光的量子性 黑體輻射

1、光的量子性 黑體輻射第1頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一 從經(jīng)典物理學(xué)到量子力學(xué)過渡時(shí)期的三個(gè)重大問題的提出引言 提綱 物理學(xué)的分支及近年來發(fā)展的總趨勢19-1、 黑體輻射 普朗克能量子假說 熱輻射斯忒藩Stefan)-玻耳茲曼定律維恩位移定律 絕對黑體的熱輻射規(guī)律 經(jīng)典物理遇到的困難 普朗克能量子假說 19-2 光電效應(yīng) 光的波粒二象性 光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律及經(jīng)典理論的困難 愛因斯坦的光子學(xué)說光子的能量、動(dòng)量和質(zhì)量（下一頁）第2頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一引言：從經(jīng)典物理到現(xiàn)代物理概述 物理學(xué)的分支及近年來發(fā)展的總趨勢物理學(xué)經(jīng)典物理現(xiàn)代物理力

2、學(xué)熱學(xué)電磁學(xué)光學(xué)相對論量子論非線性時(shí)間 t關(guān)鍵概念的發(fā)展力學(xué)電磁學(xué)熱學(xué)相對論量子論1600 1700 1800 1900第19章 量子力學(xué)基礎(chǔ)（下一頁）第3頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一近年來的發(fā)展：粒子物理 高能加速器產(chǎn)生新粒子，已發(fā)現(xiàn)300種。 麥克斯韋理論、狄拉克量子電動(dòng)力學(xué)、重整化方法。天體物理 運(yùn)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)方法和理論, 對宇宙各種星球進(jìn)行=觀測和研究，從而得出相應(yīng)的天文規(guī)律的學(xué)科。應(yīng)用經(jīng)典、=量子、廣義相對論、等離子體物理和粒子物理。*太陽中微子短缺問題 *引力波存在的問題 *物體的速度能否超過光速的問題 生物物理有機(jī)體遺傳程序的研究 * 有機(jī)體遺傳程序的

3、研究（須運(yùn)用量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì) 物理、=X射線、電子能譜 和核磁共振技術(shù)等）。*非平衡熱力學(xué)及統(tǒng)計(jì)物理 （下一頁）第4頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一物理學(xué)發(fā)展的總趨向： 學(xué)科之間的大綜合。 相互滲透結(jié)合成邊緣學(xué)科。例如：生物物理、生物化學(xué)、物理化學(xué)、量子化學(xué)、=量子電子學(xué)、量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)、固體量子論。二十世紀(jì)物理學(xué)中兩個(gè)重要的概念：場和對稱性 從經(jīng)典物理學(xué)到量子力學(xué)過渡時(shí)期的三個(gè)重大問題的提出 光電效應(yīng) 康普頓效應(yīng)。 黑體輻射問題，即所謂“紫外災(zāi)難”。 原子的穩(wěn)定性和大小。（下一頁）第5頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一熱輻射19-1 熱輻射 普朗克量

4、子假設(shè)平衡熱輻射發(fā)射電磁輻射能量吸收電磁輻射能量相等一、 黑體、黑體輻射 （下一頁）實(shí)驗(yàn)表明：一切物體在任何溫度下都以電磁波的形式向外輻射能量。輻射的能量與溫度有關(guān)，稱之為熱輻射。輻射和吸收的能量相等時(shí)稱為熱平衡。此時(shí)物體具有穩(wěn)定溫度第6頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一如果一個(gè)物體能全部吸收投射在它上面的輻射而無反射，這種物體稱為絕對黑體，簡稱黑體。 絕對黑體一個(gè)理想模型絕對黑體實(shí)例?空腔（下一頁）用不透明材料制成一空心容器，壁上開一小孔，該小孔可看成絕對黑體絕對黑體的輻出度第7頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一二 絕對黑體的輻射定律T絕對黑體實(shí)驗(yàn)

5、裝置絕對黑體單色輻出度按波長分布實(shí)驗(yàn)第8頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一T平行光管絕對黑體實(shí)驗(yàn)裝置二 絕對黑體的輻射定律絕對黑體單色輻出度按波長分布實(shí)驗(yàn)第9頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一實(shí)驗(yàn)裝置T平行光管絕對黑體三棱鏡二 絕對黑體的輻射定律絕對黑體單色輻出度按波長分布實(shí)驗(yàn)第10頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一實(shí)驗(yàn)裝置T熱電偶平行光管絕對黑體三棱鏡二 絕對黑體的輻射定律絕對黑體單色輻出度按波長分布實(shí)驗(yàn)第11頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一物體單位表面積發(fā)射的各種波長的 總輻射功率（1）輻射出射度如果

6、從物體表面單位面積上發(fā)出的，波長在為單色輻出度，即：,稱比值d+的輻射功率為和物體尤其是表面粗糙度有關(guān)輻射出射度，簡稱輻出度（下一頁）第12頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一單色吸收比 絕對黑體及其熱輻射規(guī)律 在任意溫度下對任何波長的電磁波吸收比恒為1 的物體稱為絕對黑體。也是一個(gè)理想模型。M0(T) 對任何物體與任何表面都相同?；鶢柣舴蚨?絕對黑體的單色輻出度M0(,T)就是這一普適函數(shù)如何找到這個(gè)普適函數(shù)？好的吸收體同時(shí)也是好的輻射體。（下一頁）第13頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一絕對黑體的單色輻出度按波長分布曲線0 1 2 3 4 5 6

7、(m)1100K第14頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一絕對黑體的單色輻出度按波長分布曲線0 1 2 3 4 5 6(m)1300K1100K第15頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一絕對黑體的單色輻出度按波長分布曲線0 1 2 3 4 5 6(m)1500K1300K1100K第16頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一絕對黑體的單色輻出度按波長分布曲線0 1 2 3 4 5 6(m)1700K1500K1300K1100K第17頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一由實(shí)驗(yàn)及理論都可以得到斯忒藩玻爾茲曼定律（2）

8、斯忒藩（Stefan)玻爾茲曼定律曲線下的面積等于絕對黑體在一定溫度下的輻射出射度即：斯忒藩常數(shù)（下一頁）第18頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一維恩位移定律: 維恩位移定律指出：當(dāng)絕對黑體的溫度升高時(shí)，單色輻出度最大值向短波方向移動(dòng)。（3） 維恩（Wien)位移定律最大值所對應(yīng)的波長為峰值波長（下一頁）第19頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一1400K物體輻射總能量及能量按波長分布決定于溫度800K1000K1200K固體在溫度升高時(shí)顏色的變化例子：低溫火爐輻射能集中在紅光。 高溫物體輻射能集中在藍(lán)、綠色。應(yīng)用：光測高溫計(jì)，測量發(fā)電廠爐內(nèi)溫度。爐火

9、純青第20頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一例1 測得太陽輻射譜的峰值在490nm處。試估計(jì)太陽表面的溫度、輻出度和地球接收到的總輻射能。解將太陽視為黑體，由維恩位移定律，得：由斯忒藩-玻耳茲曼定律有：太陽輻射的總功率為：d地球接收到的總輻射能為：（下一頁）第21頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一例2 假設(shè)恒星表面的特性和黑體等效，測得天狼星表面單色輻出度的最大值所對應(yīng)的波長為257nm（該波長屬紫外區(qū)域，所以天狼星呈紫色）。試估計(jì)天狼星表面的溫度和單位面積上的輻射功率解：（下一頁）第22頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一三 普

10、朗克的量子假說 普郎克公式瑞利(Rayleigh)-金斯(Jeans)經(jīng)驗(yàn)公式維恩(Wien)經(jīng)驗(yàn)公式問題：如何從理論上找到符合實(shí)驗(yàn)的函數(shù)式 ？（19-4b）（下一頁）第23頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一o(m)1 2 3 5 6 8 947實(shí)驗(yàn)值第24頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一o(m)1 2 3 5 6 8 947實(shí)驗(yàn)值維恩第25頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一o(m)1 2 3 5 6 8 947實(shí)驗(yàn)值瑞利-金斯紫外災(zāi)難第26頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一o(m)1 2 3 5 6 8

11、 947實(shí)驗(yàn)值瑞利-金斯紫外災(zāi)難維恩第27頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一 普朗克量子假說能量子假說：輻射物質(zhì)中具有帶電的線性諧振子，它和周圍電磁場交換能量。這些諧振子只能處于某種特殊的狀態(tài)，它的能量取值只能為某一最小能量 （稱為能量子）的整數(shù)倍，即： 對于頻率為 的諧振子最小能量為h 稱為普朗克常數(shù)，正整數(shù) n 稱為量子數(shù)。（n為正整數(shù)）問題：如何從理論上找到符合實(shí)驗(yàn)的函數(shù)式 ？（下一頁）第28頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一振子在輻射或吸收能量 時(shí)，從一個(gè)狀態(tài)躍遷到另一個(gè)狀態(tài)。在能量子假說基礎(chǔ)上，從理論上推導(dǎo)，普朗克得到了黑體輻射公式：這一公

12、式稱為普朗克公式,它和實(shí)驗(yàn)符合得很好。c 光速e 自然對數(shù)的底 （下一頁） 玻爾茲曼恒量第29頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一o(m)1 2 3 5 6 8 947普朗克實(shí)驗(yàn)值第30頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一 普朗克能量子假說的意義： 首次提出了能量不連續(xù)的假設(shè)，成功的解決了黑體輻射的理論問題。開量子之先河。所以人們稱普朗克為“量子力學(xué)之父”。（下一頁）第31頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一M.V.普朗克 研究輻射的量子理論，發(fā)現(xiàn)基本量子，提出能量量子化的假設(shè)1918諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)第32頁，共35頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)46分，星期一 只要不到絕對零度，任何物體都不停地進(jìn)行熱輻射輻射（發(fā)出）的包括可見光、紅外光、紫外光。而光是一份一份地以能量子的形式發(fā)出的，光的能量子就叫作光子。這將有其他的實(shí)驗(yàn)事實(shí)加以證明，例如：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)人類對自然界的認(rèn)識 開始進(jìn)入了量子時(shí)代。量子論的誕生日，以普朗克于1900年12月14日在德國物理學(xué)會(huì)上，宣讀以關(guān)于正常光譜中能量分布定律的理論為題的論文算起，至今一百年多一點(diǎn)。量子論和相對論一起構(gòu)成了近代物理學(xué)的研究基礎(chǔ)。 但是，能量子的數(shù)量級相當(dāng)?shù)眯?，以至在宏觀上仍然可以把能量看作是連續(xù)變化的，只是在研究到微觀領(lǐng)域的問題時(shí)，才不得不應(yīng)用量子論和量子力學(xué)。