15-1 黑体辐射 普朗克量子假设.ppt

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1、第十五章量子物理基础(quantumphysics)1十九世纪末，经典物理已发展得相当成熟，人们认为，对物理现象本质的认识已经完成。1900年，Kelvin在新年的祝词中曾说道：“物理学的大厦已基本建成，后辈物理学家只要做些修补工作就行了。”但是，他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“动力理论肯定了热和光是两种运动方式，但物理学美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩着。2第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦---玻尔兹曼理论上（指热学中的能量均分原理对气体比热以及热辐射能谱的解释，出现理论与实验不符的矛盾，尤其以黑体辐射理论中出现的紫外灾难最突出。”第一朵乌云出现在光的波动理论上（指

2、迈克尔孙•莫雷实验结果和以太说相矛盾）；相对论的建立量子力学的诞生3教学基本内容物理学第五版15.1量子物理学的诞生——普朗克量子假设15.2光电效应爱因斯坦光子假说（不讲）15.3康普顿效应及光子理论的解释15.4氢原子光谱玻尔的氢原子理论15.5微观粒子的波粒二象性不确定关系15.6波函数一维定态薛定谔方程4一、黑体黑体辐射实验表明：一切物体是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。但是强度不同。热辐射强度按波长(频率)的分布和温度有关。极高温物体发出的是紫外光。炽热物体发出的是可见光，低温物体发出的是红外光，温度短波长的电磁波的比例。热辐射波谱是连续谱，各

3、种波长(频率)都有，例如：加热铁块，温度，铁块颜色由看蓝白色不出发光暗红橙色黄白色15.1量子物理学的诞生——普朗克量子假设5物体辐射总能量及能量按波长分布决定于温度1400K800K1000K1200K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6头部的红外照片（热的地方显白色，冷的显黑色）头部各部分温度不同，因此它们的热辐射存在差异。低温物体（例如人体）也有热辐射，但辐射较弱，并且主要成分是波长较长的红外线。78维恩设计的黑体：1、黑体：能完全吸收入射的各种波长电磁波而无反射的物体。黑体是

4、理想化模型。不透明介质空腔开一小孔，电磁波射入小孔后，很难再从小孔中射出。小孔表面是黑体。9辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，此时物体的热辐射称为平衡热辐射。物体辐射电磁波的同时，也吸收电磁波。物体辐射本领越大，其吸收本领也越大。室温高温吸收白底黑花瓷片辐射10好的吸收体也是好的辐射体思考非洲沙漠人为何穿黑袍？111213单位：单位：2、单色辐出度从热力学温度为T的黑体单位面积上，单位时间内，所辐射出的单位波长间隔中（）的电磁波的能量.143、辐出度从温度为T的黑体单位时间，单位面积上所辐射出的各种频率（或各种波长）的电磁波的能量总和.157000K6000K5000K4000K可见

5、光黑体的实验曲线在一定温度下，曲线有一极大值，对应的波长称为峰值波长λm。各种单色辐出度随温度的升高而增加。16黑体的辐出度曲线下的面积（总辐射能）与黑体的热力学温度的四次方成正比：式中，称为斯忒藩玻耳兹曼常量。1.斯忒藩玻耳兹曼定律二、经典物理的解释及困难172.维恩位移定律当黑体的热力学温度升高时，峰值波长向短波方向移动。式中，为常数。维恩定律是由经典统计物理导出的半经验公式，在短波波段与实验符合的很好，而在长波波段有明显的差异。18瑞利—金斯公式是由经典统计物理和经典电动力学得出的，其在长波波段与实验符合的很好，而在短波波段有明显的差异，既历史上的“紫外灾难”。3.黑体辐射的瑞利—

6、金斯公式紫外灾难其实质说明了经典理论具有一定的缺陷。19经典物理的困难瑞利—金斯公式(1900年)维恩公式(1896年)试验曲线20普朗克（1858—1947）德国理论物理学家，量子论的奠基人.1900年他在德国物理学会上，宣读了以《关于正常光谱中能量分布定律的理论》为题的论文.劳厄称这一天是“量子论的诞生日”.量子论和相对论构成了近代物理学的研究基础.三、普朗克假设普朗克黑体辐射公式21普朗克的量子假设3.当谐振子从一个能量状态变化到另一个状态时,辐射和吸收的能量是hν的整数倍:hν为能量子。1.组成腔壁的原子、分子可视为带电的一维线性谐振子，谐振子能够与周围的电磁场交换能量。2.每个谐

7、振子的能量不是任意的数值,频率为ν的谐振子，其能量只能为hν,2hν,…分立值。h=6.626×10–34js,为普朗克常数。22或普朗克黑体辐射公式普朗克的量子假设突破了经典物理学的观念，第一次提出了微观粒子具有分立的能量值,既微观粒子的能量是量子化的。23实验曲线理论曲线一维谐振子的能量取分立值实验值与理论值符合的很好24解（1）由维恩位移定律例1（1）温度为的黑体，其单色辐出度的峰值所对应的波长是多少？