第21章电磁辐射的量子理论

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1、一、热辐射§21.1黑体辐射普朗克量子假设热辐射thermalradiation一般物体在任何温度下都会向外辐射电磁能量。一定时间内物体辐射能量的多少、辐射能量按波长的分布都与温度有关。与温度有关的辐射称为热辐射。热吸收thermalabsorption热辐射的反过程称为热吸收。一般物体在任何温度下向外辐射电磁波的同时，还吸收和反射电磁波。当辐射和吸收功率相等时，物体处于辐射平衡状态。辐射功率radiationpower单位时间辐射的能量称为辐射功率。1.单色辐出度辐出度单色辐出度powerofmonochromaticradiation物体单位表面、单位波长内的辐射

2、功率称为单色辐出度。辐出度radiationpower物体单位表面的辐射总功率称为辐出度。2.单色吸收比单色反射比单色吸收比ratioofmonochromaticabsorption物体单位波长内吸收的能量与入射量之比称为单色吸收比。单色反射比ratioofmonochromaticreflection物体单位波长内反射的能量与入射量之比称为单色反射比。kirchhoff’slaw物体A黑体blackbody能全部吸收外界辐射而没有任何反射的物体称为黑体。3.基尔霍夫定律单色辐出度单色吸收比物体B实验发现：单色辐出度单色吸收比但对不同物体1、2、…，总有：对于黑体：

3、基尔霍夫定律中的常数正是相同条件下黑体的单色辐出度。二、黑体辐射世界上没有真正的黑体，能全吸收能量的物体只是理想模型。黑体的第一个实验模型，由维恩（Wien）采用开小孔的空腔获得。电磁波从小孔进入空腔之后，在空腔内壁被不断反射和吸收，但再次从小孔出逃的几率很小，可以认为被全部吸收。相同入射能量条件下，物体的吸收比越大，则反射比越小，反射光强就越弱，物体颜色就越暗。由于黑体没有反射光，因而视觉上看来呈黑色。1.测定黑体辐射的实验装置黑体薄凸透镜平行光管分光器观察镜分光器（如棱镜或光栅等）将不同波长的辐射按一定的角度关系分开，转动探测系统测量不同波长辐射的强度分布。再推算

4、出黑体单色辐出度按波长的分布。相同条件下，单色吸收比越大的物体，单色辐出度也越大，因而黑体是辐射效率最高的物体。基尔霍夫定律指出：2.斯特藩-玻尔兹曼定律Stefan-Boltzmann’slaw通过实验发现：黑体的单色辐出度与波长、温度之间有图示中的实验关系。高温低温注意到每条曲线下面的面积为相应温度下物体的辐出度：讨论黑体辐射受温度的具体影响？实验发现黑体的辐出度与温度之间有确定的关系，即斯特藩-玻尔兹曼定律：称为斯特藩常量。3.维恩位移定律Wien’sdisplacinglaw实验指出：辐射峰值波长与温度有确定关系，即：称为维恩常量。高温低温三、经典理论的困难沿

5、用经典物理理论：物体中的原子分子在各自的平衡位置附近振动，可以看作是谐振子，其运动遵循热力学、经典电动力学、统计物理学的规律。但用谐振子向外连续辐射能量的经典图象去推导符合黑体辐射的实验规律却遇到不能克服的困难。例如：从麦克斯韦分布率出发推导的维恩公式：从能量按自由度均分定理出发推导的瑞利-金斯公式：实验曲线维恩曲线瑞利-金斯曲线四、普朗克量子假设1.普朗克能量子假设（1900年）物质中带电粒子振动所形成的谐振子，能量只能是不连续的离散值，且是基本能量单位的整数倍。基本能量单位fundamentalenergyunit普朗克常量谐振子的振动频率从而，谐振子的能量为：能

6、量量子化quantumizedenergy能量只能取离散值的情形称为能量量子化。量子数能量态quantumstate不同量子数所对应的能量状态称为能量态。连续能量量子2.普朗克公式普朗克曲线在全波段与黑体辐射实验曲线有惊人的相符。实验曲线普朗克曲线一、光子理论§21.2爱因斯坦光子理论光不仅在发射和吸收时具有粒子性，在空间传播过程、与物质物质相互作用时也具有粒子性。光子photon一束光波同时也是以光速运动的粒子流，称为光量子，简称光子。光子的能量普朗克常量光的振动频率光子的质量光子的动量光强光子流密度光子流密度单位时间通过单位垂面的光子数二、光的波粒二象性光在传播过

7、程中会产生干涉、衍射、偏振等现象，集中体现波动性质。而光的光电效应、康普顿散射等过程中，又突出显示粒子性。波粒二象性photon在具体描述光的某个过程的时候，只能选择粒子或波动中的一种描述，同时排除另一种描述，这种方法称为并协原理。质量、能量、动量描述光的粒子性波长、频率、周期描述光的波动性并协原理光同时具有粒子性和波动性的特征，称为光的波粒二象性。§21.3光量子效应的实验验证光的干涉、衍射和偏振充分证明光是一种电磁波，且是横波，从而似乎彻底否定了以Newton（17世纪下半叶）为代表的光的微粒说。可以说：19世纪是波动光学和光的电磁理论的世纪。但