数题目朗克能量子假设（由黑体辐射实验

3、引入普朗克能量子假设一能量量子化新思想）—热辐射任何一个物体，在任何温度下都要发射各种波长的电磁波，这是由构成物体的分子原子作热运动而产生的。这种辐射称为热辐射。不同物体在某一波长范围内发射和吸收电磁辐射的能力是不同的，需引入下面定义1有关物理量的定义*单色辐出度MqCO：特定温度T下，辐射体单位表面积上发射的入-入+d入波长区间内的辐射功率。在一定温度下辐射功率（辐射强度）MqCO随波长变化而变化，是波长入的函数。*辐出度m（t）：特定温度T下，辐射体单位面积上发射的各种波长辐射功率的总和。.OOM（T）=M九（T）"Jo*吸收比：外界辐射入射到物体，物体吸

4、收能量与入射能量的比值。*反射比：外界辐射入射到物体，物体反射能量与入射能量的比值。（吸收比和反射比都与温度厂和波长2有关）*单色吸收比。阿:入-入+d入波长范围内的吸收比。*单色反射比PE：入-入+d入波长范围内的反射比。（当—不透明的物体）色（卩）+P入（卩）=1——基尔霍夫定律对不同物体，它们的单色辐出度Mg以及单色吸收比有明显的差异。但是对各种物体，二者的比值却是一个与物体性质无关，仅取决于温度和波长的恒量，即:%（门二M?九（门"12（卩）（卩）=•••=“02(T)—热辐射的基尔霍夫定律讨论：（1）是一个对任何物体都相同11r;（2）如果物体是很好

5、的吸收体，则必是一个很好的辐射体;（3）黑体（理想模型）:nn能100%吸收外界辐射能量而不反射的物体（也⑺=1）nn黑体单色辐出度就是普适函数（这是研究热辐射的参照标准，热辐射研究的中心问题）（自然界不存在真正黑体，如黑色煤烟单色吸收比约为99%）nn二黑体辐射的规律1＞黑体模型--实验室以不透明材料做成空□a腔上开一个小孔，小孔表面可近似看成为黑体。2、黑体辐射一加热空腔，有电磁能量从小孔辐射出来，可看成是黑体辐射。3、黑体辐射实验曲线规律：1）实验方法:2）实验曲线（几种黑体辐射实验曲线反映黑体单色辐□Q出度随波长及温度的分布规律）^（1）温度越

6、高，辐射总功率越大。（2）随温度T增高，辐射强度分布由长波向短波方向移动。nn*黑体的辐出度必0（卩）：对单色辐出度(T)各波长积分(辐射谱中曲线面积)，得：OO0M0/t(T)cU体单位面积辐射总功率3)规律*斯特藩玻尔兹曼定律：□u黑体辐出度陆⑺与黑体温度卩“为正比，即：M°(T)=al4常量斯特藩常(21-1)式中:(7=5.67xlO_8W/m2-k4量*维恩位移定律：黑体辐射最强时的波长九与温度丁的乘积为常量，即：(21-2)式中：常量b=2.897x10"m•k—维恩常量讨论：（1）二实验定律描述的黑体辐射规律与一般物体热辐射特征一致O（2）单色吸

7、收比色⑺接近于1的灰体可近似采用上述黑体公式。例如：实验测得太阳=480nm,将其近似为黑体,由维恩位移定律可得太阳表面温度约6000Ko（现代高温测量、遥感技术、红外跟踪等以热辐射理论为基础而快速发展）=1三经典理论的困难（按经典物理物体原子分子都在平衡位置附近振动一带电谐振子连续地向外辐射电磁波，与实验事实不符）onn*图中实线为黑体辐射实验曲线。*维恩公式（略）曲线在短波部份与实验符合较好,但在长波部分却系统偏差（虚线1）O*瑞利一金斯公式（略）曲线在长波部份与实验符合较好,但在短波部分却呈现发散，逐渐趋于无穷大（虚线2）o普朗克能量子假设（1900年）

8、“紫外灾难”K普朗克假设:空腔壁中带电