黑体辐射 普朗克假说.ppt
电磁波,1、电磁波是一横波,2、E与H同位相,3、,4、电磁波的偏振性,介质中 波速：,真空中 波速：,5.电磁波的传播速度,能量密度,能流密度,量子物理基础,N.玻尔、M.玻恩、W.L.布拉格、L.V.德布罗意、A.H.康普顿、M.居里、P.A.M 狄喇克、A.爱因斯坦、W.K.海森堡、郞之万、W.泡利、普朗克、薛定谔 等,第五次索尔维会议与会者合影(1927年),热辐射普朗克的量子假设,普朗克(1858-1947),普朗克像,16-1 热辐射 普朗克的量子假设,固体在温度升高时颜色的变化,物体辐射总能量及能量按波长分布都决定于温度。,1.热辐射现象,热辐射:由温度决定的物体的电磁辐射。,头部热辐射像,头部各部分温度不同，因此它们的热辐射存在差异，这种差异可通过热象仪转换成可见光图象。,辐射能量,0 1.0 1.75,波长(m),2.单色辐出度和辐射出射度,单色辐出度 与物体的温度和辐射波长有关。,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。,辐射出射度: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。,辐出度只是物体温度的函数。,3.单色吸收比和单色反射比,如果以 I 表示入射能量，A和R分别表示吸收能量和反射能量,则有,I(T)=A(T)+R(T),(T)+(T)=1,其中(T)=A(T)/I(T)称为单色吸收比。,(,T)=R(T)/I(T)称为单色反射比。,4.绝对黑体,若物体能够完全吸收入射的全部可见光 黑颜色物体,若物体能够完全吸收任何入射波长的辐射能 绝对黑体,黑体：(T)=1，(T)=0,白体：(T)=0，(T)=1,灰体：(T)，(T)均在0 1之间,在同样的温度下,各种物体对同一波长的单色辐出度与单色吸收比之比值都相等。,该定律适用于平衡热辐射。,5.基尔霍夫辐射定律,基尔霍夫,（1）某物体辐射的能量多，吸收的能量也多。不辐射某一波长的辐射能，也不吸收这一波长的辐射能。,（2）对任何波长的辐射能，黑体比同温度下所有其他物体发射和吸收的都要多。,有关实验：,T,6.黑体辐射实验规律,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。,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,可见光,5000K,6000K,3000K,4000K,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：,热辐射的功率随着温度的升高而迅速增加。,斯特藩常数,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,太阳表面温度,M,辐出度,测得太阳光谱的峰值波长在绿光区域，为 m=0.47 m.试估算太阳的表面温度和辐出度。,例,太阳不是黑体，所以按黑体计算出的 Ts 低于太阳的实际温度；M B(T)高于实际辐出度。,说明,解,19世纪末，由于冶金等各方面的需求，人们急于知道辐射强度与光波长之间的函数关系。当时维恩和瑞利-金斯分别发表了两个公式，试图解决这一问题。,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,7.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。,维恩,瑞利-金斯公式,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。,瑞利、金斯两人是根据经典物理的理论严密推导的，理论值与实验值在短波区的北辙南辕，使人们不得不称之为“紫外灾难”。,瑞利,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。,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。,8.普朗克的内插公式,普朗克公式还可以用频率表示为：,将维恩公式和瑞利公式综合在一起，理论值与实验结果符合得较好。,当0，即在长波范围，普朗克定律变为瑞利金斯公式。,当，即在短波范围，又与维恩定律一致。,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。,8.普朗克的能量子假说,能量的量子假说：辐射物质中具有带电的线性谐振子，它和周围电磁场交换能量。这些谐振子只能处于某种特殊的状态，它的能量取值只能为某一最小能量（称为能量子）的整数倍，即：，2,3,.,n n为正整数 对于频率为 的谐振子最小能量为：,式中的k为玻尔兹曼常数，c为光速，h为普朗克常数。,在能量子假说基础上，普朗克得到了黑体辐射公式如下,这个工作在1900年12月14日完成的。,这一天，被称为量子力学的生日。,令,所以,普朗克于1918年获诺贝尔奖。,普朗克在热辐射理论中所提出的能量子理论，启发了爱因斯坦。,爱因斯坦的光量子理论,
