热辐射热辐射课件.ppt

1、第二章 量子物理学的实验基础2.1 引引 言言 微观粒子与宏观物体并不仅仅是尺度大小的区别，它们的运动规律以及描述它们状态的方式上都存在着质的区别。经典物理学和量子物理学微观粒子的波粒二象性经典物理粒子和波粒是两个概念2.2 经典物理学中的粒子和波经典物理学中的粒子和波 一、经典物理中的粒子一、经典物理中的粒子l 粒子被视为质点粒子被视为质点l 其状态有它的位矢和速度确定其状态有它的位矢和速度确定rdrvdtl 在惯性参考系中，其运动服从牛顿第二运动定律在惯性参考系中，其运动服从牛顿第二运动定律dvmFdt确定的因果关系确定的因果关系二、经典物理中的波二、经典物理中的波l 波的特征量是波长和频

2、率波的特征量是波长和频率l 波总是展开在空间一定范围内，即非定域性波总是展开在空间一定范围内，即非定域性l 满足叠加原理，具有干涉和衍射等波特有的性质满足叠加原理，具有干涉和衍射等波特有的性质平面简谐波平面简谐波(,)cos(/)x tAx vt波包波包122 coscos()22kxtAkxtpdxvdtk相速：相速：群速：群速：gdvdk1x k 2t 固体在温度升高时颜色的变化，白炽灯灯丝固体在温度升高时颜色的变化，白炽灯灯丝1400K800K1000K1200K室温室温高温高温吸收吸收辐射辐射白底黑花瓷片白底黑花瓷片热辐射热辐射的特点的特点:(1)(1)连续连续;(2)(2)温度越高温

3、度越高,辐射越强辐射越强;(3)(3)频谱分布随温度变化频谱分布随温度变化;(4)(4)辐射本领越大，吸收本领也越大辐射本领越大，吸收本领也越大.KirchhoffKirchhoff，18591859年年2.3 黑体辐射黑体辐射一、热辐射一、热辐射热辐射热辐射:由温度决定的物体的由温度决定的物体的电磁辐射。电磁辐射。平衡热辐射：平衡热辐射：辐射和吸收达到辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化。平衡时，物体的温度不再变化。总辐射本领总辐射本领R(T)：(单色单色)辐射本领辐射本领Rn n(T)：在一定温度在一定温度T 下，单位时间从单位表面积黑体下，单位时间从单位表面积黑体上辐射的频率在上辐射

4、的频率在n n 附近单位频率范围内的辐射能。附近单位频率范围内的辐射能。R 00)d()d()(nnTRTRTR)()(2TRcTRcnn(,)(,)()(,)RTFTTnn n与物质本身性质无关的普适函数吸收本领吸收本领 :在频率在频率附近，单位频率间隔内被物体吸收的辐射能附近，单位频率间隔内被物体吸收的辐射能和照射在该物体的辐射能之比。和照射在该物体的辐射能之比。(,)T n二、二、Kirchhoff 定律，定律，1859绝对黑体绝对黑体(黑体黑体)：能够全部吸收各种波长的辐射且不反射：能够全部吸收各种波长的辐射且不反射和透射的物体。和透射的物体。1859年年基尔霍夫基尔霍夫证明证明:与同

5、温度与同温度其它物体其它物体的热辐射相比，的热辐射相比，黑体热辐射黑体热辐射本领本领最强。最强。煤烟煤烟 约99%黑体模型黑体模型黑体热辐射黑体热辐射温度温度材料性质材料性质0(,)(,)(,)(,)(,)RTFTRTFTTnnnn n黑体表面黑体表面()1 n三、黑体辐射三、黑体辐射应用应用:现代广泛应用于高现代广泛应用于高温测量、遥感、红温测量、遥感、红外追踪等。外追踪等。黑体辐射规律黑体辐射规律:1.斯特藩斯特藩(1879年年)玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律(1884年年)04d)()(TTRTR428Km W1051 067.5式中式中辐射本领辐射本领与与 T 4 成正比成正比.Km1075

6、6 2.8973mT2.维恩位移定律维恩位移定律(1893年年)峰值波长峰值波长 m 与温度与温度 T 成反比成反比 0.5 1.0 1.5 2.01050R(10-7 W/m2 m)(m)可见光5000K6000K3000K4000K由维恩位移定律，太阳表面的由维恩位移定律，太阳表面的温度为温度为K 61661047.0109.2109.263m3sT274 W/m1020.8)(sTTR辐射本领为辐射本领为测得太阳光谱的峰值波长在测得太阳光谱的峰值波长在绿光区域，为绿光区域，为 m=0.47 m.例例太阳不是黑体，所以按黑体计算出的太阳不是黑体，所以按黑体计算出的 Ts 不是太阳的实际温度

7、；不是太阳的实际温度；R(T)高于太阳实际高于太阳实际辐射本领辐射本领。说明说明 R m 解解估算估算太阳的表面温度和辐射本领。太阳的表面温度和辐射本领。求求四、四、Planck量子论量子论1893年Wien利用热力学和电磁学理论得到53005(,)()(,)()ccRTRTcTTnnn 或者5005004340()(,)()()()ccR TRT ddTccccTdTTTT 0()(,)|05()0mmmmmcddRTTcTdTdT ,mTb()5()0dbbbdb，令方程变为 Wien公式公式Stefan-BoltzmannWien公式公式Wien位移定律位移定律维恩半经验公式维恩半经验公

8、式(1895年年)据热力学和麦克斯韦分布率据热力学和麦克斯韦分布率瑞利瑞利金斯公式金斯公式(1900-1905年年)据电磁理论和能量均分定理据电磁理论和能量均分定理R 普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式(1900年年)普朗克常数：普朗克常数：h=6.626 075 5(40)10-34 Js 为从理论导出这一黑体辐射公式，普朗为从理论导出这一黑体辐射公式，普朗克提出了克提出了能量量子化能量量子化 假设。假设。WienRayleigh-Jeans302/2502/21(,)12(,)1hkThckThRTcechcRTRenn nn或2501(,)CTRTCe00242(,)(,)4Bc cc

9、RTTk T n1520/(,)1CTCRTePlanck电电磁磁波波普朗克能量子假设普朗克能量子假设 若谐振子频率为若谐振子频率为 v，则其能量是，则其能量是hv,2hv,3hv,nhv,首次提出微观粒子首次提出微观粒子的的能量是量子化的，打能量是量子化的，打破了经典物理学中破了经典物理学中能量能量连续的观念。连续的观念。腔壁上的原子腔壁上的原子(谐振子谐振子)能能量量与腔内电磁场交换能量时，谐振子能与腔内电磁场交换能量时，谐振子能量的变化是量的变化是 hv(能量子能量子)的整数倍的整数倍.说明说明（绝望地、不惜任何代价地）（绝望地、不惜任何代价地）打开了人们认识微观世界的大门打开了人们认识

10、微观世界的大门,在物理在物理学发展史上起了划时代的作用。学发展史上起了划时代的作用。Rayleigh-Jeans公式导出公式导出23/0/0238(),8()(-)BBE k TBE k TBdnddcEedEEk TedEnEk Tcnnnnnnnnnn根据经典统计物理和电磁理论，热平衡下空腔内电磁场以驻波形式存在，单位体积驻波模式有：由统计物理，每一谐振子的平均能量为：瑞利 金斯公式00242(,)(,)4Bc ccRTTk T n00(,)(,)4cRTTn n/0/03/30,1,2,3,4.181()()1nBBnBBnk Tnnhk Tk Tnhk Tnhneheehncennnn

11、n nn 普朗克认为，谐振子能量是量子化的，空腔内的电磁场和腔壁的原子能量交换是也是量子化的谐振子能量，普朗克公式Planck公式导出公式导出2502/2(,)41hckTc chcRTen例由Planck公式导出斯特藩玻尔兹曼定律和维恩位移定律解221555105544310044004482441442,(,)1()(,)(6.494)16.494(5.67 10)xxhckTchcxdxx dkThcc k TxPlanckRTh cec k TxR TRT ddxh cec k TWm KTh c 计如下符号公式06(,)05505(1)4.9652898 10()xxmRTexxexhcTmKkx维恩位移定律