第十三章 早期量子论和量子力学基础ppt课件.ppt

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1、第十三章早期量子论和量子力学基础13-1热辐射普朗克的能量子假设13-2光电效应爱因斯坦的光子理论一、热辐射现象物体在任何温度下都在发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象称为热辐射。热辐射的电磁波的波长、强度与物体的温度有关，还与物体的性质表面形状有关。热辐射的一般特点：(1）物质在任何温度下都有热辐射。(2）温度越高，发射的能量越大，发射的电磁波的波长越短。激光、日光灯发光就不是热辐射。1并不是所有发光现象都是热辐射，例如：2任何物体在任何温度下都有热辐射，波长自远红外区连续延伸到紫外区（连续谱）。注意：例如：

2、加热铁块，温度，铁块颜色由看蓝白色不出发光暗红橙色黄白色头部的红外照片（热的地方显白色，冷的显黑色）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。二、基尔霍夫辐射定律单色辐出度M：为了描述物体辐射能量的能力，定义物体单位表面积在单位时间内发出的波长在附近单位波长间隔内的电磁波的能量为单色辐出度。辐出度M(T)：物体从单位面积上发射的所有各种波长的辐射总功率。单色吸收比a(T)：当辐射从外界入射到物体表面时，在到+d的波段内吸收的能量E吸收d与入射的总能量E入射d之比。吸收比a(T)：当辐射从

3、外界入射到物体表面时，吸收能量与入射总能量之比。吸收能力的量度显然，有：单色反射比r(T)：反射的能量与入射能量之比称为反射比，波长到+d范围内的反射比称为单色反射比。不透明物体：（绝对）黑体：物体在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收比都等于1，即基尔霍夫定律：在温度一定时物体在某波长处的单色辐出度与单色吸收比的比值与物体及其物体表面的性质无关，是仅取决于温度和波长的一个恒量。黑体单色辐出度一个好的发射体一定也是好的吸收体。①这个恒量与物体的性质无关，而只与物体的温度和辐射能的波长有关。②说明单色吸收比大的物体，其单色辐出度也大。（例如黑

4、色物体，吸热能力强，其辐出本领也大）③若物体不能发射某一波长的辐射能，那么该物体也就不能吸收这一波长的辐射能。＊关于物体颜色的说明：――均指可见光范围。例如，红色――表示除红光外，其余都吸收（余类推）白色――表示对所有波长的光都不吸收。黑色――表示对所有波长的光都吸收。同一个物体的发射本领和吸收本领有内在联系，室温下的反射光照片1100K的自身辐射光照片图片说明一个好的发射体一定也是好的吸收体。例如：黑白花盘子的反射和自身辐射照片由于物体辐射的光和吸收的光相同，因此黑体能辐射各种波长的光，它的M(T）最大且只和温度有关。用不透明材料制成的开一个小孔

5、的空腔，小孔面积远小于空腔内表面积，射入的电磁波能量几乎全部被吸收。小孔能完全吸收各种波长的入射电磁波而成为黑体模型。黑体:能完全吸收照射到它上面的各种波长的光的物体。例如：太阳等普通恒星的辐射接近黑体辐射，2.7K宇宙背景辐射也是黑体辐射。三、黑体辐射实验定律实验发现：在温度一定时，黑体的单色辐出度与波长有关，并存在一极大值，所对应的极值点m与温度有关系。由这些实验曲线可得黑体辐射的两个实验定律。1.斯特藩—玻耳兹曼定律（J.Stefan&L.Boltzmann）=5.67×10-8W/（m2K4）——Stefan恒量实验证明，黑体的总辐出度M

6、0(T)（每条曲线下的面积）与温度的四次方成正比2.维恩位移定律（W.Wien）黑体辐射中单色辐出度的极值波长m与黑体温度T之积为常数b=2.897×10-3m·K--Wien常数以上两个实验定律可用来解释一些有关热辐射的现象，也是遥感、高温测量和红外追踪等技术的物理基础。维恩因热辐射定律的发现获1911年诺贝尔物理学奖。黑体辐射四、普朗克的能量子假设1.维恩经验公式从理论上找出符合黑体辐射实验曲线的公式？维恩假设：黑体的辐射可看成是由许多具有带电的简谐振子（分子，原子的振动）所发射，辐射能按频率（波长）分布的规律类似于麦克斯韦分子速度分布律，于1

7、896年得出绝对黑体的单色辐出度与波长、温度关系的一个半经验公式。按照这个函数绘制出的曲线,其在高频(短波)部份与实验曲线能很好地相符,但在低频(长波)部份与实验曲线相差较远。2.瑞利—金斯公式瑞利—金斯把分子物理中的能量按自由度均分原理运用到电磁辐射上，并认为在黑体空腔中辐射的电磁波是谐振子所发射的驻波，这样得到的公式为在低频段，瑞--金线与实验曲线符合得很好；在高频段，瑞--金线与实验曲线有明显的偏离其短波极限为无限大(0，E)“紫外灾难”。维恩公式在低频段，偏离实验曲线！瑞利—金斯公式在高频段(紫外区)与实验明显不符，短波极限为无限

8、大—“紫外灾难”！普朗克公式在全波段与实验结果惊人符合！紫外灾难黑体热辐射的理论与实验结果的比较普朗克既注意