黑体辐射、普朗克量子假说课件.ppt

1、11 1、辐射、辐射：化学发光、光致发光、场致发光、阴极发光、热辐射等。化学发光、光致发光、场致发光、阴极发光、热辐射等。3 3、热辐射的一般特点：、热辐射的一般特点：(1(1）物质在任何温度下都有热辐射。）物质在任何温度下都有热辐射。(2(2）温度越高，发射的能量越大，发射的电磁波的波长越短。）温度越高，发射的能量越大，发射的电磁波的波长越短。一、热辐一、热辐射射4 4、平衡热辐射、平衡热辐射以下只讨论平衡热辐射。以下只讨论平衡热辐射。在任一时刻在任一时刻,如果物体辐射的能量等于所吸收的能量，辐射过如果物体辐射的能量等于所吸收的能量，辐射过程达到热平衡，称为平衡热辐射。此时物体具有固定的温度

2、。程达到热平衡，称为平衡热辐射。此时物体具有固定的温度。2 2、热辐射：、热辐射：组成物质的诸微观粒子在热运动时都要使物体辐射电磁波，组成物质的诸微观粒子在热运动时都要使物体辐射电磁波，产生辐射场。这种与温度有关的辐射现象，称为热辐射。产生辐射场。这种与温度有关的辐射现象，称为热辐射。指物质以发射电磁波的形式向外界输出能量。如指物质以发射电磁波的形式向外界输出能量。如2二、单色辐射本领二、单色辐射本领 为了定量地描述不同物体在不同的温度下物体进行热辐射为了定量地描述不同物体在不同的温度下物体进行热辐射的能力，而引入单色辐射本领。的能力，而引入单色辐射本领。ddMTM)(即1,1,单色辐射本领单

3、色辐射本领 M M(T)(T)单位时间内从物体单位表面发出的波长在单位时间内从物体单位表面发出的波长在附近单位波长附近单位波长间隔内的电磁波的能量间隔内的电磁波的能量 M M（T T）称单色辐射本领。称单色辐射本领。(或单或单色辐出度色辐出度)单色辐单色辐射射本领反映了在不同温度下辐射能按波长分布的情况。本领反映了在不同温度下辐射能按波长分布的情况。实验表明：不同的物体，不同的表面（如光滑程度）其单色实验表明：不同的物体，不同的表面（如光滑程度）其单色辐辐射本领是大不相同的。射本领是大不相同的。（例如：如果我们目的是散热，则应：加大表面积，使表面粗（例如：如果我们目的是散热，则应：加大表面积，

4、使表面粗糙，使其颜色加深）糙，使其颜色加深）单色辐射本领单色辐射本领 M M（T T）是温度是温度 T T 和波长和波长的函数。的函数。32 2、吸收比、吸收比 反射比反射比 基尔霍夫定律基尔霍夫定律（1 1）吸收比反射比）吸收比反射比吸收比：物体吸收的能量和入射总能量的比值，吸收比：物体吸收的能量和入射总能量的比值，（，T T）反射比：物体反射的能量和入射总能量的比值，反射比：物体反射的能量和入射总能量的比值，（，T)T)（2 2）基尔霍夫定律）基尔霍夫定律 基尔霍夫在基尔霍夫在 1860 1860 年从理论上推得物体单色辐射本领与年从理论上推得物体单色辐射本领与单色吸收比之间的关系单色吸收

5、比之间的关系:恒量)()(TTM 所有物体的单色辐射本领所有物体的单色辐射本领 M M(T)(T)与该物体的单色吸收比与该物体的单色吸收比的比值为一恒量。的比值为一恒量。这个恒量与物体的性质无关，而只与物体的温度和辐射这个恒量与物体的性质无关，而只与物体的温度和辐射能的波长有关。能的波长有关。4说明单色吸收比大的物体，其单色辐出度也大。说明单色吸收比大的物体，其单色辐出度也大。（例如黑色物体，吸热能力强，其辐出本领也大）（例如黑色物体，吸热能力强，其辐出本领也大）若物体不能发射某一波长的辐射能，那么该物体也就不能吸若物体不能发射某一波长的辐射能，那么该物体也就不能吸收这一波长的辐射能。收这一波

6、长的辐射能。关于物体颜色的说明：关于物体颜色的说明：均指可见光范围。例如，均指可见光范围。例如，红色红色表示除红光外，其余都吸收（余类推）表示除红光外，其余都吸收（余类推）白色白色表示对所有波长的光都不吸收。表示对所有波长的光都不吸收。黑色黑色表示对所有波长的光都吸收。表示对所有波长的光都吸收。5三、绝对黑三、绝对黑体体1 1、绝对黑体模型、绝对黑体模型 由于物体辐射的光和吸收的光相同，因此黑体能辐射各种波由于物体辐射的光和吸收的光相同，因此黑体能辐射各种波长的光，它的长的光，它的M M (T T）最大且只和温度有关最大且只和温度有关。用不透明材料制成的开一个小孔的空用不透明材料制成的开一个小

7、孔的空腔，小孔面积远小于空腔内表面积，射腔，小孔面积远小于空腔内表面积，射入的电磁波能量几乎全部被吸收。小孔入的电磁波能量几乎全部被吸收。小孔能完全吸收各种波长的入射电磁波而成能完全吸收各种波长的入射电磁波而成为黑体模型。为黑体模型。有一类物体不论它们组成成分如何，它们在常温下，几乎对有一类物体不论它们组成成分如何，它们在常温下，几乎对所有波长的辐射能都能吸收。所有波长的辐射能都能吸收。黑体黑体:能完全吸收照射到它上面的各种波长的光的物体。能完全吸收照射到它上面的各种波长的光的物体。例如优质烟煤和黑色珐琅对太阳光的吸收能力可达例如优质烟煤和黑色珐琅对太阳光的吸收能力可达 99 99。6（1 1

8、）任何物体的单色辐射本领和单色吸收比等于一个恒量，）任何物体的单色辐射本领和单色吸收比等于一个恒量，而这个恒量就是同温度下绝对黑体的单色辐射本领。而这个恒量就是同温度下绝对黑体的单色辐射本领。（2 2）若知道了绝对黑体的单色辐射本领，就可了解所有物）若知道了绝对黑体的单色辐射本领，就可了解所有物体的辐射规律，因此，研究绝对黑体的辐射规律就对研究热体的辐射规律，因此，研究绝对黑体的辐射规律就对研究热辐射极为重要。辐射极为重要。式中式中 MB(T）叫做绝对黑体的单色辐射本领。叫做绝对黑体的单色辐射本领。（）（）BTTMTTM)()()()(2211由基尔霍夫定律由基尔霍夫定律2 2、绝对黑体就是吸

9、收系数、绝对黑体就是吸收系数(,T)1的物体。的物体。可知，这类物体在温度相同时，发射的辐射能按波长分布的可知，这类物体在温度相同时，发射的辐射能按波长分布的规律就完全相同。规律就完全相同。73 3、绝对黑体单色辐射本领按波长分布曲线、绝对黑体单色辐射本领按波长分布曲线 M MB B(T)(T)只和温度有关只和温度有关1100K1300K1500K1700K()MB（T）20003000 保持一定温度，用实验方法可测出单色辐射本领随波长的保持一定温度，用实验方法可测出单色辐射本领随波长的变化曲线。取不同的温度得到不同的实验曲线，如图：变化曲线。取不同的温度得到不同的实验曲线，如图：8 对待这个

10、实验曲线，许多物理学家从不同的侧面进行了研究，对待这个实验曲线，许多物理学家从不同的侧面进行了研究，并得出许多重要结论，下面是有代表意义的两条：并得出许多重要结论，下面是有代表意义的两条：v 斯忒藩斯忒藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 该定律主要是计算分布曲线下的面积v 维恩位移定律维恩位移定律 由图可看出，对应于每一条单色辐射本领按波长分布的曲线由图可看出，对应于每一条单色辐射本领按波长分布的曲线都有一个极大值，与这极大值对应的波长，叫做峰值波长都有一个极大值，与这极大值对应的波长，叫做峰值波长4TTMBbTmm.dTMTMBB0428.10670.5KmW称为称为斯忒藩常数斯忒藩常数Kmb.10

11、898.23维恩常数维恩常数9四、经典物理学所遇到的困难四、经典物理学所遇到的困难1 1、维恩公式、维恩公式 上述结果并没有给出单色辐射本领的具体函数式，十九世上述结果并没有给出单色辐射本领的具体函数式，十九世纪末，有许多物理学家用纪末，有许多物理学家用经典理论导出的经典理论导出的M MB B（T T）公式公式与实与实验结果不符合，其中最典型的是维恩公式和瑞利验结果不符合，其中最典型的是维恩公式和瑞利金斯公式。金斯公式。维恩假设：黑体的辐射可看成是由许多具有带电的简谐振维恩假设：黑体的辐射可看成是由许多具有带电的简谐振子（分子，原子的振动）所发射，辐射能按频率（波长）分子（分子，原子的振动）所

12、发射，辐射能按频率（波长）分布的规律类似于麦克斯韦分子速度分布律，于布的规律类似于麦克斯韦分子速度分布律，于 1896 1896 年得出年得出绝对黑体的单色辐出度与波长、温度关系的一个半经验公式。绝对黑体的单色辐出度与波长、温度关系的一个半经验公式。TCBeCTM251)(按照这个函数绘制出的曲线按照这个函数绘制出的曲线,其在高频其在高频 (短波短波)部份与实验曲部份与实验曲线能很好地相符线能很好地相符,但在低频但在低频 (长波长波)部份与实验曲线相差较远。部份与实验曲线相差较远。decdET/c231102 2、瑞利金斯公式、瑞利金斯公式 他们把分子物理中的能量按自由度均分原理运用到电磁他们

13、把分子物理中的能量按自由度均分原理运用到电磁辐射上，并认为在黑体空腔中辐射的电磁波是谐振子所发射辐射上，并认为在黑体空腔中辐射的电磁波是谐振子所发射的驻波，这样得到的公式为的驻波，这样得到的公式为E E 瑞瑞-金线金线维恩线维恩线实验结果实验结果11在低频段，瑞在低频段，瑞-金线与实验曲线符合得很好；金线与实验曲线符合得很好；在高频段，瑞在高频段，瑞-金线与实验曲线有明显的偏离金线与实验曲线有明显的偏离 其短波极限为无限大其短波极限为无限大(0，E)“紫外灾难紫外灾难”。kTcTMB42)(dkTcdE238E E 瑞瑞-金线金线维恩线维恩线实验结果实验结果12五、普朗克的能量子假说和黑体辐射

14、公式五、普朗克的能量子假说和黑体辐射公式 普朗克既注意到维恩公式在长波普朗克既注意到维恩公式在长波(即低频）方面的不足，即低频）方面的不足，又注意到了瑞利金斯在短波（即高频）方面的不足，为了找又注意到了瑞利金斯在短波（即高频）方面的不足，为了找到一个符合黑体辐射的表达式，普朗克作了如下两条假设。到一个符合黑体辐射的表达式，普朗克作了如下两条假设。1 1、普朗克假定（、普朗克假定（1900 1900 年）年）(1)(1)黑体是由带电谐振子组成，这些谐振子辐射电磁波，并和黑体是由带电谐振子组成，这些谐振子辐射电磁波，并和周围的电磁场交换能量。周围的电磁场交换能量。(2)(2)这些谐振子的能量不能连

15、续变化，只能取一些分立值，这这些谐振子的能量不能连续变化，只能取一些分立值，这些分立值是最小能量些分立值是最小能量的整数倍，即的整数倍，即,2,2，33，nn，n n 为正整数，为正整数，e 称为能量子，称为能量子，h h 称为普朗克常数称为普朗克常数 h=6.6260755 h=6.6260755 10 10-34-34 J J s s。而且假设频率为而且假设频率为的谐振子的最小能量为的谐振子的最小能量为=h=h132 2、普朗克公式、普朗克公式能量不连续的概念是经典物理学完全不容许的。能量不连续的概念是经典物理学完全不容许的。112)(52kThcBehcTMdecdET/c1231当当，

16、趋于维恩公式；，趋于维恩公式；当当0 0，趋于瑞利，趋于瑞利金斯公式。金斯公式。但从这个假定出发，导出了与实验曲线极为符合的普朗但从这个假定出发，导出了与实验曲线极为符合的普朗克公式：克公式：143 3、普朗克假设的意义、普朗克假设的意义 当时普朗克提出能量子的假设并没有很深刻的道理，仅仅当时普朗克提出能量子的假设并没有很深刻的道理，仅仅是为了从理论上推导出一个和实验相符的公式。是为了从理论上推导出一个和实验相符的公式。这件事本身对物理学的意义是极其深远的。能量子假设是这件事本身对物理学的意义是极其深远的。能量子假设是对经典物理的巨大突破，它直接导致了量子力学的诞生。对经典物理的巨大突破，它直接导致了量子力学的诞生。能量子概念在提出能量子概念在提出5 5年后没人理会，首先是爱因斯坦认识年后没人理会，首先是爱因斯坦认识到其深远的意义，并成功地解释了到其深远的意义，并成功地解释了“固体比热固体比热”和和“光电效光电效应应”。普朗克本入一开始也没能认识到这一点。普朗克本入一开始也没能认识到这一点。1313年后才接受了年后才接受了他自己提出的这个概念（他自己提出的这个概念（19181918年，获诺贝尔奖）。年，获诺贝尔奖）。