大学物理：13-1 热辐射及量子假说的提出.ppt

量子物理,Quantum Physics,量子力学是研究原子、分子和凝聚态物质的结构和性质的理论基础，在化学、生物、信息、激光、能源和新材料等方面的科学研究和技术开发中，发挥越来越重要的作用1900年，普朗克（M.Pulanck）提出能量子，即能量量子化的概念，这对经典物理理论是一个极大的冲击，因为能量的连续性在经典物理中是“天经地义”的事情在物理学上，能量子概念的提出具有划时代的意义，它标志了量子力学的诞生1905年，为解释光电效应，爱因斯坦提出光量子（光子）的概念，指出光具有波粒二象性1923年，德布罗意（P.L.de Broglie）提出实物粒子也具有波动性的假设波粒二象性的假设，为物质世界建立了一个统一的模型物质具有波粒二象性是建立量子力学的一个基本出发点1927年，戴维孙（C.J.Davisson）和革末（L.H.Germer）通过镍单晶体表面对电子束的散射，观测到和X光衍射类似的电子衍射现象；同年，G.P.汤姆孙（G.P.Thomson）用电子束通过多晶薄膜，证实了电子的波动性1925年，海森伯(W.Heisenberg)放弃电子轨道等经典概念，用实验上可观测到的光谱线的频率和强度描述原子过程，奠定了量子力学的一种形式矩阵力学的基础。

1926年，薛定谔(E.Schrodinger)提出了非相对论粒子（能量远小于静能）的运动方程薛定谔方程，由此方程出发的量子力学称为波动力学矩阵力学和波动力学是等价的，前者偏重于物质的粒子性，后者偏重于物质的波动性，它们是量子力学的两种不同描述方式薛定谔方程是微分方程，数学工具人们比较熟悉，这里我们对于波动力学不作了解同年，狄拉克（P.A.M. Dirac）提出了电子的相对论性运动方程狄拉克方程，把狭义相对论引入薛定谔方程，统一了量子论和相对论，为研究粒子物理的量子场论奠定了基础量子物理的理论基础独立于经典力学，同我们的日常感受格格不入对于生活在宏观世界又比较熟悉经典力学的人们来说，学习量子物理确有一定难度初学者往往试图用经典的概念去理解量子物理，这将使学习陷入困境物理学是基于实验事实的信仰，对于量子物理来说尤其是这样合理的假定总是有些道理可讲的，但它不能由更基本的假定或理论推导出来，其正确性只能用实验来检验相信这些基本假定，并自觉应用它们去分析和解决问题，是学习和理解量子物理的第一步1.热辐射：固体或液体，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、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。

热辐射所发射的电磁波的特征仅与温度有关例：固体在温度升高时颜色的变化,一. 热辐射现象,热辐射现象,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中国第一张红外照片（熊大缜于1935年在清华大学气象台顶上拍摄的北京西山夜景）,辐射能,2.辐射能：物体在热辐射时向四周所发射的 能量称为辐射能，辐射能按波长 分布物体辐射总能量决定于温度，且能量按波长的分布也决定于温度温度越高，波谱中与能量最大的辐射所对应的波长也越短，且辐射总能量也随之不断增加二. 基尔霍夫辐射定律,单色辐出度 与物体的温度和辐射波长有关反映了物体在不同温度下辐射能按波长的分布情况单位：W/m3),1.单色辐出度：单位时间内，温度为T 的物体单位面积上发射的波长在 到 范围内的辐射能量 与波长间隔 的比值，用 表示单色辐出度,2.辐出度:单位时间内，从物体单位面积上所发射的各种波长的总辐射能,称为物体的辐射出射度，简称辐出度注意：辐出度只是物体温度的函数单位：W/,辐出度,3.单色吸收比和单色反射比:被物体吸收的能量与入射能量之比称为吸收比,在波长 到 范围内的吸收比称为单色吸收比,用 表示;,单色吸收比单色反射比1,对于不透明的物体：,反射的能量与入射能量之比称为反射比，波长 到 范围内的反射比称为单色反射比,用 表示。

单色吸收比和单色反射比,5.基尔霍夫辐射定律:在同样的温度下,各种不同物体对相同波长的单色辐出度与单色吸收比之比值都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐出度即好的吸收体也是好的辐射体4.绝对黑体:若物体在任何温度下,对任何波长的辐射能的吸收比都等于1,则称该物体为绝对黑体,简称黑体绝对黑体及基尔霍夫辐射定律,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,三. 黑体辐射实验规律,黑体是也是一个理想模型,实际上不存在吸收比为100的物体实验中用不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作黑体黑体模型,研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础 小孔能发射出黑体具有的一部分辐射能，它相当于黑体的表面那么，小孔的发射的波谱线也就表征了黑体辐射的特性黑体模型,测定黑体辐出度的实验简图,A为黑体,B1PB2为分光系统,C为热电偶,热电偶的作用：测出不同波长的辐射功率,测定黑体辐出度的实验简图,1700K,1500K,1300K,1100K,0 1 2 3 4 5,黑体单色辐出度随 和 变化的实验曲线,黑体单色辐出度随波长和温度变化的实验曲线,黑体的辐出度与黑体的绝对温度四次方成正比：,（1） 斯特藩-玻耳兹曼定律,根据实验得出黑体辐射的两条定律：,黑体在一定温度下的输出度等于该温度下的实验曲线与坐标轴所围成的面积。

热辐射的功率随着温度的升高而迅速增加斯特藩常数,P319 式（185）,斯特藩-玻耳兹曼定律,对于给定温度T ，黑体的单色辐出度 有一最大值,其对应波长为 热辐射的峰值波长随着温度的增加而向着短波方向移动2）维恩位移定律,P319 式（186）,维恩位移定律,例1:实验测得太阳辐射波谱的 ，若把太阳视为黑体，求（1）太阳每单位表面积上所发射的功率，（2）地球表面阳光直射的单位面积上接受到的辐射功率，（3）地球每秒内接受的太阳辐射能.(已知太阳半径RS=6.96108m,地球半径RE=6.37106m,地球到太阳的距离d=1.4961011m.),解: 根据维恩位移定律,根据斯特藩-玻尔滋蔓定律可求出辐出度，即单位表面积上的发射功率,例1,太阳辐射的总功率,这功率分布在以太阳为中心、以日地距离为半径的球面上，故地球表面单位面积接受到的辐射功率,例1解（1）,由于地球到太阳的距离远大于地球半径，可将地球看成半径为RE的圆盘，故地球接受到太阳的辐射能功率,例1解（2）,维恩经验公式,1.维恩经验公式,问题：如何从理论上找到符合实验曲线的函数式,四. 普朗克量子假设,这个公式与实验曲线波长短处符合得很好，但在波长很长处与实验曲线相差较大。

2.瑞利-金斯经验公式,这个公式在波长很长处与实验曲线比较相近，但在短波区，按此公式， 将随波长趋向于零而趋向无穷大的荒谬结果，即“紫外灾难”维恩公式和瑞利-金斯公式都是用经典物理学的方法来研究热辐射所得的结果，都与实验结果不相符，明显地暴露了经典物理学的缺陷黑体辐射实验是物理学晴朗天空中一朵令人不安的乌云瑞利-金斯经验公式,实验.曲线,为了解决上述困难，普朗克利用内插法将适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利-金斯公式衔接 起来，提出了一个新的公式：,普朗克常数,这一公式称为普朗克公式它与实验结果符合得很好3.普朗克公式的提出,普朗克公式的提出,普朗克公式还可以用频率表示为：,普朗克得到上述公式后意识到，如果仅仅是一个侥幸揣测出来的内插公式，其价值只能是有限的必须寻找这个公式的理论根据他经过深入研究后发现：必须使谐振子的能量取分立值，才能得到上述普朗克公式4.量子概念的提出,普朗克公式,能量子假说,能量子假说：辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能 但是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值相应的能量是某一最小能量（称为能量子）的整数倍，即：, 1, 2, 3, . n. n为正整数，称为量子数。

对于频率为的谐振子最小能量为,能量,量子,经典,谐振子:作简谐振动的物体量子概念的意义,振子在辐射或吸收能量时，从一个状态跃迁到另一个状态在能量子假说基础上，普朗克由玻尔兹曼分布律和经典电动力学理论，得到黑体的单色辐出度，即普朗克公式能量子的概念是非常新奇的，它冲破了传统的概念，揭示了微观世界中一个重要规律，开创了物理学的一个全新领域由于普朗克发现了能量子，对建立量子理论作出了卓越贡献，获1918年诺贝尔物理学奖在1918年4月普朗克六十岁生日庆祝会上，爱因斯坦说：,在科学的殿堂里有各种各样的人：有人爱科学是为了满足智力上的快感；有的人是为了纯粹功利的目的而普朗克热爱科学是为了得到现象世界那些普遍的基本规律，这是他无穷的毅力和耐心的源泉 他成了一个以伟大的创造性观念造福于世界的人。