量子力学实验基础.pdf

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1、19世纪末一系列重大的发现，揭开了近代物理学的序幕。普朗克——1900年，能量子解释黑体辐射；爱因斯坦——光量子解释光电效应；玻尔——1913年，能级解释原子核式模型与氢光谱；德布罗意——1923年，提出实物粒子的波粒二象性；海森伯、薛定谔、玻恩、狄拉克——量子理论。2010/12/9DUT常葆荣119.1量子物理学的早期证据黑体辐射一、基本概念物体在任一温度下发射从红外线、可见光1、热辐射到紫外线的现象。分子的热运动使物体辐射电磁波的波谱是连续的——其能量按波长分布曲线随温度而变化。温度不断

2、升高暗红色橙色黄白色青白色火炉基本性质：温度发射的能量电磁波的短波成分平衡热辐射：物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收的能量，即物体的辐射和吸收达到平衡，物体的温度不再变化，达到热平衡状态。这时物体的状态可用一确定的温度来描述。2010/12/9DUT常葆荣2——反应了同一个物体在不同温度下2、光谱单色辐射出射度辐射能按波长分布的情况在一定温度T下，物体单位面积在单位时间内发射的波长在~+d范围的电磁波的能量为dMdM同一物体，-3定义MT()单位Wm不同温度下dMM曲

3、线不同。温度相同的不同物体的M曲线也不T同，还与物体的材料性质有关。辐射出射度（辐射本领）M(T)—在一定温度T下，物体单位面积在单位时间内发射的各种波长的总辐射能。（单位面积的辐射功率）曲线下面积MT()Md单位：Wm-202010/12/9DUT常葆荣3EEvr3、单色反射率r与吸收率arEEEEiiar吸收率反射率EEii不透明Er单色反射率rT()EEE定义iaaE单色吸收率()aaTEi根据能量守恒定律，对每一种rTaT()()1频率都

4、有EEEira在同一温度下，物体对不同频率的辐射，反射、吸收能力不同。在同一温度下，不同物体对同一频率的辐射，反射、吸收能力不同。2010/12/9DUT常葆荣4二、基本概念1、基尔霍夫定律（1859年12月）在相同的温度下，各种不同的物体对相同波长的单色辐出度与单色吸收率之比值都相等，且等于在该温度下黑体对同一波长的单色辐出度。MTMTMT123()()()0oM()TM()T1230aT()aT()aT()aT()1物理含义：好的吸收体也是好的辐射

5、体。a1的物体称黑体，它能全部吸收射到其表面的一切热辐射。黑体的单色辐射出射度是各种材料中最大的。黑体的单色辐出度，只与温度和频率有关，与材料无关。寻找黑体单色辐射出射度，成为研究平衡热辐射场的中心任务。2010/12/9DUT常葆荣5黑体是理想化的模型，实际中的物体的吸收率总是小于1。煤烟约99%注意：黑体不一定是黑色的，黑色的也不一定是黑体。黑体模型：一个开有小孔的内表面粗糙的空腔可近似看成理想的黑体。如远处不点灯的建筑物2010/12/9DUT常葆荣62、斯忒番—玻尔兹曼定律（187

6、4年、1884年）TTT12300MT()MT()d0o4M()TT84256710.(WmK)斯忒蕃--玻尔兹曼常数含义：它说明对于黑体，温度越高，辐出度M0(T)越大且随T增高而迅速增大。2010/12/9DUT常葆荣73、维恩位移定律TTT123黑体温度增高时，其单色辐出度的峰值波长向短波方向移动Tbm3b289710mK.斯忒番-玻尔兹曼定律和维恩位移定律是黑体辐射的基本定律，对非黑体只近似成立。现代广泛应用于高温测量、遥感、红外追踪等。20

7、10/12/9DUT常葆荣8例：太阳可以看成黑体，地球上测出其峰值波长为=5100Å，则其表面温度和辐出度为多少？m解：由Tmb3b2.89810T5700(K)10510010m0484MT()T56710.(5700)726.0010w/m2010/12/9DUT常葆荣9先后两次测得炼钢炉测温孔（近似为黑体）单色辐射例题出射度的峰值波长=0.8m、=0.4m，1m2m求：（1）相应的温度比；（2）相应的辐射本领之比。解（1）根据维恩位移定律Tb

8、mT=b11mT112mT22m=bT21m2o4（2）根据斯忒番-玻尔兹曼定律M()TTo4MT11oMT1141()oo4MT16MT22222010/12/9DUT常葆荣10三、经典物理的困难19世纪末，物理学最引人注目的课题之一——欲从理论上导出黑体的单色辐射出射度Mo的数学式。（1）维恩公式M紫外灾难cc2M0()Te1T5（2）瑞利—金斯公式02ckTMT()4短波符合好试验长波不符合曲线普朗克公式1025h=6.626×10-