黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律

本次課教學(xué)基本要求了解熱輻射、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律理解普朗克量子假設(shè)理解愛因斯坦光量子假設(shè)掌握愛因斯坦方程目前一頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)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(shí)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目前二頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)量子理論的三大先驅(qū)

玻爾愛因斯坦普朗克1905年1913年1900年量子概念目前三頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)？熱輻射實(shí)驗(yàn)量子概念的誕生

問題：目前四頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)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。目前五頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)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(gè)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．目前六頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)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(shí)顏色的變化1400K800K1000K1200K目前七頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)輻射能量與T、λ有規(guī)律嗎？成為19世紀(jì)末煉鋼、電燈照明急待解決的課題目前八頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)不能一個(gè)物體一個(gè)物體分別來研究輻射能量與T、λ的規(guī)律絕對(duì)黑體基爾霍夫——理想模型：絕對(duì)黑體在任何溫度、對(duì)于任何波長(zhǎng)的外來輻射的

吸收率均為1的物體。

目前九頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)絕對(duì)黑體注意：一個(gè)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(duì)黑體——吸收

輻射目前十頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)好的吸收體也是好的輻射體絕對(duì)黑體如遠(yuǎn)處不點(diǎn)燈的建筑物若室內(nèi)點(diǎn)燈（自身輻射較強(qiáng)）注意：黑體當(dāng)其自身的熱輻射很弱時(shí)，看上去是黑洞洞的。目前十一頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)絕對(duì)黑體注意：一個(gè)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(duì)黑體——吸收

輻射整個(gè)熱輻射研究可簡(jiǎn)化為黑體輻射的研究目前十二頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)1000度熱輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律火爐2000度800度爐火純青2200K2000K1800K1600K熱輻射的實(shí)驗(yàn)曲線1.02.03.04.05.0203010405060目前十三頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)實(shí)驗(yàn)規(guī)律——找到了實(shí)驗(yàn)曲線——畫出來了下一步要上升到理論：從理論上找到符合實(shí)驗(yàn)曲線的函數(shù)式熱輻射規(guī)律的理論解釋目前十四頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)熱輻射的理論解釋

當(dāng)時(shí)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(gè)公式：1）維恩公式（Wien’sformula）1896年德國(guó)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(zhǎng)波方面與實(shí)驗(yàn)不符熱輻射規(guī)律的理論解釋目前十五頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)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(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)出發(fā)導(dǎo)出

公式在短波區(qū)域明顯與實(shí)驗(yàn)不符，而理論上卻找不出錯(cuò)誤

紫外災(zāi)難熱輻射規(guī)律的理論解釋目前十六頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)新實(shí)驗(yàn)經(jīng)典物理尖銳矛盾紫外災(zāi)難0結(jié)果量子論相對(duì)論目前十七頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)普朗克公式（Planck’sformula）1900.10.19年德國(guó)物理學(xué)家普朗克根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)拼湊了一個(gè)公式：“普朗克公式”

該公式與實(shí)驗(yàn)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目前十八頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)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稱為普朗克恒量目前十九頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)

量子理論帶來了出人意料的科學(xué)上技術(shù)上社會(huì)上哲學(xué)上的多種多樣的新鮮成果也逐漸成了20世紀(jì)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(gè)重要規(guī)律，開創(chuàng)了物理學(xué)的一個(gè)全新領(lǐng)域。

目前二十頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)量子概念的誕生

普朗克誕辰100周年德國(guó)發(fā)行的2馬克面值的紀(jì)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(jì)整個(gè)物理研究的基礎(chǔ)，從那時(shí)起，幾乎完全決定了物理學(xué)的發(fā)展”。

——愛因斯坦

事實(shí)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(jiǎng)。目前二十一頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)

“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(gè)量非常頑固”。后來他又說：“在好幾年內(nèi)我花費(fèi)了很大的勞動(dòng)，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?yàn)槲覐倪@種深入剖析中獲得了極大的好處，起初我只是傾向于認(rèn)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(dāng)時(shí)許多人的懷疑和反對(duì)，包括當(dāng)時(shí)的物理學(xué)泰斗---洛侖茲。乃至當(dāng)時(shí)普朗克自已也想以某種方式來消除這一關(guān)系式。它寫道：目前二十二頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)

量子論這個(gè)精靈蹦跳在時(shí)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(jì)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(duì)流和振蕩。一個(gè)偉大的時(shí)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(zhǎng)起來。

量子概念的誕生目前二十三頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)量子理論的三大先驅(qū)

玻爾15愛因斯坦21普朗克421905年1900年量子概念目前二十四頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)

問題：2.什么是光電效應(yīng)？目前二十五頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)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(dòng)能只與光的頻率有關(guān)，與光強(qiáng)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！目前二十六頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)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(qiáng)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——愛因斯坦目前二十七頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)

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(shí)驗(yàn)結(jié)果完全肯定了愛因斯坦的光電效應(yīng)方程，并且測(cè)出當(dāng)時(shí)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(jiǎng)，以表彰他對(duì)基本電荷和光電效應(yīng)的工作。

1923

光電效應(yīng)——光的微粒說——愛因斯坦目前二十八頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)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？！——目前二十九頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)光的“波粒二象性”1)光在傳播過程中——波動(dòng)性2)光在與物質(zhì)相互作用時(shí)——粒子性光具有“波粒二象性”愛因斯坦1921年諾貝爾物理獎(jiǎng)。光子的能量、質(zhì)量與動(dòng)量光子目前三十頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)

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(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了愛因斯坦的光子概念。1923年—康普頓效應(yīng)——光的微粒說目前三十一頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)康普頓效應(yīng)——光的微粒說目前三十二頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)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(shí)光子損失能量，波長(zhǎng)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(dòng)量守恒目前三十三頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子，碰撞時(shí)光子不損失能量，波長(zhǎng)不變。00內(nèi)層電子被緊束縛，光子相當(dāng)于和整個(gè)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(dòng)量守恒目前三十四頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)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(zhǎng)變長(zhǎng)。2、若光子和內(nèi)層電子相碰撞時(shí)，碰撞前后光子能量幾乎不變，故波長(zhǎng)有不變的成分。3、因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長(zhǎng)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(dòng)量守恒波長(zhǎng)不變的散射線波長(zhǎng)變大的散射線光子外層電子內(nèi)層電子目前三十五頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)康普頓的X射線實(shí)驗(yàn)室

對(duì)證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)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)——光的微粒說目前三十六頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)

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(duì)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(dòng)量守恒定律和能量守恒定律．(B)兩種效應(yīng)都相當(dāng)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(dāng)于光子和電子的彈性碰撞過程．

例目前三十七頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)作業(yè)本P29

一.1、2、3

二.1、7

三.1、2、5目前三十八頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)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年量子概念目前三十九頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)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。目前四十頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)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(jiǎn)介使用教材教輔資料大學(xué)物理A——電子課件目前四十一頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)

德國(guó)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(jiǎng)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(shí)驗(yàn)完全符合的黑體輻射經(jīng)驗(yàn)公式。在理論上導(dǎo)出這個(gè)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(gè)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(jìn)一步提出了能量子與頻率成正比的觀點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)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(jiǎng)金。

普朗克MaxKarlErnstLudwigPlanck(1858―1947)目前四十二頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)二、黑體輻射實(shí)驗(yàn)定律單色反射率

——對(duì)一定波長(zhǎng)的波，單位時(shí)間、單位面積上反射能與入射能之比單色吸收率

——對(duì)一定波長(zhǎng)的波，單位時(shí)間、單位面積上吸收能與入射能之比絕對(duì)黑體（黑體）——在任何溫度下，對(duì)任何波長(zhǎng)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)。目前四十三頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)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(duì)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(zhǎng)隨著溫度的增加而向著短波方向移動(dòng)。b為常數(shù)σ為常數(shù)三、普朗克量子假設(shè)黑體輻射實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)晴朗天空中一朵令人不安的烏云。目前四十四頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)1900年普朗克為得到與實(shí)驗(yàn)曲線相符的公式，提出（1）黑體腔壁中的電子的振動(dòng)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(duì)黑體的輻射公式：目前四十五頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)一定時(shí)間內(nèi)物體輻射能量的多少，以及輻射能按波長(zhǎng)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)：?jiǎn)紊棾龆龋狠棾龆龋浩胶鉄彷椛洹椛浜臀者_(dá)到平衡時(shí)，物體的溫度不再變化，此時(shí)物體的熱輻射平衡熱輻射。絕對(duì)黑體（黑體）——在任何溫度下，對(duì)任何波長(zhǎng)的輻射能的吸收率恒為1的物體。目前四十六頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)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(duì)溫度四次方成正比，即維恩位移公式：黑體輻射的峰值波長(zhǎng)隨著溫度的增加而向著短波方向移動(dòng)。（1）黑體腔壁中的電子的振動(dòng)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)：目前四十七頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)（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(duì)黑體的輻射公式：目前四十八頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)M（Ｔ）瑞利—金斯公式(1900年)維恩公式(1896年)

實(shí)驗(yàn)曲線經(jīng)典物理遇到的困難目前四十九頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)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(shí)可以以任一大小的份額進(jìn)行，（從0到大）。普朗克當(dāng)時(shí)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(jìn)行量子概念的誕生的吸收與輻射——量子化目前五十頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)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(chǎng)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(duì)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：量子概念的誕生目前五十一頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)

量子理論在20世紀(jì)中的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，是一個(gè)史詩式的故事，……千萬個(gè)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(dú)一無二的，它比……相對(duì)論更加獨(dú)特得多。它在觀念上和過去進(jìn)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

目前五十二頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)例2

波長(zhǎng)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(dòng)量；（2）光電子逸出鈉表面時(shí)的動(dòng)能；（3）若光子的能量為2.40eV，其波長(zhǎng)為多少？解（1）（2）（3）目前五十三頁\總數(shù)五十九頁\編于二十一點(diǎn)例3光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，已知陰極材料的逸出功W，

照射光的頻率>

o，

求：1）紅限o；2）遏止電壓U0