1黑體輻射普朗克能量子假設-PPT課件

1、第十九章第十九章 量子物理基礎量子物理基礎19 1 黑體輻射黑體輻射 普朗克量子假設普朗克量子假設第十九章第十九章 量子物理基礎量子物理基礎19 1 黑體輻射黑體輻射 普朗克量子假設普朗克量子假設 量子力學是研究原子、分子和凝聚態(tài)物質的結構和性質量子力學是研究原子、分子和凝聚態(tài)物質的結構和性質的理論基礎，在化學、生物、信息、激光、能源和新材料等的理論基礎，在化學、生物、信息、激光、能源和新材料等方面的科學研究和技術開發(fā)中，發(fā)揮越來越重要的作用。方面的科學研究和技術開發(fā)中，發(fā)揮越來越重要的作用。 1900年，年，普朗克（普朗克（M.Pulanck）提出能量子，即能量量提出能量子，即能量量子化的概

2、念，這對經典物理理論是一個極大的沖擊，因為子化的概念，這對經典物理理論是一個極大的沖擊，因為能量的連續(xù)性在經典物理中是能量的連續(xù)性在經典物理中是“天經地義天經地義”的事情。在物的事情。在物理學上，理學上，能量子概念的提出具有劃時代的意義，它標志了能量子概念的提出具有劃時代的意義，它標志了量子力學的誕生。量子力學的誕生。第十九章第十九章 量子物理基礎量子物理基礎19 1 黑體輻射黑體輻射 普朗克量子假設普朗克量子假設 1905年，為解釋光電效應，年，為解釋光電效應，愛因斯坦愛因斯坦提出光量子（光子）提出光量子（光子）的概念，指出光具有波粒二象性。的概念，指出光具有波粒二象性。 1923年，年，德

3、布羅意（德布羅意（P.L.de Broglie）提出實物粒子也具有波動性的假設。波粒二象性的假提出實物粒子也具有波動性的假設。波粒二象性的假設，為物質世界建立了一個統(tǒng)一的模型。物質具有波粒二象性設，為物質世界建立了一個統(tǒng)一的模型。物質具有波粒二象性是建立量子力學的一個基本出發(fā)點。是建立量子力學的一個基本出發(fā)點。 1927年，年，戴維孫（戴維孫（C.J.Davisson）和革末（）和革末（L.H.Germer）通過鎳單晶體表面對電子束的散射，觀測到和通過鎳單晶體表面對電子束的散射，觀測到和X光衍射類似的光衍射類似的電子衍射現(xiàn)象；同年，電子衍射現(xiàn)象；同年，G.P.湯姆孫（湯姆孫（G.P.Thoms

4、on）用電子束用電子束通過多晶薄膜，證實了電子的波動性。通過多晶薄膜，證實了電子的波動性。 第十九章第十九章 量子物理基礎量子物理基礎19 1 黑體輻射黑體輻射 普朗克量子假設普朗克量子假設 1925年，年，海森伯海森伯(W.Heisenberg)放棄電子軌道等經典概念，用實驗上放棄電子軌道等經典概念，用實驗上可觀測到的光譜線的頻率和強度描述可觀測到的光譜線的頻率和強度描述原子過程，奠定了量子力學的一種形原子過程，奠定了量子力學的一種形式式矩陣力學的基礎。矩陣力學的基礎。 1926年，年，薛定諤薛定諤(E.Schrodinger)提提出了非相對論粒子（能量遠小于靜能）出了非相對論粒子（能量遠小

5、于靜能）的運動方程的運動方程薛定諤方程，由此方程出薛定諤方程，由此方程出發(fā)的量子力學稱為波動力學。發(fā)的量子力學稱為波動力學。 第十九章第十九章 量子物理基礎量子物理基礎19 1 黑體輻射黑體輻射 普朗克量子假設普朗克量子假設 矩陣力學矩陣力學和和波動力學波動力學是等價的，前者偏重于物質的是等價的，前者偏重于物質的粒子性，后者偏重于物質的波動性，它們是量子力學的粒子性，后者偏重于物質的波動性，它們是量子力學的兩種不同描述方式。薛定諤方程是微分方程，數(shù)學工具兩種不同描述方式。薛定諤方程是微分方程，數(shù)學工具人們比較熟悉，我們只簡要介紹波動力學。人們比較熟悉，我們只簡要介紹波動力學。 同年，同年，狄拉

6、克（狄拉克（P.A.M. Dirac）提出提出了電子的相對論性運動方程了電子的相對論性運動方程狄拉克方程狄拉克方程，把狹義相對論引入薛定諤方程，統(tǒng)一了，把狹義相對論引入薛定諤方程，統(tǒng)一了量子論和相對論，為研究粒子物理的量子量子論和相對論，為研究粒子物理的量子場論奠定了基礎。場論奠定了基礎。第十九章第十九章 量子物理基礎量子物理基礎19 1 黑體輻射黑體輻射 普朗克量子假設普朗克量子假設 量子物理的理論基礎量子物理的理論基礎獨立于獨立于經典力學，同我們的日常感經典力學，同我們的日常感受格格不入。對于生活在宏觀世界又比較熟悉經典力學的人受格格不入。對于生活在宏觀世界又比較熟悉經典力學的人們來說，學

7、習量子物理確有一定難度。初學者往往試圖用經們來說，學習量子物理確有一定難度。初學者往往試圖用經典的概念去理解量子物理，這將使學習陷入困境。典的概念去理解量子物理，這將使學習陷入困境。 物理學是基于實驗事實的信仰，對于量子物理來說尤其是物理學是基于實驗事實的信仰，對于量子物理來說尤其是這樣。合理的假定總是有些道理可講的，但它不能由更基本的這樣。合理的假定總是有些道理可講的，但它不能由更基本的假定或理論推導出來，其正確性只能用實驗來檢驗。假定或理論推導出來，其正確性只能用實驗來檢驗。相信這些相信這些基本假定，并自覺應用它們去分析和解決問題，是學習和理解基本假定，并自覺應用它們去分析和解決問題，是學

8、習和理解量子物理的第一步。量子物理的第一步。第十九章第十九章 量子物理基礎量子物理基礎19 1 黑體輻射黑體輻射 普朗克量子假設普朗克量子假設19. 1 黑體輻射黑體輻射 普朗克量子假設普朗克量子假設19. 2 光電效應光電效應 愛因斯坦光子理論愛因斯坦光子理論19. 3 康普頓效應及光子理論的解釋康普頓效應及光子理論的解釋19. 4 氫原子光譜氫原子光譜 玻爾的氫原子理論玻爾的氫原子理論19. 6 波函數(shù)波函數(shù) 一維定態(tài)薛定諤方程一維定態(tài)薛定諤方程 本章內容：本章內容：19. 5 微觀粒子的波粒二象性微觀粒子的波粒二象性 不確定關系不確定關系19. 7 電子自旋電子自旋 四個量子數(shù)四個量子數(shù)

9、19. 8 原子的電子殼層結構原子的電子殼層結構 第十九章第十九章 量子物理基礎量子物理基礎19 1 黑體輻射黑體輻射 普朗克量子假設普朗克量子假設一一 熱輻射熱輻射入射入射反射反射透射透射吸收吸收輻射輻射 熱輻射：在任何溫度下任何熱輻射：在任何溫度下任何物體都以電磁波的形式向外輻射物體都以電磁波的形式向外輻射能量。對于給定的物體，其輻射能量。對于給定的物體，其輻射能量的多少，輻射能量如何按波能量的多少，輻射能量如何按波長分布等都決定于物體的溫度。長分布等都決定于物體的溫度。固體在溫度升高時顏色的變化固體在溫度升高時顏色的變化1400 K800 K1000 K1200 K 輻射和吸收達到平衡時

10、，物體的輻射和吸收達到平衡時，物體的溫度不再變化溫度不再變化，此時，此時物體的熱輻射稱為物體的熱輻射稱為平衡熱輻射。平衡熱輻射。第十九章第十九章 量子物理基礎量子物理基礎19 1 黑體輻射黑體輻射 普朗克量子假設普朗克量子假設 （1 1）單色輻射出射度）單色輻射出射度 單位時間內從物體單位表面積發(fā)出單位時間內從物體單位表面積發(fā)出的頻率在的頻率在 附近單位頻率區(qū)間（或波長在附近單位頻率區(qū)間（或波長在 附近單位波長區(qū)附近單位波長區(qū)間）的電磁波的能量間）的電磁波的能量 . .單位：單位：3W/md)(d)(TMTM)(TM 單位：單位：HzW/m2d)(d)(TMTMM 取決于取決于T、 、材料種類

11、材料種類和表面情況。和表面情況。第十九章第十九章 量子物理基礎量子物理基礎19 1 黑體輻射黑體輻射 普朗克量子假設普朗克量子假設（2 2）輻射出射度）輻射出射度 （輻出度）（輻出度） 單位時間，單位面積單位時間，單位面積上所輻射出的各種頻率上所輻射出的各種頻率（或各種波長）的電磁波（或各種波長）的電磁波的能量總和的能量總和. .0d)()(TMTM0 2 4 6 8 10 12Hz10/14鎢絲和太陽的單色輻出度曲線鎢絲和太陽的單色輻出度曲線21210468)HzW/(m10)(28TM太陽太陽可見光可見光區(qū)區(qū) 鎢絲鎢絲（2750K2750K） 太陽太陽（58005800K K）)HzW/(

12、m10)(29TM鎢絲鎢絲0d)()(TMTM 輻輻出度出度只是物體只是物體溫度的函數(shù)。溫度的函數(shù)。第十九章第十九章 量子物理基礎量子物理基礎19 1 黑體輻射黑體輻射 普朗克量子假設普朗克量子假設實驗表明實驗表明 輻射能力越強的物體，其吸收能力也越強輻射能力越強的物體，其吸收能力也越強. .對于黑體，在相同溫度下的輻射規(guī)律是相同的。對于黑體，在相同溫度下的輻射規(guī)律是相同的。 不透明的材料制成帶小孔的的空腔不透明的材料制成帶小孔的的空腔, ,可近似看作可近似看作黑體。黑體。黑體與材料無關，普遍地研究熱輻射本身的規(guī)律。黑體與材料無關，普遍地研究熱輻射本身的規(guī)律。第十九章第十九章 量子物理基礎量子

13、物理基礎19 1 黑體輻射黑體輻射 普朗克量子假設普朗克量子假設T1Ls 會聚透鏡會聚透鏡2Lc空腔空腔小孔小孔平行光管平行光管棱鏡棱鏡熱電偶熱電偶測量黑體輻射出射度實驗裝置測量黑體輻射出射度實驗裝置黑體黑體分光系統(tǒng)分光系統(tǒng)對黑體加熱，放出熱輻射。對黑體加熱，放出熱輻射。用分光系統(tǒng)把輻射按頻段分開。用分光系統(tǒng)把輻射按頻段分開。用熱電偶測各頻段輻射強度，得用熱電偶測各頻段輻射強度，得 。)(TM 第十九章第十九章 量子物理基礎量子物理基礎19 1 黑體輻射黑體輻射 普朗克量子假設普朗克量子假設絕對黑體的單色輻出度按波長分布曲線絕對黑體的單色輻出度按波長分布曲線實驗曲線實驗曲線0 1 2 3 4

14、5 )/()(120mcmWTMm/1700K1500K1300K1100K 根據(jù)實驗歸納出黑體輻射的兩條定律：根據(jù)實驗歸納出黑體輻射的兩條定律：第十九章第十九章 量子物理基礎量子物理基礎19 1 黑體輻射黑體輻射 普朗克量子假設普朗克量子假設0 1000 20001.00.5 )mW10/()(314TMnm/二二 斯特藩斯特藩 玻爾茲曼定律玻爾茲曼定律 維恩位移定律維恩位移定律可見光區(qū)可見光區(qū)30003000K K60006000K K（1 1）斯特藩斯特藩玻爾茲曼定律玻爾茲曼定律40d)()(TTMTM428KmW10670. 5斯特藩斯特藩玻爾茲曼常量玻爾茲曼常量m 熱輻射的功率隨著溫

15、度熱輻射的功率隨著溫度的升高而迅速增加。的升高而迅速增加。曲線下面積為曲線下面積為M(T)1879年斯特藩從實驗上總結而得年斯特藩從實驗上總結而得1884年玻耳茲曼從理論上證明年玻耳茲曼從理論上證明第十九章第十九章 量子物理基礎量子物理基礎19 1 黑體輻射黑體輻射 普朗克量子假設普朗克量子假設（2）維恩位移定律維恩位移定律bT mKm10898. 23b常量常量峰值波長峰值波長0 1000 20001.00.5 )mW10/()(314TMnm/可見光區(qū)可見光區(qū)30003000K K60006000K Km 對于給定溫度對于給定溫度 T ，黑體的單黑體的單色輻出度色輻出度 有一最大值有一最大

16、值,其對其對應波長為應波長為 。Mm 熱輻射的峰值波長隨著溫度熱輻射的峰值波長隨著溫度的增加而向著短波方向移動。的增加而向著短波方向移動。曲線下面積為曲線下面積為M(T)第十九章第十九章 量子物理基礎量子物理基礎19 1 黑體輻射黑體輻射 普朗克量子假設普朗克量子假設40d)()(TTMTMbT m重要應用：重要應用：遙感和紅外追蹤遙感和紅外追蹤高溫比色測溫儀高溫比色測溫儀估算表面溫度估算表面溫度測溫儀測溫儀第十九章第十九章 量子物理基礎量子物理基礎19 1 黑體輻射黑體輻射 普朗克量子假設普朗克量子假設K6000K1048310898.293mbT 例例1 1 太陽的單色輻出度的峰值波長太陽

17、的單色輻出度的峰值波長 ，試由此估算太陽表面的溫度試由此估算太陽表面的溫度. .nm483m解解由維恩位移定律由維恩位移定律 對宇宙中其他發(fā)光星體的表面溫度也可用對宇宙中其他發(fā)光星體的表面溫度也可用這種方法進行推測。這種方法進行推測。第十九章第十九章 量子物理基礎量子物理基礎19 1 黑體輻射黑體輻射 普朗克量子假設普朗克量子假設nm9890nm29310898.23mTbK1046.4K105 .610898.2373mbT441037.5)()() (TTTMTM 例例2 2 （1 1）溫度為室溫溫度為室溫 的黑體，其單色輻出度的峰的黑體，其單色輻出度的峰值所對應的波長是多少？值所對應的波

18、長是多少？（2 2）若使一黑體單色輻出度的峰值若使一黑體單色輻出度的峰值所對應的波長在紅色譜線范圍內，其溫度應為多少？所對應的波長在紅色譜線范圍內，其溫度應為多少？（3 3）以以上兩輻出度之比為多少？上兩輻出度之比為多少？)C20(解解nm650m（2 2）取取（1 1）由維恩位移定律由維恩位移定律（3 3）由由斯特藩斯特藩玻爾茲曼定律玻爾茲曼定律第十九章第十九章 量子物理基礎量子物理基礎19 1 黑體輻射黑體輻射 普朗克量子假設普朗克量子假設 這個公式與實驗曲線波長短處符合得很好，但在波長很這個公式與實驗曲線波長短處符合得很好，但在波長很長處與實驗曲線相差較大。長處與實驗曲線相差較大。三三

19、黑體輻射的經典物理解釋黑體輻射的經典物理解釋維恩經驗公式維恩經驗公式 問題：如何從理論上找到問題：如何從理論上找到符合實驗曲線的函數(shù)式符合實驗曲線的函數(shù)式),()(TfTMTCeCTM251)(/mo實驗值實驗值)(TM12345678維恩線維恩線第十九章第十九章 量子物理基礎量子物理基礎19 1 黑體輻射黑體輻射 普朗克量子假設普朗克量子假設瑞利瑞利-金斯公式金斯公式TCTM43)( 這個公式在波長很長處與實驗曲線比較相近，但在短波這個公式在波長很長處與實驗曲線比較相近，但在短波區(qū)，按此公式，區(qū)，按此公式， 將隨波長趨向于零而趨向無窮大。將隨波長趨向于零而趨向無窮大。M/mo實驗值實驗值)(

20、TM12345678瑞利瑞利-金斯線金斯線紫外災難紫外災難M,第十九章第十九章 量子物理基礎量子物理基礎19 1 黑體輻射黑體輻射 普朗克量子假設普朗克量子假設1911年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎獲得者獲得者 維恩維恩 德國人德國人 Wilhelm Wien 1864-1928 熱輻射定律的發(fā)現(xiàn)熱輻射定律的發(fā)現(xiàn) 維恩公式在高頻段與實驗曲線符合得很好，維恩公式在高頻段與實驗曲線符合得很好，但在但在低頻段明顯偏離實驗曲線。低頻段明顯偏離實驗曲線。瑞利瑞利-金斯公式金斯公式 低頻段與實驗符合很好，低頻段與實驗符合很好，高頻段明顯偏離實驗曲線。高頻段明顯偏離實驗曲線。第十九章第十九章 量子物理基礎

21、量子物理基礎19 1 黑體輻射黑體輻射 普朗克量子假設普朗克量子假設 英國人英國人 Lord Rayleigh 1842-1919 氬的發(fā)現(xiàn)氬的發(fā)現(xiàn)1904年諾貝爾物理學年諾貝爾物理學獎獲得者獎獲得者 瑞利瑞利第十九章第十九章 量子物理基礎量子物理基礎19 1 黑體輻射黑體輻射 普朗克量子假設普朗克量子假設 維恩公式和瑞利維恩公式和瑞利- -金斯公式都是用經典物理學的方法來金斯公式都是用經典物理學的方法來研究熱輻射所得的結果，都與實驗結果不符，明顯地暴露研究熱輻射所得的結果，都與實驗結果不符，明顯地暴露了經典物理學的缺陷。黑體輻射實驗是物理學晴朗天空中了經典物理學的缺陷。黑體輻射實驗是物理學晴

22、朗天空中一朵令人不安的烏云。一朵令人不安的烏云。四四 普朗克假設普朗克假設 普朗克黑體輻射公式普朗克黑體輻射公式（1900 1900 年）年） 為了解決上述困難，普朗克利用內插法將適用于短波為了解決上述困難，普朗克利用內插法將適用于短波的維恩公式和適用于長波的瑞利的維恩公式和適用于長波的瑞利-金斯公式銜接金斯公式銜接 起來，提起來，提出了一個新的公式：出了一個新的公式：11252kThcehcMsJh34106260755. 6普朗克常數(shù)普朗克常數(shù) 這一公式稱為這一公式稱為普朗克公式。普朗克公式。它與實驗結果符合得很好。它與實驗結果符合得很好。第十九章第十九章 量子物理基礎量子物理基礎19 1

23、 黑體輻射黑體輻射 普朗克量子假設普朗克量子假設M 瑞利瑞利 金斯公式金斯公式(1900年年)維恩公式維恩公式 (1896年年)121)(25kThcehcTM 普朗克公式普朗克公式 (1900年年)實驗曲線實驗曲線在全波段與實驗曲線驚人地符合！在全波段與實驗曲線驚人地符合！第十九章第十九章 量子物理基礎量子物理基礎19 1 黑體輻射黑體輻射 普朗克量子假設普朗克量子假設112)(33kThechTM將維恩公式和瑞利公式綜合在一起，理論值與實驗將維恩公式和瑞利公式綜合在一起，理論值與實驗結果符合得較好。結果符合得較好。當當 0，即在長波范圍，普朗克定律變?yōu)榧丛陂L波范圍，普朗克定律變?yōu)槿鹄鹄?/p>

24、斯公式金斯公式。當當 ，即在短波范圍，又與即在短波范圍，又與維恩公式維恩公式一致。一致。普朗克公式還可以用頻率表示為：普朗克公式還可以用頻率表示為： 普朗克得到上述公式后意識到，如果僅僅是一個僥幸揣普朗克得到上述公式后意識到，如果僅僅是一個僥幸揣測出來的內插公式，其價值只能是有限的。必須尋找這個公測出來的內插公式，其價值只能是有限的。必須尋找這個公式的理論根據(jù)。他經過深入研究后發(fā)現(xiàn)：必須使諧振子的能式的理論根據(jù)。他經過深入研究后發(fā)現(xiàn)：必須使諧振子的能量取分立值，才能得到上述普朗克公式量取分立值，才能得到上述普朗克公式，普朗克提出了能量普朗克提出了能量量子化假設。量子化假設。第十九章第十九章 量

25、子物理基礎量子物理基礎19 1 黑體輻射黑體輻射 普朗克量子假設普朗克量子假設h電電磁磁波波 若諧振子頻率為若諧振子頻率為 v ，則其能量是，則其能量是 hv , 2hv, 3hv , , nhv , 腔壁上的原子腔壁上的原子(諧振子諧振子)能能量量 能量子假說：能量子假說：輻射黑體中分子、原子的振動可看作諧振子。輻射黑體中分子、原子的振動可看作諧振子。但是這些諧振子的能量只能是某一最小能量但是這些諧振子的能量只能是某一最小能量 （稱為能量子）的（稱為能量子）的整數(shù)倍，即：整數(shù)倍，即： , , , . 。n為正整數(shù)，稱為量子數(shù)。為正整數(shù)，稱為量子數(shù)。123n量子量子經典經典能量子能量子h1h2h3h4 與腔內電磁場交換與腔內電磁場交換能量時，諧振子能量的能量時，諧振子能量的變化是變化是 hv (能量子能量子) 的的整數(shù)倍整數(shù)倍.第十九章第十九章 量子物理基礎量子物理基礎19 1 黑體輻射黑體輻射 普朗克量子假設普朗克量子假設 式中的式中的k為玻爾茲曼常數(shù)，為玻爾茲曼常數(shù)，c為光速，為光速，h為普朗