黑体辐射详解课件.ppt

1、第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏 本次课本次课了解了解的的理解理解理解理解第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏 第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏量子理论的量子理论的三大先驱三大先驱 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第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏？热辐射热辐射实实 验验量子概念量子概念的诞生的诞生第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏何谓何谓热辐射热辐射 第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏何谓热辐射何谓热辐射 第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏何谓热辐射何谓热辐射火火

2、炉炉600度度1000度度400度度第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏绝对黑体绝对黑体 第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏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 辐射辐射第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏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点灯若室内点灯（自身辐射较强）（自身辐射较强）第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏绝对黑体绝对黑体一个

3、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第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏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 第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏热辐射规律的理论解释热辐射规律的理论解释第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏 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

4、解释第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏1.02.0 3.04.05.0 6.0 7.08.0 9.0)(TM 热辐射规律的理论解释热辐射规律的理论解释第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏 )(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第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏h 量子概念的诞生量子概念的诞生 nEn 3.2.1n第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏 量子概念的诞生量子概念的诞生h 第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏量子概念的诞生量

5、子概念的诞生 h 第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏 量子概念的诞生量子概念的诞生 hnEn 第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏 量子概念的诞生量子概念的诞生h 第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏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 1900年年量子概念量子概念第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏19051905年年 光电效应光电效应第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏h hNI WmVh 2m21 光电效应光电效应第十五章第十五章 量子物理量

6、子物理安安 宏宏WmVh 2m21 光电效应光电效应第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏光光的的本性本性是什么？是什么？第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏h 2mc hp 2chm 光子光子第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏 康普顿效应康普顿效应第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏康普顿效应康普顿效应第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏0 康普顿效应的康普顿效应的第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏00康普顿效应的康普顿效应的 第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏康普顿效应的康普顿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

7、光子光子外外层电子层电子层电子层电子第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏康普顿效应康普顿效应第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏 第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏 作业作业本本P29 一一.1、2、3 二二.1、7 三三.1、2、5第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏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第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏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

8、的连续连续的电磁波。的电磁波。第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏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料教辅资料第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏 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，

9、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

10、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论而获得了诺普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔奖金。贝尔奖金。普朗克普朗克Max Karl Ernst Ludwig Planck(18581947)第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏二、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

11、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 的的吸收率恒为吸收率恒为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,可近似看作可近似看作黑体黑体。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。第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏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

12、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。第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏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

13、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第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏一定时间内物体辐射能量的多少，以

14、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 长的分布都长的分布都与温度有关。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，此时物体的热辐射此时物体的热辐射平衡热辐射。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 的的吸收率恒为吸收率恒为1

15、 1的物体。的物体。第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏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：第十五章第十五章 量子物理量子物

16、理安安 宏宏 （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(M第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏M（）（）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

17、第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏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以吸收都看成可以吸收 或辐射电或辐射电磁波的磁波的谐振子谐振子，且电磁波与，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的吸收吸收与与辐射辐射量子化量子化第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏

18、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

19、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第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏 JMehra 第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏例例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）2k21mV

20、E（3）hchceV2.76c/eV76.2Wh eV48.0nm518第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏例例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）由爱因斯坦方程Wmhm221vWh ohWo（2）2021mmeUvWeUh0)(o0ehU第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏解：解：Wmh2m21vW=W=h h 0 0=6.63=6.631010-34-34 4.844.8410101414=2.0(eV)=2.0(eV)（

21、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 1）钾电子的逸出功钾电子的逸出功W W：第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏例：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

22、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第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏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

23、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。例题例题第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏 爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程WmVhm221WhmVm221WheU0第十五章第十五章 量子物理量子物理安安 宏宏1）由绝对黑体所得到的）由绝对黑体所得到的热辐射规律热辐射规律，对非黑体可近似成立。对非黑体可近似成立。2）热辐射规律）热辐射规律在现代技术中有广泛的应用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