大學物理：黑體輻射

黑體輻射普朗克量子假設光電效應光的波粒二象性康普頓效應德布羅意波實物粒子的二象性不確定關系量子力學簡介氫原子的玻爾理論弗蘭克-赫茲實驗氫原子的量子力學簡介多電子原子中的電子分布激光固體的能帶結構小結

量子物理基本要求1

理解普朗克的量子假設，了解普朗克的黑體輻射公式；2

理解光電效應和康普頓效應的實驗規(guī)律，以及愛因斯坦的光子理論和光電效應方程；3

了解德布羅意波假設及電子衍射實驗，理解實物粒子的波粒二象性；4理解描述物質(zhì)波動性的物理量（波長、頻率）和粒子性的物理量（動量、能量）之間的關系；

5

了解不確定關系，了解波函數(shù)及其統(tǒng)計解釋6

了解薛定諤方程及其對一維勢阱的應用，了解氫原子的薛定諤方程,能量、角動量和空間量子化，了解施忒恩一蓋拉赫實驗及微觀粒子的自旋；7

了解描述原子中電子運動狀態(tài)的四個量子數(shù)，了解泡利不相容原理、能量最小原理和原子的電子殼層結構；8

了解固體能帶的形成以及滿帶、空帶和導帶的概念，能用能帶觀點區(qū)分導體、半導體和絕緣體；9

了解半導體、N型半導體、P型半導體和P-N結；10

了解激光形成、特性及其主要應用。

開爾文(1824-1907)

十九世紀末“物理學的大廈已經(jīng)建成,以后人們的工作只是為其添磚加瓦而已”1邁—莫實驗否定了絕對參照系以太的存在；2熱輻射現(xiàn)象中的“紫外光災難”；3放射性現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)原子是可分的。

開爾文爵士于1900年4月27日在英國皇家學會的會議上發(fā)表了《Nineteenth-CenturyCloudsovertheDynamicalTheoryofHeatandLight》的著名演講。物理學分支及近年來發(fā)展總趨勢時間t關鍵概念的發(fā)展力學電磁學熱學相對論量子論1600170018001900物理學經(jīng)典物理現(xiàn)代物理力學熱學電磁學光學相對論量子論非線性物理學發(fā)展的總趨向*學科之間的大綜合。*相互滲透結合成邊緣學科。生物物理、生物化學、物理化學、量子化學量子電子學、量子統(tǒng)計力學、固體量子論從經(jīng)典物理學到量子力學過渡的三個重大問題光電效應康普頓效應黑體輻射問題即“紫外災難”原子的穩(wěn)定性和大小一為什么要研究黑體輻射？二實驗的結果和規(guī)律如何？三經(jīng)典理論出現(xiàn)了什么困難？四能量子假說的提出。15-1黑體輻射普朗克能量子假設

Thermogramofman一熱輻射黑體輻射基爾霍夫定律因分子熱運動而引起物體輻射電磁波的現(xiàn)象。1熱輻射:入射反射透射吸收輻射

物體輻射電磁波的同時也吸收電磁波。輻射和吸收達到平衡時，物體的溫度不再變化，此時物體的熱輻射稱為平衡熱輻射?；拘再|(zhì)溫度—發(fā)射的能量—電磁波的短波成分熱輻射的特點:(1)連續(xù)(2)溫度越高,輻射越強(3)頻譜分布隨溫度變化(4)物體的輻射本領與溫度、材料有關；輻射本領越大，吸收本領也越大。單色輻出度M（T）

溫度為T、單位時間內(nèi)從物體單位表面發(fā)出的波長在附近、單位波長間隔內(nèi)的電磁波的能量。單位：總輻出度M（T）

單位時間內(nèi)從物體表面單位面積上所輻射的各種波長的電磁波的能量總和。黑體：(T)=1，稱為理想黑體簡稱黑體。灰體:

(T)=，稱為灰體,稱為灰度。白體：(T)=0，稱為理想白體簡稱白體。吸收比：吸收能量與入射總能量的比值。單色吸收比

(T)

：波長在范圍的吸收率。

若物體在任何溫度下能吸收一切外來電磁輻射，則稱此物體為黑體.（絕對黑體）—-理想模型2基爾霍夫定律黑體基爾霍夫定律(1859年)

定律:

對于所有物體的單色輻出度與其單色吸收比的比值都為一定值，其與物性無關，只是波長和溫度的函數(shù)。數(shù)學表達式如下：含義:相同溫度下，不同物體單位面積發(fā)射的一定波長的輻射能量越多，吸收就越多，不發(fā)射則不吸收——適用于平衡熱輻射。熱平衡T表明：1黑體的單色輻出度是一個普適函數(shù)，有著特殊重要性！B=2在同溫下，好的吸收體必定也是好的輻射體;室溫高溫吸收輻射二黑體輻射的實驗定律1黑體模型:Wien和Lummer提出的黑體模型不透明材料制成的帶小孔空腔

2實驗裝置T熱電偶平行光管絕對黑體三棱鏡3黑體輻射實驗定律可見光5000K6000K3000K4000K0.51.01.52.010502）維恩位移定律例：低溫火爐輻射能集中在紅光。高溫物體輻射能集中在藍、綠色。維恩位移定律指出：當絕對黑體的溫度升高時，單色輻出度最大值向短波方向移動。應用：光測高溫計，測量發(fā)電廠爐內(nèi)溫度。1）斯特藩—玻爾茲曼定律：斯特藩—玻爾茲曼常量WilhelmWien1864-1928,1911

例（1）溫度為室溫的黑體，其單色輻出度的峰值所對應的波長是多少？（2）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(nèi)，其溫度應為多少？（3）以上兩輻出度之比為多少？解（2）（1）（3）例太陽的單色輻出度的峰值波長試由此估算太陽表面的溫度.解由維恩位移定律

對宇宙中其他發(fā)光星體的表面溫度也可用這種方法進行推測例

實驗測得太陽輻射波譜的λm=490nm，若把太陽視為黑體，試計算:（1）太陽表面單位面積上所發(fā)射的功率；（2）地球表面陽光直射的單位面積接收到的輻射功率；（3）地球每秒內(nèi)接收的太陽輻射能。（已知太陽半徑RS=6.96×108m，地球半徑RE=6.37×106m，地球到太陽的距離d=1.496×1011m)三瑞利—金斯公式經(jīng)典物理的困難0123624瑞利-金斯公式紫外災難實驗曲線****************T=2000K普朗克（1858—1947）

德國理論物理學家，1900年12月14日在德國物理學會上，宣讀論文《關于正常光譜中能量分布定律的理論》.勞厄稱：“量子論的誕生日”.“為了從理論上得出正確的輻射公式，必須假定物質(zhì)輻射（或吸收）的能量不是連續(xù)地、而是一份一份地進行的，只能取某個最小數(shù)值的整數(shù)倍”。

這個最小數(shù)值就叫能量子，輻射頻率是ν的能量的最小數(shù)值ε=hν。他因這一發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了量子力學的新紀元，獲得1918年諾獎。四普朗克假設、黑體輻射公式1普郎克量子假說：——普朗克黑體輻射公式電磁波

若諧振子頻率為v

，則其能量是0,hv,2hv,3hv,…,nhv,…

普朗克常數(shù)：h=6.626×10-34J·s腔壁上的原子能量諧振子與腔內(nèi)電磁場交換能量時，諧振子能量的變化是hv的整數(shù)倍.01236瑞利-金斯公式24普朗克公式的理論曲線實驗值****************實驗值與普朗克公式理論曲線比較T=2000K

（2）當量子數(shù)由增加到時，振幅的變化是多少？

例設一音叉尖端