最新21.1..黑体辐射解析幻灯片.ppt

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1、21.1..黑体辐射解析19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上，英国著名物理学家W.汤姆生（即开尔文男爵）发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。同时，他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了。”序言1900年前后,人类对自然界的研究进入了微观领域，有一系列重大的实验发现都无法用经典物理学的理论来解释，例如:黑体辐射﹑光电效应﹑康普顿效应及原子光谱等实验规律.为了解释这些规律,必须建立新的理论.量子力学就是在这种背景下逐步发展起来的一种新理论.量子概念是1

2、900年普朗克首先提出的，距今有一百多年的历史。其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力，到20世纪30年代，就建立了一套完整的量子力学理论。开始看不出它发光。随着温度的升高，铁块开始呈现暗红色，逐步变为赤红、橙色，最后呈现出黄白色。1400K800K1000K1200K一、黑体辐射及其实验规律这说明，在不同的温度下物体能发出频率不同的电磁波。事实上，在任何温度下，物体都向外发射各种频率的电磁波。只是在不同的温度下所发出的各种电磁波的能量按频率有不同的分布，所以才表现为不同的颜色。现象举例：加热铁块。21.1黑体辐

3、射普朗克能量子假设（1）热辐射实验证明不同温度下物体能发出不同的电磁波，这种能量按频率的分布随温度而不同的电磁辐射叫做热辐射.（2）光谱辐射出射度单位时间内从物体单位表面积发出的频率在附近单位频率区间（或波长在附近单位波长区间）的电磁波的能量.光谱辐射出射度单位：光谱辐射出射度单位：（3）辐射出射度（辐出度）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.024681012钨丝和太阳的光谱辐射出射度曲线21210468太阳可见光区钨丝（5800K）太阳（5800K）钨丝实验表明辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强.（4）黑体能完全吸收照射

4、到它上面的各种频率的电磁辐射的物体称为黑体.（黑体是理想模型）实验表明随着温度的升高：1）黑体的辐出度迅速增大；0M5000K6000K3000K4000K可见光2）峰值波长逐渐向短波方向移动。0.51.01.52.01050M(10-7×W/m2·m)(m)可见光5000K6000K3000K4000K二、斯特藩—玻尔兹曼定律维恩位移定律（1）斯特藩—玻尔兹曼定律斯特藩—玻尔兹曼常量辐出度与T4成正比。（2）维恩位移定律常量峰值波长m与温度T成反比0.51.01.52.01050M(10-7×W/m2·m)(m)可见光5000K6000K

5、3000K4000K二、斯特藩—玻尔兹曼定律维恩位移定律lm这两条定律是黑体辐射的基本定律，它们在现代科学技术中有广泛的应用，是测量高温以及遥感和红外跟踪等技术的物理基础。恒星的有效温度也是通过这种方法测量的。（1）斯特藩—玻尔兹曼定律（2）维恩位移定律实验测得太阳光谱辐射出射度的最大值对应的波长为490nm，若将太阳当作黑体，请估算太阳表面的温度和太阳的辐出度。解：例题1：太阳表面温度辐出度太阳不是黑体，按黑体计算得出的Ts低于太阳的实际温度；MB(T)高于实际辐出度。氢弹爆炸时，火球的中心温度可达107K，这时，火球辐射最强的波长是多少？解：普通物理学教案

6、例题2：按黑体辐射估计例题3：课本例题21-2三、普朗克能量子假设在实验测得黑体辐射能谱后，为建立其函数表达式，19世纪许多物理学家在经典物理学基础上作了很多努力，结果都失败了。其中最典型的是维恩公式和瑞利─金斯公式.1.维恩公式从经典热力学和麦克斯韦分布律出发导出：维恩公式在短波部分与实验曲线符合得很好，但长波段有系统偏差。维恩公式2.瑞利─金斯公式瑞利和金斯将统计物理学中的能量均分定理应用到电磁辐射上，认为每个线性谐振子的平均能量都为kT，他们得到的公式为这个公式在长波段与实验曲线符合得很好，但在短波段严重偏离。物理学史上称此为“紫外灾难”。当λ→0时，这显

7、然是荒谬的。瑞利维恩公式、尤其是瑞利－金斯公式与实验结果不符，使物理学家大为困惑。非常成熟的热力学与非常成功的电磁场理论相结合，导出的结果居然与高精度的光学实验相背！这个结果揭示了微观世界的特性，同时也显示了经典理论的破绽.3.普朗克公式普朗克德国物理学家.1899年，他从热力学独立导出了维恩公式。由于热力学涉及的是能量守恒与转换的理论，普朗克相信维恩的结论是正确的。1900年10月7日，实验物理学家鲁本斯给普朗克带来了热辐射理论与实验比较的信息。当晚普朗克就用内差法搞出了一个公式。维恩公式瑞利金斯公式令很大时改写很小时分母展开对维恩公式无影响很小时过渡

8、到了瑞利金斯公式190