黑体辐射的实验规律.ppt

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1、本次课教学基本要求,了解热辐射、光电效应的实验规律,理解普朗克量子假设,理解爱因斯坦光量子假设,掌握爱因斯坦方程,第十五章 量子物理基础,热辐射 普朗克的量子假设,光电效应 爱因斯坦的光子理论,康普顿效应,波尔氢原子理论,实物粒子的波粒二象性,不确定关系,波函数 薛定谔方程,一维定态问题,量子理论的三大先驱,玻尔,爱因斯坦,普朗克,1905年,1913年,？,热辐射实 验,量子概念的诞生,问题：,何谓热辐射,物体在任一温度下发射从红外线、可见光到紫外线的连续的电磁波。,何谓热辐射,物体在任一温度下发射从红外线、可见光到紫外线的连续的电磁波。,0.6 mm760 nm之间的电磁波称为红外线,76

2、0nm400nm之间的电磁波称为可见光（可见光在整个电磁波谱中所占的波段最窄）,400nm5nm之间的电磁波称为紫外线,它们都是由原子的外层电子自发辐射产生的,何谓热辐射,因辐射与温度有关，故称热辐射,固体在温度升高时颜色的变化,辐射能量 与 T、有规律吗？,成为19世纪末炼钢、电灯照明急待解决的课题,不能一个物体一个物体分别来研究,辐射能量 与 T、的规律,绝对黑体,基尔霍夫理想模型：绝对黑体,在任何温度、对于任何波长的外来辐射的 吸收率均为 1 的物体。,绝对黑体,注意：,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。,一般物体吸收 反射 透射,绝对黑体吸收,好的吸收体也是好的辐射体

3、,绝对黑体,如远处不点灯的建筑物,注意：,黑体当其自身的热辐射很弱时，看上去是黑洞洞的。,绝对黑体,注意：,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。,一般物体吸收 反射 透射,绝对黑体吸收,整个热辐射研究可简化为黑体辐射的研究,热辐射的实验规律,炉火纯青,热辐射的实验曲线,实验规律找到了实验曲线画出来了,下一步,要上升到理论：从理论上找到符合实验曲线的函数式,热辐射规律的理论解释,热辐射的理论解释,当时经典物理占统治地位，人们自然用经典学理论来解释热辐射并建立了两个公式：,1）维恩公式（Wiens formula）,1896年德国维恩（Wien）从热力学普遍理论出发导出,热辐射规律

4、的理论解释,2）瑞利-金斯公式（Rayleigh-jeans formula）,1900.6年瑞利-金斯利从电动力学和统计力学出发导出,公式在短波区域明显与实验不符，而理论上却找不出错误,紫外灾难,热辐射规律的理论解释,普朗克公式（Plancks formula）,1900.10.19年德国物理学家普朗克根据实验数据拼凑了一个公式：“普朗克公式”,该公式与实验数据符合得很好！,普朗克公式曲线,量子概念的诞生,普朗克,能量不连续，只能取某一最小能量的整数倍!,普朗克量子假说,1900年12月14日,量子概念的诞生,量子数,h=6.6310-34Js 称为普朗克恒量,量子理论带来了出人意料的科学上

5、技术上社会上哲学上的多种多样的新鲜成果也逐渐成了20世纪物理学中的“唯一思想模式”,量子概念的诞生,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。,量子概念的诞生,普朗克诞辰100周年德国发行的2马克面值的纪念硬币,“这一发现成为20世纪整个物理研究的基础，从那时起，几乎完全决定了物理学的发展”。爱因斯坦,事实上正是这一理论导致了量子力学的诞生，1918年因此而获得诺贝尔奖。,“我试图将h 纳入经典理论的范围，但一切这样的尝试都失败了，这个量非常顽固”。后来他又说：“在好几年内我花费了很大的劳动，徒劳地去尝试如何将作用量子引入到经典理论中去。我的一些同事把这看成是悲剧，但我有自已的

6、看法，因为我从这种深入剖析中获得了极大的好处，起初我只是倾向于认为，而现在是确切地知道作用量子 将在物理中发挥出巨大作用”。,量子概念的诞生,量子论这个精灵蹦跳在时代的最前缘，它需要最有锐气的头脑和最富有创见的思想来激活它的灵气。,20世纪初，物理学的天空中已是黑云压城，每一升空气似乎都在激烈地对流和振荡。,一个伟大的时代需要伟大的人物，有史以来最出色和最富激情的“黄金一代”物理学家便在这乱世的前夕成长起来。,量子概念的诞生,量子理论的三大先驱,玻尔15,爱因斯坦21,普朗克42,1905年,问题：,2.什么是光电效应？,1.存在红限频率。2.光照到金属表面光电流立即产生。3.光的最大动能只与

7、光的频率有关，与光强无关。4.存在饱和光电流。,光电子,光电效应光的微粒说爱因斯坦,用经典理论无法解释！,爱因斯坦光量子假说(1905),1）光束粒子流光子（光量子）流,2）光子的能量,3）单色光的强度,爱因斯坦光电效应方程,光电效应光的微粒说爱因斯坦,但他研究的初衷不是去证明爱因斯坦的光电效应公式，而是要推翻爱因斯坦的公式。,1916年，密立根的实验结果完全肯定了爱因斯坦的光电效应方程，并且测出当时最好的普朗克常数h的值。,密立根,光电效应光的微粒说爱因斯坦,光的本性是什么？,粒子？！牛顿 波粒二象性！爱因斯坦,问题：,反射、折射、干涉、衍射、偏振,波？！,光的“波粒二象性”,1)光在传播过

8、程中波动性,2)光在与物质相互作用时粒子性,光具有“波粒二象性”,爱因斯坦 1921年诺贝尔物理奖。,光子的能量、质量与动量,光子,康普顿正在操纵X射线光谱仪,康普顿研究了X射线经物质散射的实验 进一步证实了爱因斯坦的光子概念。,1923年,康普顿效应光的微粒说,康普顿效应光的微粒说,自由电子,(1)入射光子与外层电子弹性碰撞,外层电子受原子核束缚较弱,近似自由.,碰撞时光子损失能量，波长改变.,康普顿效应的量子解释,康普顿效应的量子解释:,能量、动量守恒,光子质量远小于原子，碰撞时光子不损失能量，波长不变。,内层电子被紧束缚，光子相当于和整个原子发生碰撞。,原子,康普顿效应的量子解释,(2)

9、入射光子与内层电子弹性碰撞,康普顿效应的量子解释:,能量、动量守恒,光子和电子作弹性碰撞的结果,1、若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子,光子的能量减少，因此频率变小，波长变长。,2、若光子和内层电子相碰撞时，碰撞前后光子能量几乎不变，故波长有不变的成分。,3、因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。,康普顿效应的量子解释,康普顿效应的量子解释:,能量、动量守恒,康普顿的X射线实验室,对证实康普顿效应作出了重要贡献 在康普顿的一本著作中曾19处提到吴有训,吴有训,1927,康普顿效应光的微粒说,光电效应和康普顿效应都包含有电子与光子的相互作用过程，对此，在以

10、下几种理解中，正确的是()两种效应中电子与光子两者组成的系统都服从动 量守恒定律和能量守恒定律(B)两种效应都相当于电子与光子的弹性碰撞过程(C)两种效应都属于电子吸收光子的过程(D)光电效应是吸收光子的过程，而康普顿效应则相 当于光子和电子的弹性碰撞过程,例,作业本P29 一.1、2、3 二.1、7 三.1、2、5,量子理论的三大先驱,玻尔15,爱因斯坦21,普朗克42,1905年,1913年,何谓热辐射,物体在任一温度下发射从红外线、可见光到紫外线的连续的电磁波。,物体在任一温度下发射从红外线、可见光到紫外线的连续的电磁波。,作者姓名：安宏工作单位：大连大学物理科学与技术学院联系方式：电话

11、-0411-82989323 邮箱-,素材来源,教学大纲,教学日历,教师简介,使用教材,教辅资料,德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人，1918年诺贝尔物理学奖金的获得者。普朗克的伟大成就，就是创立了量子理论，这是物理学史上的一次巨大变革。从此结束了经典物理学一统天下的局面。1900年，普朗克抛弃了能量是连续的传统经典物理观念，导出了与实验完全符合的黑体辐射经验公式。在理论上导出这个公式，必须假设物质辐射的能量是不连续的，只能是某一个最小能量的整数倍。普朗克把这一最小能量单位称为“能量子”。普朗克的假设解决了黑体辐射的理论困难。普朗克还进一步提出了能量子与频率成正比的观点，并引入了普朗克常

12、数h。量子理论现已成为现代理论和实验的不可缺少的基本理论。普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔奖金。,普朗克Max Karl Ernst Ludwig Planck(18581947),二、黑体辐射实验定律,单色反射率 对一定波长的波，单位时间、单位 面积上反射能与入射能之比,单色吸收率 对一定波长的波，单位时间、单位 面积上吸收能与入射能之比,绝对黑体（黑体）在任何温度下，对任何波长的辐射能 的吸收率恒为1的物体。,黑体模型,不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作黑体。,研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。,1、斯忒藩玻耳兹曼定律：,一定温度下,黑体的辐出度与黑体的绝对温

13、度四次方成正比，即,2、维恩位移公式：,黑体辐射的峰值波长随着温度的增加而向着短波方向移动。,b为常数,为常数,三、普朗克量子假设,黑体辐射实验是物理学晴朗天空中 一朵令人不安的乌云。,1900年普朗克为得到与实验曲线相符的公式，提出,（1）黑体腔壁中的电子的振动可看作是一维谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。,（2）这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子具有的能量只能取分立值，相应的能量是某一最小能量的整数倍，最小能量值称为能量子，其值为,能量子假设：,普朗克根据量子假设推得绝对黑体的辐射公式：,一定时间内物体辐射能量的多少，以及辐射能按波 长的分布都与温度有关。,热辐射

14、:由于物体中的分子、原子受到热激发而发射电磁波 的现象。,小结：,单色辐出度：,辐出度：,平衡热辐射辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，此时物体的热辐射平衡热辐射。,绝对黑体（黑体）在任何温度下，对任何波长的辐射能 的吸收率恒为1的物体。,斯忒藩玻耳兹曼定律：,一定温度下,黑体的辐出度与黑体的绝对温度四次方成正比，即,维恩位移公式：,黑体辐射的峰值波长随着温度的增加而向着短波方向移动。,（1）黑体腔壁中的电子的振动可看作是一维谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。,普朗克量子假设：,（2）这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子具有的能量只能取分立值，相应的能量是某一最小

15、能量的整数倍，最小能量值称为能量子，其值为,普朗克根据量子假设推得绝对黑体的辐射公式：,M（）,瑞利 金斯公式(1900年),维恩公式(1896年),实验曲线,经典物理遇到的困难,普朗克注意到在过去的理论中，把黑体中的原子和分子都看成可以吸收 或辐射电磁波的谐振子，且电磁波与谐振子交换能量时可以以任一大小的份额进行，（从0到大）。普朗克当时大胆地放弃了这一概念，提出了能量,只能按不连续的一份一份能量进行,量子概念的诞生,的吸收与辐射,量子化,具体讲：辐射物体是由一些线性谐振子组成，对频率为的谐振子，它具有的最小能量是h，能具有的其它能量值是h的整数倍，因此它吸收与辐射的能量也只能是h的整数倍。

16、即能量只能是：,量子概念的诞生,量子理论在20世纪中的发现和发展，是一个史诗式的故事，千万个问题共同交织成了量子理论的构造 量子理论在科学史和人类智能史上是独一无二的，它比相对论更加独特得多。它在观念上和过去进行了完全的决裂，而塑造了一种关于物质结构和辐射的以及关于许多基本自然力的新世界观。,JMehra,解（1）,（2）,（3）,例3 光电效应实验，已知阴极材料的逸出功W，照射光的频率 o，求：1）红限 o；2）遏止电压U0。,解:1）由爱因斯坦方程,（2）,例4：钾的光电效应红限0=4.841014Hz,解：,W=h0=6.6310-34 4.841014=2.0(eV),（2）钾的红限波

17、长,0=c/0=3108/(4.841014)=620(nm),=300nm0 能发生光电效应,=1.77（V）,求：（1）钾电子的逸出功 W;,（2）用波长=330nm的紫外光照射钾，能否发生光电效应？若能，遏止电压为多少？,（1）钾电子的逸出功W：,例：一频率为=0.5HZ，振辐为A=10cm，劲度系 数为K=3.0N/m的谐振子：,其能量,若能量变化，一次减少一个能量子，一个能量子能量：,不连续变化的比率：,若每相差一能量子画一直线,宏观看是连续的,例题,由此可见可以把经典物理看成是量子物理在量子数很大时的特殊情况（只有 n 很小时，能量的不连续才显得很明显）,对应原理：量子论对一个系统的描述，当量子数 非常大时，即与经典物理的描述一致。（1929年波尔提出）,事实上，第一个认识到普朗克假说的伟大意义的是爱因斯坦。,例题,爱因斯坦光电效应方程,爱因斯坦光电效应方程,1）由绝对黑体所得到的热辐射规律，对非黑体可近似成立。,2）热辐射规律在现代技术中有广泛的应用-高温测量、遥感、遥测、红外跟踪等。,绝对黑体,