191光的量子性黑体辐射.ppt

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1、第十九章量子物理,从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题的提出,引言,提纲,物理学的分支及近年来发展的总趋势,19-1、黑体辐射 普朗克能量子假说,热辐射,斯忒藩Stefan)-玻耳兹曼定律,维恩位移定律,绝对黑体的热辐射规律,经典物理遇到的困难,普朗克能量子假说,19-2 光电效应 光的波粒二象性,光电效应的实验规律及经典理论的困难,爱因斯坦的光子学说,光子的能量、动量和质量,（下一页）,引言：从经典物理到现代物理概述,物理学的分支及近年来发展的总趋势,物理学,经典物理,现代物理,力学热学电磁学光学,相对论量子论非线性,第19章 量子力学基础,（下一页）,近年来的发展：,粒子物理 高能

2、加速器产生新粒子，已发现300种。麦克斯韦理论、狄拉克量子电动力学、重整化方法。,天体物理 运用物理学实验方法和理论,对宇宙各种星球进行=观测和研究，从而得出相应的天文规律的学科。应用经典、=量子、广义相对论、等离子体物理和粒子物理。,*太阳中微子短缺问题,*引力波存在的问题,*物体的速度能否超过光速的问题,生物物理有机体遗传程序的研究,*有机体遗传程序的研究（须运用量子力学、统计 物理、=X射线、电子能谱 和核磁共振技术等）。,*非平衡热力学及统计物理,（下一页）,物理学发展的总趋向：,学科之间的大综合。,相互渗透结合成边缘学科。,例如：生物物理、生物化学、物理化学、量子化学、=量子电子学、

3、量子统计力学、固体量子论。,二十世纪物理学中两个重要的概念：场和对称性,从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题的提出,光电效应 康普顿效应。,黑体辐射问题，即所谓“紫外灾难”。,原子的稳定性和大小。,（下一页）,热辐射,19-1 热辐射 普朗克量子假设,平衡热辐射,发射电磁辐射能量,吸收电磁辐射能量,相等,一、黑体、黑体辐射,（下一页）,实验表明：一切物体在任何温度下都以电磁波的形式向外辐射能量。辐射的能量与温度有关，称之为热辐射。,辐射和吸收的能量相等时称为热平衡。此时物体具有稳定温度,如果一个物体能全部吸收投射在它上面的辐射而无反射，这种物体称为绝对黑体，简称黑体。,绝对黑体一个理想

4、模型,绝对黑体,实例,?,（下一页）,用不透明材料制成一空心容器，壁上开一小孔，该小孔可看成绝对黑体,绝对黑体的辐出度,二 绝对黑体的辐射定律,T,绝对黑体,实验装置,绝对黑体单色辐出度按波长分布实验,T,平行光管,绝对黑体,实验装置,二 绝对黑体的辐射定律,绝对黑体单色辐出度按波长分布实验,实验装置,T,平行光管,绝对黑体,三棱镜,二 绝对黑体的辐射定律,绝对黑体单色辐出度按波长分布实验,实验装置,T,热电偶,平行光管,绝对黑体,三棱镜,二 绝对黑体的辐射定律,绝对黑体单色辐出度按波长分布实验,（1）辐射出射度,和物体尤其是表面粗糙度有关,辐射出射度，简称辐出度,（下一页）,单色吸收比,绝对

5、黑体及其热辐射规律,在任意温度下对任何波长的电磁波吸收比恒为1 的物体称为绝对黑体。也是一个理想模型。,M0(T)对任何物体与任何表面都相同。,基尔霍夫定律,绝对黑体的单色辐出度M0(,T)就是这一普适函数,如何找到这个普适函数？,好的吸收体同时也是好的辐射体。,（下一页）,绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线,0 1 2 3 4 5 6,(m),1100K,绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线,0 1 2 3 4 5 6,(m),1300K,1100K,绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线,0 1 2 3 4 5 6,(m),1500K,1300K,1100K,绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线,

6、0 1 2 3 4 5 6,(m),1700K,1500K,1300K,1100K,（2）斯忒藩（Stefan)玻尔兹曼定律,斯忒藩常数,（下一页）,维恩位移定律:,维恩位移定律指出：当绝对黑体的温度升高时，单色辐出度最大值向短波方向移动。,（3）维恩（Wien)位移定律,（下一页）,物体辐射总能量及能量按波长分布决定于温度,固体在温度升高时颜色的变化,例子：低温火炉辐射能集中在红光。高温物体辐射能集中在蓝、绿色。,应用：光测高温计，测量发电厂炉内温度。,炉火纯青,例1 测得太阳辐射谱的峰值在490nm处。试估计太阳表面的温度、辐出度和地球接收到的总辐射能。,解,将太阳视为黑体，由维恩位移定律

7、，得：,由斯忒藩-玻耳兹曼定律有：,太阳辐射的总功率为：,地球接收到的总辐射能为：,（下一页）,例2 假设恒星表面的特性和黑体等效，测得天狼星,表面单色辐出度的最大值所对应的波长为257nm（该波长属紫外区域，所以天狼星呈紫色）。,试估计天狼星表面的温度和单位面积上的辐射功率,解：,（下一页）,三 普朗克的量子假说 普郎克公式,瑞利(Rayleigh)-金斯(Jeans)经验公式,维恩(Wien)经验公式,问题：如何从理论上找到符合实验的函数式？,（19-4b）,（下一页）,普朗克量子假说,能量子假说：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

8、的能量取值只能为某一最小能量（称为能量子）的整数倍，即：,（n为正整数）,问题：如何从理论上找到符合实验的函数式？,（下一页）,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，从理论上推导，普朗克得到了黑体辐射公式：,这一公式称为普朗克公式,它和实验符合得很好。,c 光速,e 自然对数的底,（下一页）,玻尔兹曼恒量,o,(m),1 2 3 5 6 8 9,4,7,普朗克,实验值,普朗克能量子假说的意义：,首次提出了能量不连续的假设，成功的解决了黑体辐射的理论问题。开量子之先河。所以人们称普朗克为“量子力学之父”。,（下一页）,M.V.普朗克 研究辐射的量子理论，发现

9、基本量子，提出能量量子化的假设,1918诺贝尔物理学奖,只要不到绝对零度，任何物体都不停地进行热辐射辐射（发出）的包括可见光、红外光、紫外光。而光是一份一份地以能量子的形式发出的，光的能量子就叫作光子。这将有其他的实验事实加以证明，例如：光电效应、康普顿效应人类对自然界的认识 开始进入了量子时代。量子论的诞生日，以普朗克于1900年12月14日在德国物理学会上，宣读以关于正常光谱中能量分布定律的理论为题的论文算起，至今一百年多一点。量子论和相对论一起构成了近代物理学的研究基础。,但是，能量子的数量级相当得小，以至在宏观上仍然可以把能量看作是连续变化的，只是在研究到微观领域的问题时，才不得不应用量子论和量子力学。,（下一页）,例如：弹簧振子,解：,这表明；每个能量子太小了，以致宏观物体的能量完全可视作是连续的。,（下一页作业）,作业,P310 T19-1、3,See you next time!,