-第十一章：量子物理

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1、*第十一章:量子物理教学要求1.了解黑体辐射的实验规律和普朗克能量了假设。2.理解爱因斯坦的光子理论及其对光电效应和康普顿效应的解释，理解光的波粒二象性。3.了解德布罗意物质波的假设及电了衍射实验。4.理解描述物质波波动性的物理量（波长、频率）与其粒子性的物理量（动量、能量）Z间的关系。5.了解波函数的概念及•其统计解释。了解一维坐标动量的不确定关系。6.了解激光的主要特征及其应用。教学重点：重点是光和粒子的波——粒二象性。教学难点：难点是对微观粒子行为的认识和描述，如量子化概念，不确定关系，波函数

2、及其统计解释等。物理思想：量子力学指出经典物理学在微观领域的局限性，教学方法：讲授教学内容：§11-1黑体辐射普朗克量子假设一、热辐射现象1、热辐射：实验发现，凝聚态物质（固体、液体）在任何温度下都会不断地向空间发射电磁波。在常温下物体单位时间内发射出去的电磁波能量较少，月•辐射能分布在电磁谱的红外区域，随着温度升高，辐射的能量增加，辐射能波长也向短波区移动•例如，碳在700K时发出暗红色的可见光，随着温度升高，颜色逐渐变为赤红、黄白、蓝白等•物体在任一温度下都向四周发射着不同波长的电磁波，伴随着电

3、磁波的传播而辐射出去的能量，称为辐射能。这种与温度有关的电磁辐射现象叫做热辐射或温度辐射.热辐射是传递热量的一种方式，以光速传播，既不靠介质，也不靠对流。2、辐射出射度：物体向外发出热辐射的同时，也吸收來门周围物体的热辐射，当发射和吸收的辐射能相等时，称为平衡热辐射。这时，它具冇一个确定的温度。可用温度T來描述.在温度为T的平衡热辐射状态下，物体吸收能量的本领越人，则辐射本领也越大，为了描述物体辐射能量按波长分布的规律,定义：在一定温度下，单位时间内从物体表而单位而积上，所辐射的波长从2到2+区间内

4、的辐射能dM(T)与波长间隔d/l的比值，为单色辐射出射度，简称单色辐出度，用Ma(T)表示，即：Ma(T)=dMz单色辐射出射度随着辐射波长久变化,与温度T成正比，与物体的材料、表面状况(如颜色、粗糙程度)有关，在SI中单位是W!m在一定温度下，单位时间内从物体表面单位面积上所辐射的各种波长的总辐射能，称为辐射出射度，简称辐出度，记作M(T)即：M(T)=^MA(T)dA(11—2)在S1屮，辐出度的单位是W/m2.3、绝对黑体：实验发现，物体对照射到其表面的电磁波并非完全吸收，而是部分反射,也

5、有部分从物体透射出去。物体吸收的能量与总照射的能量之比，称为物体的吸收系数，它与温度和波长有关。在温度为T时，物体对待定波长的吸收系数称为单色吸收系数，用&仇,门表示。对于一般物体，a^,T)总是小于1。如果一个物体能够全部吸收照射到其表面的各种波长的辐射能，这种物体称为绝对黑体，简称黑体。黑休的吸收系数4(入门二1。显然，在相同温度下，黑休的吸收本领最大，辐射本领也最大。4、基尔霍夫定律：不同物体的辐出度和吸收系数可能存在很大差异，但两者之间却有着内在的联系。1859年德国物理学家基尔霍夫(Kir

6、chhoff,1824-1887)指出，各种不同的物体，在同一温度下达到热平衡时，物体对任一波长的单色辐出度Ah(T)与吸收系数tz(/l,T)的比值与物体本身的性质有关，对所有物体，这一比值相等，是波长和温度的普适函数。凶黑体的吸收系数等于b所以这一比值等于黑体的单色辐出度，即(11—3)上式被称为基尔霍夫定律。二、黑体辐射定律图11—1黑体模型1、黑体模型：从基尔霍夫定律可知,如果知道了黑体的辐出度，就能知道任何物体的热辐射性质。因此，对黑体辐射的理论探索是热辐射研究中最重要的课题。但是绝对黑体

7、是一个理想模型，在口然界屮并不存在，即使是煤烟、黑色珪琅质对太阳的吸收系数也不超过0.99,因而称为灰体。在实验室里可用不透明材料制成带冇小孔的等温空腔作为研究黑体的模型。如图11—1所示，从小孔入射的电磁波，在空腔内壁上经过多次吸收和反射,很难再从小孔中逸出。因此在空腔上的小孔就相当于绝对黑体的表面，小孔的吸收系数与黑体等效，小孔的辐出度也与黑体等效。日常生活屮你会发现，远处楼房的窗口，在晴朗的口天显得特别幽暗，这就非常类似于黑体，光线进入窗口后,在室内经过多次反射和吸收，很少有光线再能从窗口射出

8、。2、斯特藩一玻耳兹曼定律:利用上述黑体模型，可以用实验方法测岀绝对黑休的单色辐出度。改变空腔的温度,相应测出小孔辐射出的按波长分布仏(D/(10・W・E・“m)其中，b=5.67xl()YW“-2.k",称为斯特藩一玻耳兹曼常量。这一结论称为斯特藩一玻耳兹曼定律。3、维恩位移定律：从M%(T)的分布曲线中看岀，每一条曲线都冇一个极大值，对应的峰值波长九随着温度的升高，向着短波方向移动，同时各种波长的单色辐出度都随着温度升高而增大，此外，在2很小和很大吋，M触(门都趋