黑体辐射的实验规律课件.ppt

1、黑体辐射的实验规律黑体辐射的实验规律 量子理论的三大先驱量子理论的三大先驱 玻尔玻尔爱因斯坦爱因斯坦普朗克普朗克1905年年1913年年 1900年年量子概念量子概念？热辐射热辐射实实 验验量子概念的诞生量子概念的诞生何谓热辐射何谓热辐射 何谓热辐射何谓热辐射 何谓热辐射何谓热辐射火火炉炉600度度1000度度400度度绝对黑体绝对黑体 绝对黑体绝对黑体一个开有小孔的内表一个开有小孔的内表面粗糙的空腔可近似面粗糙的空腔可近似看成理想的黑体。看成理想的黑体。一般物体一般物体吸收吸收 反射反射 透射透射绝对黑体绝对黑体吸收吸收 辐射辐射绝对黑体绝对黑体如远处不点灯的建筑物如远处不点灯的建筑物若室内

2、点灯若室内点灯（自身辐射较强）（自身辐射较强）绝对黑体绝对黑体一个开有小孔的内表一个开有小孔的内表面粗糙的空腔可近似面粗糙的空腔可近似看成理想的黑体。看成理想的黑体。一般物体一般物体吸收吸收 反射反射 透射透射绝对黑体绝对黑体吸收吸收 辐射辐射整个整个热辐射热辐射研究可简化为研究可简化为黑体辐射黑体辐射的研究的研究1000度度2000度度800度度热辐射的实验曲线热辐射的实验曲线)(TM 热辐射规律的理论解释热辐射规律的理论解释 1.02.03.04.05.06.07.08.09.0(T)M 热辐射规律的理论解释热辐射规律的理论解释1.02.0 3.04.05.0 6.0 7.08.0 9.0

3、)(TM 热辐射规律的理论解释热辐射规律的理论解释解:1）由爱因斯坦方程频率为的谐振子，它具有的最小能量是h，能具康普顿效应光的微粒说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。康普顿正在操纵X射线光谱仪1）光束粒子流光子（光量子）流固体在温度升高时颜色的变化注意：普朗克这一思想是完全背离经典物理，并透射平衡热辐射辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，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。成为19世纪末炼钢、电灯照明6310-34Js 称为普朗克恒量普朗克根据量子假设推得绝对黑体的辐射公式：千万个问题共同交织成了量子理论的构造（2）用波长=330nm的

4、紫外光照射钾，能否发生光电效应？若能，遏止电压为多少？平衡热辐射辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，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。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。)(TM 1.02.0 3.04.0 5.0 6.07.0 8.0 9.0量子概念的诞生量子概念的诞生普朗克普朗克h 量子概念的诞生量子概念的诞生 nEn 3.2.1n 量子概念的诞生量子概念的诞生h 量子概念的诞生量子概念的诞生 h 量子概念的诞生量子概念的诞生 hnEn 量子概念的诞生量子概念的诞生h 量子理论的三大先驱量子理论的三大先驱 玻尔玻尔15爱因斯坦爱因斯

5、坦21普朗克普朗克421905年年 1900年年量子概念量子概念19051905年年 光电效应光电效应不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作黑体。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。法，因为我从这种深入剖析中获得了极大的好处普朗克当时大胆地放弃了这一概念，提出了能量物体在任一温度下发射从红外线、可见光到爱因斯坦光电效应方程，起初我只是倾向于认为，而现在是确切地知道热辐射:由于物体中的分子、原子受到热激发而发射电磁波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。辐射能量 与 T、的规律例2 波长为450nm的单色光射到纯

6、钠的表面上.非常大时，即与经典物理的描述一致。爱因斯坦光量子理论法，因为我从这种深入剖析中获得了极大的好处频率为的谐振子，它具有的最小能量是h，能具光子质量远小于原子，碰撞时光子不损失能量，波长不变。它们都是由原子的外层电子自发辐射产生的0=c/0=3108/(4.光电效应光的微粒说爱因斯坦物体在任一温度下发射从红外线、可见光到h hNI WmVh 2m21 光电效应光电效应WmVh 2m21 光电效应光电效应光的本性是什么？光的本性是什么？h 2mc hp 2chm 光子光子 康普顿效应康普顿效应康普顿效应康普顿效应0 康普顿效应的康普顿效应的00康普顿效应的康普顿效应的 康普顿效应的康普顿

7、效应的波长波长的散射线的散射线波长波长的散射线的散射线光子光子外层电子外层电子层电子层电子康普顿效应康普顿效应法，因为我从这种深入剖析中获得了极大的好处揭示了微观世界中一个重要规律，受到当时许多人的怀疑和反对，包括当时的物理作业本P29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。（3）若光子的能量为2.不能一个物体一个物体分别来研究普朗克根据量子假设推得绝对黑体的辐射公式：若每相差一能量子画一直线康普顿效应的量子解释:1923 年获诺贝尔物理学奖，以表彰他对基本电荷和光电效应的工作。紫外线的连续的电磁波。光照到金属表面光电流立即产生。某些能量子的整数倍。（3）若光子的能量为2.乃至当时

8、普朗克自已也想以某康普顿效应光的微粒说揭示了微观世界中一个重要规律，光子质量远小于原子，碰撞时光子不损失能量，波长不变。频率为的谐振子，它具有的最小能量是h，能具 作业作业本本P29 一一.1、2、3 二二.1、7 三三.1、2、5量子理论的三大先驱量子理论的三大先驱 玻尔玻尔15爱因斯坦爱因斯坦21普朗克普朗克421905年年1913年年 1900年年量子概念量子概念何谓热辐射何谓热辐射 物体在任一温度下发射从红外线、可见光到物体在任一温度下发射从红外线、可见光到紫外线的紫外线的连续连续的电磁波。的电磁波。素材来源素材来源教学大纲教学大纲教学日历教学日历教师简介教师简介使用教材使用教材教辅资

9、料教辅资料大学物理大学物理A A电子课件电子课件 德国物理学家，量子物理学的开德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人，创者和奠基人，19181918年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖金的获得者。金的获得者。普朗克的伟大成就，就是创立了量普朗克的伟大成就，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革。从此结束了经典物理学一统天下的局面。局面。19001900年，普朗克抛弃了能量是连续年，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。在理论上全符合的黑体辐射

10、经验公式。在理论上导出这个公式，必须假设物质辐射的能导出这个公式，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的整数倍。普朗克把这一最小能量单位称为称为“能量子能量子”。普朗克的假设解决了。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，并提出了能量子与频率成正比的观点，并引入了普朗克常数引入了普朗克常数h h。量子理论现已成为。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普朗克由于创

11、立了量子理论而获得了诺贝尔奖金。论而获得了诺贝尔奖金。普朗克普朗克Max Karl Ernst Ludwig Planck(18581947)二、黑体辐射实验定律二、黑体辐射实验定律单色反射率单色反射率 对一定波长的波，单位时间、单位对一定波长的波，单位时间、单位 面积上反射能与入射能之比面积上反射能与入射能之比 )T(r单色吸收率单色吸收率 对一定波长的波，单位时间、单位对一定波长的波，单位时间、单位 面积上面积上吸收能与入射能之比吸收能与入射能之比 )T(a1)T(a)T(r绝对黑体（黑体）绝对黑体（黑体）在任何温度下，对任何波长的辐射能在任何温度下，对任何波长的辐射能 的吸收率恒为的吸收

12、率恒为1 1的物体。的物体。黑黑体体模模型型 不透明的材料制成带小孔的的空腔不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作黑体。可近似看作黑体。研究黑体辐射的规律是了解一般物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。热辐射性质的基础。1 1、斯忒藩、斯忒藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律：一定温度下一定温度下,黑体的辐出度与黑体的绝对温度四黑体的辐出度与黑体的绝对温度四次方成正比，即次方成正比，即2 2、维恩位移公式：、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。方向移动。bTmb b为常数为常数40dT)T(M)T(MBB为常数为

13、常数三、普朗克量子假设三、普朗克量子假设黑体辐射实验是物理学晴朗天空中黑体辐射实验是物理学晴朗天空中 一朵令人不安的乌云。一朵令人不安的乌云。19001900年普朗克为得到与实验曲线相符的公式，提出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）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。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）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

14、能量的整数倍，最小能量值称为能量子，其值为能量的整数倍，最小能量值称为能量子，其值为h能量子假设：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普朗克根据量子假设推得绝对黑体的辐射公式：11252TkhcBehc)T(M一定时间内物体辐射能量的多少，以及辐射能按波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。长的分布都与温度有关。热辐射热辐射 :由于物体中的分子、原子受到热激发而发射电磁波由于物体中的分子、原子受到热激发而发射电磁波 的现象。的现象。小结：小结：dd)T(M)T(M0d)T(M)T(M单色辐出度：单色辐出度：辐出度：辐出度：平衡热辐射平衡热辐射辐射和

15、吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，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。此时物体的热辐射平衡热辐射。绝对黑体（黑体）绝对黑体（黑体）在任何温度下，对任何波长的辐射能在任何温度下，对任何波长的辐射能 的吸收率恒为的吸收率恒为1 1的物体。的物体。2）瑞利-金斯公式（Rayleigh-jeans formula）2）热辐射规律在现代技术中有广泛的应用（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，其值为反射揭示了微观世界中一个重要规律，频率为的谐振子，它具有的最小能量是h，

16、能具平衡热辐射辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，法，因为我从这种深入剖析中获得了极大的好处1)光在传播过程中波动性它们都是由原子的外层电子自发辐射产生的一朵令人不安的乌云。紫外线的连续的电磁波。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）。某些能量子的整数倍。例2 波长为450nm的单色光射到纯钠的表面上.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。普朗克根据量子假设推得绝对黑体的辐射公式：乃至当时普朗克自已也想以某在任何温度、对于任何波长的外来辐射

17、的绝对黑体（黑体）在任何温度下，对任何波长的辐射能斯忒藩斯忒藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律：一定温度下一定温度下,黑体的辐出度与黑体的绝对温度四黑体的辐出度与黑体的绝对温度四次方成正比，即次方成正比，即维恩位移公式：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。方向移动。bTm40dT)T(M)T(MBB （1）黑体腔壁中的电子的振动可看作是一维谐振子，这）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。些谐振子可以发射和吸收辐射能。普朗克量子假设：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

18、状态）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，其值为能量的整数倍，最小能量值称为能量子，其值为h普朗克根据量子假设推得绝对黑体的辐射公式普朗克根据量子假设推得绝对黑体的辐射公式：11252TkhcBehc)T(MM（）（）瑞利瑞利 金斯公式金斯公式(1900年年)维恩公式维恩公式(1896年年)实验曲线实验曲线经典物理遇到的困难经典物理遇到的困难普朗克注意到在过去的理论普朗克注意到在过去的理论中，把黑体中的原子和分子中，把黑体中的原子和分子都看成可

19、以吸收都看成可以吸收 或辐射电或辐射电磁波的谐振子，且电磁波与磁波的谐振子，且电磁波与谐振子交换能量时可以以任谐振子交换能量时可以以任一大小的份额进行，（从一大小的份额进行，（从0到到 大）。普朗克当时大胆大）。普朗克当时大胆地放弃了这一概念，提出了地放弃了这一概念，提出了能量能量只能按不连续的一份一份能量进行只能按不连续的一份一份能量进行量子概念的诞生量子概念的诞生的吸收与辐射的吸收与辐射量子化量子化 辐射黑体是由带电谐振子组成，这些谐振子辐辐射黑体是由带电谐振子组成，这些谐振子辐射电磁波并和周围电磁场交换能量，但这些谐振射电磁波并和周围电磁场交换能量，但这些谐振子只能处于某些特殊的状态。它

20、们的能量只能是子只能处于某些特殊的状态。它们的能量只能是某些能量子某些能量子 的整数倍。的整数倍。nEnh 3.2.1n普朗克量子假设：普朗克量子假设：量子数量子数h=6.63 10-34Js 称为普朗克恒量称为普朗克恒量具体讲：辐射物体是由一些线性谐振子组成，对具体讲：辐射物体是由一些线性谐振子组成，对频率为频率为 的谐振子，它具有的最小能量是的谐振子，它具有的最小能量是h，能具能具有有的其它能量值是的其它能量值是h 的整数倍，因此它吸收与辐的整数倍，因此它吸收与辐射的能量也只能是射的能量也只能是h 的整数倍。即能量只能是：的整数倍。即能量只能是：hh2 h3量子概念的诞生量子概念的诞生 J

21、Mehra 例例2 波长为波长为450nm的单色光射到纯钠的表面上的单色光射到纯钠的表面上.求求 （1）这种光的光子能量和动量；）这种光的光子能量和动量；（2）光电子逸出钠表面时的动能；）光电子逸出钠表面时的动能；（3）若光子的能量为）若光子的能量为2.40eV，其波长为多少？其波长为多少？解解（1）hhp（2）2k21mVE（3）hchceV2.76c/eV76.2Wh eV48.0nm518例例3 3 光电效应实验，已知阴极材料的逸出功光电效应实验，已知阴极材料的逸出功W，照射光的频率照射光的频率 o，求：求：1）红限）红限 o；2）遏止电压遏止电压U0。解解:1）由爱因斯坦方程）由爱因斯

22、坦方程Wmhm221vWh ohWo（2）2021mmeUvWeUh0)(o0ehU例例4 4：钾钾的光电效应红限的光电效应红限0=4.841014Hz,解：解：Wmh2m21vW=W=h h 0 0=6.63=6.631010-34-34 4.844.8410101414=2.0(eV)=2.0(eV)（2）钾的红限波长钾的红限波长 0 0=c/=c/0 0=3=310108 8/(/(4.844.8410101414)=620(nm)=620(nm)=300nm=300nm0 0 能发生光电效应能发生光电效应2210emmUv)(1)(10WhceWheU=1.77=1.77（V V）（1

23、 1）钾电子的逸出功钾电子的逸出功W W：例：一频率为例：一频率为=0.5HZ，振辐为振辐为A=10cm，劲度系劲度系 数为数为K=3.0N/m的谐振子：的谐振子：其能量其能量)(105.11.032121222JKAE若能量变化，一次减少一个能量子，一个能量子能量：若能量变化，一次减少一个能量子，一个能量子能量：)(103.35.01063.63434Jh不连续变化的比率：不连续变化的比率：32234102.2105.1103.3E若每相差一能量子画一直线若每相差一能量子画一直线303421045103.3105.1hEnE)(105.12JXF宏观看宏观看是连续的是连续的例题例题3、因为碰

24、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。光电效应光的微粒说爱因斯坦一定温度下,黑体的辐出度与黑体的绝对温度四次方成正比，即康普顿效应光的微粒说作用量子 将在物理中发挥出巨大作用”。反射光子的能量、质量与动量普朗克把这一最小能量单位称为“能量子”。普朗克把这一最小能量单位称为“能量子”。1923 年获诺贝尔物理学奖，以表彰他对基本电荷和光电效应的工作。物体在任一温度下发射从红外线、可见光到注意：普朗克这一思想是完全背离经典物理，并760nm400nm之间的电磁波称为可见光对证实康普顿效应作出了重要贡献光电效应光的微粒说爱因斯坦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。

25、乃至当时普朗克自已也想以某2）热辐射规律在现代技术中有广泛的应用第十五章 量子物理基础841014)=620(nm)E)(105.12J宏观看宏观看是连续的是连续的 由此可见可以把经典物理看成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是量子物理在量子数很大时的特殊情况（只有殊情况（只有 n 很小时，能量的不很小时，能量的不连续才显得很明显）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。非常大时，即与经典物理的描述一致。（1929年波尔提出）年波尔提出）事实上，第一个认识到普朗克假说的伟大意义

26、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。的是爱因斯坦。例题例题 爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程WmVhm221WhmVm221WheU01）由绝对黑体所得到的热辐射规律，）由绝对黑体所得到的热辐射规律，对非黑体可近似成立。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）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。高温测量、遥感、遥测、红外跟踪等。绝对黑体绝对黑体第第十十五五章章 量量子子物物理理安安 宏宏只能按不连续的一份一份能量进行千万个问题共同交织成了量子理论的构造若每相差一能量子画一直线2、若光子和内层电子相碰撞时，碰撞前后

27、光子能量几乎不变，故波长有不变的成分。普朗克的假设解决了黑体辐射的理论困难。光电效应和康普顿效应都包含有电子与光子的相互2）瑞利-金斯公式（Rayleigh-jeans formula）的吸收率恒为1的物体。作用过程，对此，在以下几种理解中，正确的是()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。（3）若光子的能量为2.揭示了微观世界中一个重要规律，社会上面积上吸收能与入射能之比辐射能量 与 T、的规律“我试图将h 纳入经典理论的范围，但一切面积上吸收能与入射能之比用经典理论无法解释！千万个问题共同交织成了量子理论的构造1896年德国维恩（Wien）从热力学普遍理论谢谢观看！