光的量子性黑体辐射

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1、第十九章量子物理从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题的提出引言提纲物理学的分支及近年来发展的总趋势§19-1、黑体辐射普朗克能量子假说热辐射斯忒藩Stefan)-玻耳兹曼定律维恩位移定律绝对黑体的热辐射规律经典物理遇到的困难普朗克能量子假说§19-2光电效应光的波粒二象性光电效应的实验规律及经典理论的困难爱因斯坦的光子学说光子的能量、动量和质量（下一页）引言：从经典物理到现代物理概述物理学的分支及近年来发展的总趋势物理学经典物理现代物理力学热学电磁学光学相对论量子论非线性时间t关键概念的发展力学电磁学热学相对论

2、量子论1600170018001900第19章量子力学基础（下一页）近年来的发展：★粒子物理高能加速器产生新粒子，已发现300种。麦克斯韦理论、狄拉克量子电动力学、重整化方法。★天体物理运用物理学实验方法和理论,对宇宙各种星球进行==观测和研究，从而得出相应的天文规律的学科。应用经典、==量子、广义相对论、等离子体物理和粒子物理。*太阳中微子短缺问题*引力波存在的问题*物体的速度能否超过光速的问题★生物物理有机体遗传程序的研究*有机体遗传程序的研究（须运用量子力学、统计物理、==X射线、电子能谱和核磁共振技术等）。*非平衡热力学及统计物理（下一页）物

3、理学发展的总趋向：★学科之间的大综合。★相互渗透结合成边缘学科。例如：生物物理、生物化学、物理化学、量子化学、======量子电子学、量子统计力学、固体量子论。二十世纪物理学中两个重要的概念：场和对称性从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题的提出光电效应康普顿效应。黑体辐射问题，即所谓“紫外灾难”。原子的稳定性和大小。（下一页）热辐射19-1热辐射普朗克量子假设平衡热辐射发射电磁辐射能量吸收电磁辐射能量相等一、黑体、黑体辐射（下一页）实验表明：一切物体在任何温度下都以电磁波的形式向外辐射能量。辐射的能量与温度有关，∴称之为热辐射。

4、辐射和吸收的能量相等时称为热平衡。此时物体具有稳定温度如果一个物体能全部吸收投射在它上面的辐射而无反射，这种物体称为绝对黑体，简称黑体。绝对黑体——一个理想模型绝对黑体实例?空腔（下一页）用不透明材料制成一空心容器，壁上开一小孔，该小孔可看成绝对黑体绝对黑体的辐出度二绝对黑体的辐射定律T绝对黑体实验装置绝对黑体单色辐出度按波长分布实验T平行光管绝对黑体实验装置二绝对黑体的辐射定律绝对黑体单色辐出度按波长分布实验实验装置T平行光管绝对黑体三棱镜二绝对黑体的辐射定律绝对黑体单色辐出度按波长分布实验实验装置T热电偶平行光管绝对黑体三棱镜二绝对黑体的辐射定律

5、绝对黑体单色辐出度按波长分布实验物体单位表面积发射的各种波长的总辐射功率（1）辐射出射度如果从物体表面单位面积上发出的，波长在为单色辐出度，即：,称比值dλλλ+的辐射功率为和物体尤其是表面粗糙度有关辐射出射度，简称辐出度（下一页）单色吸收比绝对黑体及其热辐射规律在任意温度下对任何波长的电磁波吸收比恒为1的物体称为绝对黑体。——也是一个理想模型。M0(T)对任何物体与任何表面都相同。基尔霍夫定律绝对黑体的单色辐出度M0(,T)就是这一普适函数如何找到这个普适函数？好的吸收体同时也是好的辐射体。（下一页）绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线0123

6、456λ(μm)1100K绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线0123456λ(μm)1300K1100K绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线0123456λ(μm)1500K1300K1100K绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线0123456λ(μm)1700K1500K1300K1100K由实验及理论都可以得到斯忒藩—玻尔兹曼定律（2）斯忒藩（Stefan)——玻尔兹曼定律~λ曲线下的面积等于绝对黑体在一定温度下的辐射出射度即：斯忒藩常数（下一页）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，单色辐出度最大值向短波方向移动。（3）维恩（Wi

7、en)位移定律最大值所对应的波长为峰值波长λ（下一页）1400K物体辐射总能量及能量按波长分布决定于温度800K1000K1200K固体在温度升高时颜色的变化例子：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。炉火纯青例1测得太阳辐射谱的峰值在490nm处。试估计太阳表面的温度、辐出度和地球接收到的总辐射能。解将太阳视为黑体，由维恩位移定律，得：由斯忒藩-玻耳兹曼定律有：太阳辐射的总功率为：d地球接收到的总辐射能为：（下一页）例2假设恒星表面的特性和黑体等效，测得天狼星表面单色辐出度的最大值所对应的波长

8、为257nm（该波长属紫外区域，所以天狼星呈紫色）。试估计天狼星表面的温度和单位面积上的辐射功率解：（下一页