黑體輻射的實驗規(guī)律2

黑體輻射的實驗規(guī)律演示文稿2023/4/4現(xiàn)在是1頁\一共有58頁\編輯于星期六（優(yōu)選）黑體輻射的實驗規(guī)律2023/4/4現(xiàn)在是2頁\一共有58頁\編輯于星期六第十五章

量子物理基礎(chǔ)

熱輻射普朗克的量子假設(shè)光電效應(yīng)愛因斯坦的光子理論康普頓效應(yīng)波爾氫原子理論實物粒子的波粒二象性不確定關(guān)系波函數(shù)薛定諤方程一維定態(tài)問題２１３４現(xiàn)在是3頁\一共有58頁\編輯于星期六量子理論的三大先驅(qū)

玻爾愛因斯坦普朗克1905年1913年1900年量子概念現(xiàn)在是4頁\一共有58頁\編輯于星期六？熱輻射實驗量子概念的誕生

問題：現(xiàn)在是5頁\一共有58頁\編輯于星期六何謂熱輻射

物體在任一溫度下發(fā)射從紅外線、可見光到紫外線的λ連續(xù)的電磁波?，F(xiàn)在是6頁\一共有58頁\編輯于星期六何謂熱輻射

物體在任一溫度下發(fā)射從紅外線、可見光到紫外線的λ連續(xù)的電磁波。0.6mm～760nm之間的電磁波稱為紅外線760nm～400nm之間的電磁波稱為可見光（可見光在整個電磁波譜中所占的波段最窄）400nm～5nm之間的電磁波稱為紫外線

它們都是由原子的外層電子自發(fā)輻射產(chǎn)生的．現(xiàn)在是7頁\一共有58頁\編輯于星期六何謂熱輻射火爐600度1000度400度因輻射與溫度有關(guān)，故稱熱輻射固體在溫度升高時顏色的變化1400K800K1000K1200K現(xiàn)在是8頁\一共有58頁\編輯于星期六輻射能量與T、λ有規(guī)律嗎？成為19世紀末煉鋼、電燈照明急待解決的課題現(xiàn)在是9頁\一共有58頁\編輯于星期六不能一個物體一個物體分別來研究輻射能量與T、λ的規(guī)律絕對黑體基爾霍夫——理想模型：絕對黑體在任何溫度、對于任何波長的外來輻射的

吸收率均為1的物體。

現(xiàn)在是10頁\一共有58頁\編輯于星期六絕對黑體注意：一個開有小孔的內(nèi)表面粗糙的空腔可近似看成理想的黑體。一般物體——吸收反射透射絕對黑體——吸收

輻射現(xiàn)在是11頁\一共有58頁\編輯于星期六好的吸收體也是好的輻射體絕對黑體如遠處不點燈的建筑物若室內(nèi)點燈（自身輻射較強）注意：黑體當其自身的熱輻射很弱時，看上去是黑洞洞的?，F(xiàn)在是12頁\一共有58頁\編輯于星期六絕對黑體注意：一個開有小孔的內(nèi)表面粗糙的空腔可近似看成理想的黑體。一般物體——吸收反射透射絕對黑體——吸收

輻射整個熱輻射研究可簡化為黑體輻射的研究現(xiàn)在是13頁\一共有58頁\編輯于星期六1000度熱輻射的實驗規(guī)律火爐2000度800度爐火純青2200K2000K1800K1600K熱輻射的實驗曲線1.02.03.04.05.0203010405060現(xiàn)在是14頁\一共有58頁\編輯于星期六實驗規(guī)律——找到了實驗曲線——畫出來了下一步要上升到理論：從理論上找到符合實驗曲線的函數(shù)式熱輻射規(guī)律的理論解釋現(xiàn)在是15頁\一共有58頁\編輯于星期六熱輻射的理論解釋

當時經(jīng)典物理占統(tǒng)治地位，人們自然用經(jīng)典學(xué)理論來解釋熱輻射并建立了兩個公式：1）維恩公式（Wien’sformula）1896年德國維恩（Wien）從熱力學(xué)普遍理論出發(fā)導(dǎo)出1.02.03.04.05.06.07.08.09.0維恩公式在長波方面與實驗不符熱輻射規(guī)律的理論解釋現(xiàn)在是16頁\一共有58頁\編輯于星期六1.02.03.04.05.06.07.08.09.02）瑞利--金斯公式（Rayleigh-jean’sformula）1900.6年瑞利--金斯利從電動力學(xué)和統(tǒng)計力學(xué)出發(fā)導(dǎo)出

公式在短波區(qū)域明顯與實驗不符，而理論上卻找不出錯誤

紫外災(zāi)難熱輻射規(guī)律的理論解釋現(xiàn)在是17頁\一共有58頁\編輯于星期六新實驗經(jīng)典物理尖銳矛盾紫外災(zāi)難0結(jié)果量子論相對論現(xiàn)在是18頁\一共有58頁\編輯于星期六普朗克公式（Planck’sformula）1900.10.19年德國物理學(xué)家普朗克根據(jù)實驗數(shù)據(jù)拼湊了一個公式：“普朗克公式”

該公式與實驗數(shù)據(jù)符合得很好！1.02.03.04.05.06.07.08.09.0普朗克公式曲線量子概念的誕生普朗克現(xiàn)在是19頁\一共有58頁\編輯于星期六能量不連續(xù)，只能取某一最小能量的整數(shù)倍!!!!!

普朗克量子假說1900年12月14日量子概念的誕生量子數(shù)h=6.6310-34J·s稱為普朗克恒量現(xiàn)在是20頁\一共有58頁\編輯于星期六

量子理論帶來了出人意料的科學(xué)上技術(shù)上社會上哲學(xué)上的多種多樣的新鮮成果也逐漸成了20世紀物理學(xué)中的“唯一思想模式”

量子概念的誕生揭示了微觀世界中一個重要規(guī)律，開創(chuàng)了物理學(xué)的一個全新領(lǐng)域。

現(xiàn)在是21頁\一共有58頁\編輯于星期六量子概念的誕生

普朗克誕辰100周年德國發(fā)行的2馬克面值的紀念硬幣哥庭根市公墓：h=6.6310-34J·s

“這一發(fā)現(xiàn)成為20世紀整個物理研究的基礎(chǔ)，從那時起，幾乎完全決定了物理學(xué)的發(fā)展”。

——愛因斯坦

事實上正是這一理論導(dǎo)致了量子力學(xué)的誕生，1918年因此而獲得諾貝爾獎?，F(xiàn)在是22頁\一共有58頁\編輯于星期六

“我試圖將h納入經(jīng)典理論的范圍，但一切這樣的嘗試都失敗了，這個量非常頑固”。后來他又說：“在好幾年內(nèi)我花費了很大的勞動，徒勞地去嘗試如何將作用量子引入到經(jīng)典理論中去。我的一些同事把這看成是悲劇，但我有自已的看法，因為我從這種深入剖析中獲得了極大的好處，起初我只是傾向于認為，而現(xiàn)在是確切地知道作用量子將在物理中發(fā)揮出巨大作用”。量子概念的誕生注意：普朗克這一思想是完全背離經(jīng)典物理，并受到當時許多人的懷疑和反對，包括當時的物理學(xué)泰斗---洛侖茲。乃至當時普朗克自已也想以某種方式來消除這一關(guān)系式。它寫道：現(xiàn)在是23頁\一共有58頁\編輯于星期六

量子論這個精靈蹦跳在時代的最前緣，它需要最有銳氣的頭腦和最富有創(chuàng)見的思想來激活它的靈氣。20世紀初，物理學(xué)的天空中已是黑云壓城，每一升空氣似乎都在激烈地對流和振蕩。一個偉大的時代需要偉大的人物，有史以來最出色和最富激情的“黃金一代”物理學(xué)家便在這亂世的前夕成長起來。

量子概念的誕生現(xiàn)在是24頁\一共有58頁\編輯于星期六量子理論的三大先驅(qū)

玻爾15愛因斯坦21普朗克421905年1900年量子概念現(xiàn)在是25頁\一共有58頁\編輯于星期六

問題：2.什么是光電效應(yīng)？現(xiàn)在是26頁\一共有58頁\編輯于星期六1.存在紅限頻率。2.光照到金屬表面光電流立即產(chǎn)生。3.光的最大動能只與光的頻率有關(guān)，與光強無關(guān)。4.存在飽和光電流。金屬光電子愛因斯坦————光量子理論1905年

光電效應(yīng)——光的微粒說——愛因斯坦用經(jīng)典理論無法解釋！現(xiàn)在是27頁\一共有58頁\編輯于星期六愛因斯坦光量子假說(1905)1）光束——粒子流——光子（光量子）流2）光子的能量3）單色光的強度愛因斯坦光電效應(yīng)方程逸出功

光電效應(yīng)——光的微粒說——愛因斯坦現(xiàn)在是28頁\一共有58頁\編輯于星期六

但他研究的初衷不是去證明愛因斯坦的光電效應(yīng)公式，而是要推翻愛因斯坦的公式。

1916年，密立根的實驗結(jié)果完全肯定了愛因斯坦的光電效應(yīng)方程，并且測出當時最好的普朗克常數(shù)h的值。密立根

1923年獲諾貝爾物理學(xué)獎，以表彰他對基本電荷和光電效應(yīng)的工作。

1923

光電效應(yīng)——光的微粒說——愛因斯坦現(xiàn)在是29頁\一共有58頁\編輯于星期六光的本性是什么？

粒子？！——牛頓

波粒二象性！——愛因斯坦

問題：

反射、折射、干涉、衍射、偏振波？！——現(xiàn)在是30頁\一共有58頁\編輯于星期六光的“波粒二象性”1)光在傳播過程中——波動性2)光在與物質(zhì)相互作用時——粒子性光具有“波粒二象性”愛因斯坦1921年諾貝爾物理獎。光子的能量、質(zhì)量與動量光子現(xiàn)在是31頁\一共有58頁\編輯于星期六

康普頓正在操縱X射線光譜儀

康普頓研究了X射線經(jīng)物質(zhì)散射的實驗進一步證實了愛因斯坦的光子概念。1923年—康普頓效應(yīng)——光的微粒說現(xiàn)在是32頁\一共有58頁\編輯于星期六康普頓效應(yīng)——光的微粒說現(xiàn)在是33頁\一共有58頁\編輯于星期六自由電子0(1)入射光子與外層電子彈性碰撞

外層電子受原子核束縛較弱,近似自由.碰撞時光子損失能量，波長改變.康普頓效應(yīng)的量子解釋康普頓效應(yīng)的量子解釋:能量、動量守恒現(xiàn)在是34頁\一共有58頁\編輯于星期六光子質(zhì)量遠小于原子，碰撞時光子不損失能量，波長不變。00內(nèi)層電子被緊束縛，光子相當于和整個原子發(fā)生碰撞。原子康普頓效應(yīng)的量子解釋(2)入射光子與內(nèi)層電子彈性碰撞

康普頓效應(yīng)的量子解釋:能量、動量守恒現(xiàn)在是35頁\一共有58頁\編輯于星期六光子和電子作彈性碰撞的結(jié)果

1、若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子,光子的能量減少，因此頻率變小，波長變長。2、若光子和內(nèi)層電子相碰撞時，碰撞前后光子能量幾乎不變，故波長有不變的成分。3、因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長改變和散射角有關(guān)?？灯疹D效應(yīng)的量子解釋康普頓效應(yīng)的量子解釋:能量、動量守恒波長不變的散射線波長變大的散射線光子外層電子內(nèi)層電子現(xiàn)在是36頁\一共有58頁\編輯于星期六康普頓的X射線實驗室

對證實康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻在康普頓的一本著作中曾19處提到吳有訓(xùn)吳有訓(xùn)1927康普頓效應(yīng)——光的微粒說現(xiàn)在是37頁\一共有58頁\編輯于星期六

光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)都包含有電子與光子的相互作用過程，對此，在以下幾種理解中，正確的是()

兩種效應(yīng)中電子與光子兩者組成的系統(tǒng)都服從動量守恒定律和能量守恒定律．(B)兩種效應(yīng)都相當于電子與光子的彈性碰撞過程．(C)兩種效應(yīng)都屬于電子吸收光子的過程．(D)光電效應(yīng)是吸收光子的過程，而康普頓效應(yīng)則相當于光子和電子的彈性碰撞過程．

例現(xiàn)在是38頁\一共有58頁\編輯于星期六作業(yè)本P29

一.1、2、3

二.1、7

三.1、2、5現(xiàn)在是39頁\一共有58頁\編輯于星期六量子理論的三大先驅(qū)

玻爾15愛因斯坦21普朗克421905年1913年1900年量子概念現(xiàn)在是40頁\一共有58頁\編輯于星期六何謂熱輻射

物體在任一溫度下發(fā)射從紅外線、可見光到紫外線的λ連續(xù)的電磁波。

物體在任一溫度下發(fā)射從紅外線、可見光到紫外線的λ連續(xù)的電磁波?，F(xiàn)在是41頁\一共有58頁\編輯于星期六作者姓名：安宏工作單位：大連大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院聯(lián)系方式：電話箱-素材來源教學(xué)大綱教學(xué)日歷教師簡介使用教材教輔資料大學(xué)物理A——電子課件現(xiàn)在是42頁\一共有58頁\編輯于星期六

德國物理學(xué)家，量子物理學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人，1918年諾貝爾物理學(xué)獎金的獲得者。普朗克的偉大成就，就是創(chuàng)立了量子理論，這是物理學(xué)史上的一次巨大變革。從此結(jié)束了經(jīng)典物理學(xué)一統(tǒng)天下的局面。

1900年，普朗克拋棄了能量是連續(xù)的傳統(tǒng)經(jīng)典物理觀念，導(dǎo)出了與實驗完全符合的黑體輻射經(jīng)驗公式。在理論上導(dǎo)出這個公式，必須假設(shè)物質(zhì)輻射的能量是不連續(xù)的，只能是某一個最小能量的整數(shù)倍。普朗克把這一最小能量單位稱為“能量子”。普朗克的假設(shè)解決了黑體輻射的理論困難。普朗克還進一步提出了能量子與頻率成正比的觀點，并引入了普朗克常數(shù)h。量子理論現(xiàn)已成為現(xiàn)代理論和實驗的不可缺少的基本理論。普朗克由于創(chuàng)立了量子理論而獲得了諾貝爾獎金。

普朗克MaxKarlErnstLudwigPlanck(1858―1947)現(xiàn)在是43頁\一共有58頁\編輯于星期六二、黑體輻射實驗定律單色反射率

——對一定波長的波，單位時間、單位面積上反射能與入射能之比單色吸收率

——對一定波長的波，單位時間、單位面積上吸收能與入射能之比絕對黑體（黑體）——在任何溫度下，對任何波長的輻射能的吸收率恒為1的物體。黑體模型

不透明的材料制成帶小孔的的空腔,可近似看作黑體。

研究黑體輻射的規(guī)律是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在是44頁\一共有58頁\編輯于星期六1、斯忒藩——玻耳茲曼定律：一定溫度下,黑體的輻出度與黑體的絕對溫度四次方成正比，即2、維恩位移公式：黑體輻射的峰值波長隨著溫度的增加而向著短波方向移動。b為常數(shù)σ為常數(shù)三、普朗克量子假設(shè)黑體輻射實驗是物理學(xué)晴朗天空中一朵令人不安的烏云?，F(xiàn)在是45頁\一共有58頁\編輯于星期六1900年普朗克為得到與實驗曲線相符的公式，提出（1）黑體腔壁中的電子的振動可看作是一維諧振子，這些諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能。（2）這些諧振子只能處于某些分立的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，諧振子具有的能量只能取分立值，相應(yīng)的能量是某一最小能量的整數(shù)倍，最小能量值稱為能量子，其值為能量子假設(shè)：普朗克根據(jù)量子假設(shè)推得絕對黑體的輻射公式：現(xiàn)在是46頁\一共有58頁\編輯于星期六一定時間內(nèi)物體輻射能量的多少，以及輻射能按波長的分布都與溫度有關(guān)。熱輻射:

由于物體中的分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象。小結(jié)：單色輻出度：輻出度：平衡熱輻射——輻射和吸收達到平衡時，物體的溫度不再變化，此時物體的熱輻射平衡熱輻射。絕對黑體（黑體）——在任何溫度下，對任何波長的輻射能的吸收率恒為1的物體?，F(xiàn)在是47頁\一共有58頁\編輯于星期六斯忒藩——玻耳茲曼定律：一定溫度下,黑體的輻出度與黑體的絕對溫度四次方成正比，即維恩位移公式：黑體輻射的峰值波長隨著溫度的增加而向著短波方向移動。（1）黑體腔壁中的電子的振動可看作是一維諧振子，這些諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能。普朗克量子假設(shè)：現(xiàn)在是48頁\一共有58頁\編輯于星期六（2）這些諧振子只能處于某些分立的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，諧振子具有的能量只能取分立值，相應(yīng)的能量是某一最小能量的整數(shù)倍，最小能量值稱為能量子，其值為普朗克根據(jù)量子假設(shè)推得絕對黑體的輻射公式：現(xiàn)在是49頁\一共有58頁\編輯于星期六M（Ｔ）瑞利—金斯公式(1900年)維恩公式(1896年)

實驗曲線經(jīng)典物理遇到的困難現(xiàn)在是50頁\一共有58頁\編輯于星期六普朗克注意到在過去的理論中，把黑體中的原子和分子都看成可以吸收或輻射電磁波的諧振子，且電磁波與諧振子交換能量時可以以任一大小的份額進行，（從0到大）。普朗克當時大膽地放棄了這一概念，提出了能量只能按不連續(xù)的一份一份能量進行量子概念的誕生的吸收與輻射——量子化現(xiàn)在是51頁\一共有58頁\編輯于星期六輻射黑體是由帶電諧振子組成，這些諧振子輻射電磁波并和周圍電磁場交換能量，但這些諧振子只能處于某些特殊的狀態(tài)。它們的能量只能是某些能量子的整數(shù)倍。普朗克量子假設(shè)：量子數(shù)h=6.6310-34J·s稱為普朗克恒量具體講：輻射物體是由一些線性諧振子組成，對頻率為的諧振子，它具有的最小能量是h，能具有的其它能量值是h的整數(shù)倍，因此它吸收與輻射的能量也只能是h的整數(shù)倍。即能量只能是：量子概念的誕生現(xiàn)在是52頁\一共有58頁\編輯于星期六

量子理論在20世紀中的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，是一個史詩式的故事，……千萬個問題共同交織成了量子理論的構(gòu)造……量子理論在科學(xué)史和人類智能史上是獨一無二的，它比……相對論更加獨特得多。它在觀念上和過去進行了完全的決裂，而塑造了一種關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)和輻射的以及關(guān)于許多基本自然力的新世界觀。

——J．Mehra

現(xiàn)在是53頁\一共有58頁\編輯于星期六例2

波長為450nm的單色光射到純鈉的表面上.求（1）這種光的光子能量和動量；（2）光電子逸出鈉表面時的動能；（3）若光子的能量為2.40