211黑体辐射解析.pptx

19世纪的最后一天，欧洲著名世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上，英国著的科学家欢聚一堂。会上，英国著名物理学家名物理学家W.汤姆生（即开尔文男汤姆生（即开尔文男爵）发表了新年祝词。他在回顾物爵）发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。同时，他在展望工作。同时，他在展望20世纪物理世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：学前景时，却若有所思地讲道：“美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了。罩了。”序序 言言 1900年前后年前后,人类对自然界的研究进入了人类对自然界的研究进入了微观领微观领域域，有一系列重大的实验发现都，有一系列重大的实验发现都无法用经典物理学无法用经典物理学的理论来解释的理论来解释，例如例如:黑体辐射黑体辐射 光电效应光电效应 康普顿效康普顿效应及原子光谱等实验规律应及原子光谱等实验规律.为了解释这些规律为了解释这些规律,必须建必须建立新的理论立新的理论.量子力学量子力学就是在这种背景下逐步发展起就是在这种背景下逐步发展起来的一种来的一种新理论新理论.量子概念是量子概念是 1900 年普朗克首先提出的，距今年普朗克首先提出的，距今有一百多年的历史。其间，经过有一百多年的历史。其间，经过爱因斯坦、玻尔、爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多等许多物理大师的创新努力，到物理大师的创新努力，到 20 世纪世纪 30 年代，就建立年代，就建立了一套完整的量子力学理论。了一套完整的量子力学理论。1927年在比利时首都布鲁塞尔召开的年在比利时首都布鲁塞尔召开的第五届索尔维会议参加者的合影。第五届索尔维会议参加者的合影。爱因斯坦以爱因斯坦以“上帝不会掷骰子上帝不会掷骰子”的观点反对海森的观点反对海森伯的测不准原理，而波尔反驳道，伯的测不准原理，而波尔反驳道，“爱因斯坦，不要爱因斯坦，不要告诉上帝怎么做告诉上帝怎么做”这一争论被称为波尔这一争论被称为波尔爱因斯爱因斯坦论战。坦论战。参加这次会议的二十九人中有十七人获得或参加这次会议的二十九人中有十七人获得或后来获得诺贝尔奖。后来获得诺贝尔奖。世界上没有第二张照片，能像这张一样，在一幅画世界上没有第二张照片，能像这张一样，在一幅画面内集中了如此之多、水平如此之高的人类精英。这次面内集中了如此之多、水平如此之高的人类精英。这次会议会议主题主题为为“电子和光子电子和光子”，世界上最著名的物理学家，世界上最著名的物理学家聚在一起讨论重新阐明的量子理论。聚在一起讨论重新阐明的量子理论。爱因斯坦和玻尔就爱因斯坦和玻尔就量子力学问题进行了一场激烈的量子力学问题进行了一场激烈的“论战论战”。量子力学量子力学宏观领域宏观领域经典力学经典力学现代物理的理论基础现代物理的理论基础量子力学量子力学相相 对对 论论量子力学量子力学微观世界的理论微观世界的理论起源于对波粒二相性的认识起源于对波粒二相性的认识 本章主要介绍前面提到过的实验规律及当时为本章主要介绍前面提到过的实验规律及当时为解释这些实验规律而提出的相关设想解释这些实验规律而提出的相关设想,然后对量子力然后对量子力学作初步介绍学作初步介绍.量子世界的大门是在黑体辐射问题的研究中开启的。量子世界的大门是在黑体辐射问题的研究中开启的。开始看不出它发光。开始看不出它发光。随着温度的升高，铁块开始呈现暗红色，逐步变随着温度的升高，铁块开始呈现暗红色，逐步变为赤红、橙色，最后呈现出黄白色。为赤红、橙色，最后呈现出黄白色。1400K800K1000K1200K一、一、一、一、黑体辐射及其实验规律黑体辐射及其实验规律 这说明，这说明，在不同的温度下物体能发出频率不在不同的温度下物体能发出频率不同的电磁波。同的电磁波。事实上，在任何温度下，物体都向外发射各种频率的电事实上，在任何温度下，物体都向外发射各种频率的电磁波。只是磁波。只是在不同的温度下所发出的各种电磁波的能量按频在不同的温度下所发出的各种电磁波的能量按频在不同的温度下所发出的各种电磁波的能量按频在不同的温度下所发出的各种电磁波的能量按频率有不同的分布，率有不同的分布，率有不同的分布，率有不同的分布，所以才表现为不同的颜色。所以才表现为不同的颜色。现象举例：加热铁块。现象举例：加热铁块。21.1 21.1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设 （1 1）热辐射）热辐射 实验证明不同温度下物体能发出实验证明不同温度下物体能发出不同的电磁波，这种能量按频率的分布随温度而不同不同的电磁波，这种能量按频率的分布随温度而不同的电磁辐射叫做热辐射的电磁辐射叫做热辐射.（2 2）光谱辐射出射度）光谱辐射出射度 单位时间内从物体单位表单位时间内从物体单位表面积发出的频率在面积发出的频率在 附近单位频率区间（或波长在附近单位频率区间（或波长在 附近单位波长区间）的电磁波的能量附近单位波长区间）的电磁波的能量 .光谱辐射出射度光谱辐射出射度 单位：单位：光谱辐射出射度光谱辐射出射度 单位：单位：（3）辐射出射度）辐射出射度 （辐出度）（辐出度）单位时间，单位单位时间，单位面积上所辐射出的各面积上所辐射出的各种频率（或各种波长）种频率（或各种波长）的电磁波的能量总和的电磁波的能量总和.0 2 4 6 8 10 12钨丝和太阳的钨丝和太阳的光谱辐射出射度光谱辐射出射度曲线曲线21210468太阳太阳可见可见光区光区 钨丝钨丝（5800K5800K）太阳太阳（5800K5800K）钨丝钨丝实验表明实验表明 辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强.（4）黑体）黑体 能完全吸收照射到它上面的各种频率的电能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射的物体称为黑体磁辐射的物体称为黑体.（黑体是理想模型）（黑体是理想模型）实验表明随着温度的升高：实验表明随着温度的升高：1）黑体的辐出度迅速增大；黑体的辐出度迅速增大；0M 5000K6000K3000K4000K可见光可见光 2）峰值波长逐渐向短波方向移动。峰值波长逐渐向短波方向移动。0.5 1.0 1.5 2.01050M (10-7 W/m2 m)(m)可见光可见光5000K6000K3000K4000K二、斯特藩二、斯特藩 玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 维恩位移定律维恩位移定律（1）斯特藩斯特藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律斯特藩斯特藩玻尔兹曼常量玻尔兹曼常量辐出度与辐出度与 T 4 成正比。成正比。（2）维恩位移定律维恩位移定律常量常量峰值波长峰值波长 m 与温度与温度 T 成反比成反比 0.5 1.0 1.5 2.01050M (10-7 W/m2 m)(m)可见光可见光5000K6000K3000K4000K二、斯特藩二、斯特藩 玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 维恩位移定律维恩位移定律 这两条定律是黑体辐射的基本定律，它们在这两条定律是黑体辐射的基本定律，它们在现代科学技术中有广泛的应用，是测量高温以及现代科学技术中有广泛的应用，是测量高温以及遥感和红外跟踪等技术的物理基础。恒星的有效遥感和红外跟踪等技术的物理基础。恒星的有效温度也是通过这种方法测量的。温度也是通过这种方法测量的。（1）斯特藩斯特藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律（2）维恩位移定律维恩位移定律实验测得太阳实验测得太阳光谱辐射出射度光谱辐射出射度的最大值对应的最大值对应的波长为的波长为490nm，若将太阳当作黑体，请估，若将太阳当作黑体，请估算太阳表面的温度和太阳的辐出度。算太阳表面的温度和太阳的辐出度。解：例题1：太阳表面温度太阳表面温度辐出度辐出度 太阳不是黑体，按黑体计算得出的太阳不是黑体，按黑体计算得出的 Ts 低于太阳的低于太阳的实际温度；实际温度；M B(T)高于实际辐出度。高于实际辐出度。氢弹爆炸时氢弹爆炸时，火球的中心温度可达，火球的中心温度可达107K，这，这时，火球辐射最强的波长是多少？时，火球辐射最强的波长是多少？解：普通物理学教案例题2：按黑体辐射估计按黑体辐射估计例题3：课本例题 21-2三、普朗克能量子假设三、普朗克能量子假设 在实验测得黑体辐射能谱在实验测得黑体辐射能谱 后，为后，为建立其函数表达式，建立其函数表达式，19世纪许多物理学家在经典物世纪许多物理学家在经典物理学基础上作了很多努力，结果都失败了。其中最理学基础上作了很多努力，结果都失败了。其中最典型的是维恩公式和瑞利典型的是维恩公式和瑞利金斯公式金斯公式.1.维恩公式维恩公式 从经典热力学和麦克斯韦分布律出发导出：从经典热力学和麦克斯韦分布律出发导出：维恩公式在短波部分与实验曲线符合得很好，维恩公式在短波部分与实验曲线符合得很好，但长波段有系统偏差。但长波段有系统偏差。维恩公式维恩公式2.瑞利瑞利金斯公式金斯公式 瑞利瑞利和和金斯金斯将统计物理学中的能量均分定理应将统计物理学中的能量均分定理应用到电磁辐射上，认为每个线性谐振子的平均能量用到电磁辐射上，认为每个线性谐振子的平均能量都为都为kT，他们得到的公式为，他们得到的公式为 这个公式在长波段与实验曲线这个公式在长波段与实验曲线符合得很好，但在短波段严重偏离。符合得很好，但在短波段严重偏离。物理学史上称此为物理学史上称此为“紫外灾难紫外灾难”。当当0 时，时，这显然是荒谬的。这显然是荒谬的。瑞利瑞利 维恩公式、尤其是瑞利金斯公式与实验结果维恩公式、尤其是瑞利金斯公式与实验结果不符，使物理学家大为困惑。不符，使物理学家大为困惑。非常成熟的热力学与非常成熟的热力学与非常成功的电磁场理论相结合，导出的结果居然与非常成功的电磁场理论相结合，导出的结果居然与高精度的光学实验相背！高精度的光学实验相背！这个结果揭示了微观世界这个结果揭示了微观世界的特性，同时也显示了经典理论的破绽的特性，同时也显示了经典理论的破绽.3.普朗克公式普朗克公式 普朗克普朗克德国物理学家德国物理学家.1899年，年，他从热力学独立导出了维恩公式。他从热力学独立导出了维恩公式。由于热力学涉及的是能量守恒与转由于热力学涉及的是能量守恒与转换的理论，普朗克相信维恩的结论换的理论，普朗克相信维恩的结论是正确的。是正确的。1900年年10月月7 日，实验物理学家日，实验物理学家鲁本斯鲁本斯给普朗给普朗克带来了热辐射理论与实验比较的信息。克带来了热辐射理论与实验比较的信息。当晚普朗克就用当晚普朗克就用内差法内差法搞出了一个公式。搞出了一个公式。维恩公式维恩公式瑞利瑞利 金斯公式金斯公式令令 很大时很大时改写改写 很小时很小时分母展开分母展开对维恩公对维恩公式无影响式无影响 很小时过渡到了瑞利很小时过渡到了瑞利 金斯公式金斯公式 1900年年10月月19日，在德国物理学会年会上，普朗日，在德国物理学会年会上，普朗克以克以维恩辐射定律的改进维恩辐射定律的改进为题，报告了他修改后为题，报告了他修改后的公式。的公式。应当指出，普朗克公式当时完全是参照实验结果凑出应当指出，普朗克公式当时完全是参照实验结果凑出来的。至于它的物理解释是什么，当时还是一个谜！来的。至于它的物理解释是什么，当时还是一个谜！鲁本斯把这鲁本斯把这“幸运地猜出来的内插公式幸运地猜出来的内插公式”同最同最新的实验结果比较，发现：该公式在全波段与实验结新的实验结果比较，发现：该公式在全波段与实验结果惊人地符合！果惊人地符合！普朗克认为普朗克认为:这属于物理方面的基本问题，这属于物理方面的基本问题，一定要一定要不惜任何代价，找到一个理论根据。不惜任何代价，找到一个理论根据。经典物理认为：经典物理认为：构成物体的分子、原子的振构成物体的分子、原子的振动可看作线性谐振子，黑体是由许多带电的线性动可看作线性谐振子，黑体是由许多带电的线性谐振子组成，这些谐振子不断地发射和吸收辐射谐振子组成，这些谐振子不断地发射和吸收辐射能，与周围的电磁场交换能量。能，与周围的电磁场交换能量。普朗克经过深入研究后发现：普朗克经过深入研究后发现：必须使谐振子必须使谐振子的能量取分立值，才能得到上述普朗克公式。的能量取分立值，才能得到上述普朗克公式。他提出了一个与经典物理学概念截然不同的他提出了一个与经典物理学概念截然不同的“能量子能量子”假设。假设。1、组成黑体腔壁的分子或原子可视为带电线组成黑体腔壁的分子或原子可视为带电线性谐振子；这些谐振子辐射电磁波，并和周性谐振子；这些谐振子辐射电磁波，并和周围的电磁场交换能量。围的电磁场交换能量。2、空腔壁上带电谐振子所吸收或发射的能量空腔壁上带电谐振子所吸收或发射的能量是是 h 的整数倍。的整数倍。普朗克常量普朗克常量 四、普朗克假设四、普朗克假设 普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式（1900 年）年）3、频率为频率为 的谐振子吸收或发射的的谐振子吸收或发射的能量最小值能量最小值 0=h 称为能量子。称为能量子。这是一个非同寻常的假设，按照这个假设，这是一个非同寻常的假设，按照这个假设，意味着微观谐振子的能量是一份份跳跃式变化的！意味着微观谐振子的能量是一份份跳跃式变化的！意味着最小能量单元（能量子）不可分割！意味着最小能量单元（能量子）不可分割！普朗克所作的研究其突出意义在于，他大胆地脱普朗克所作的研究其突出意义在于，他大胆地脱离了经典物理学的轨道，采用了辐射系统与辐射场间离了经典物理学的轨道，采用了辐射系统与辐射场间以不连续的方式交换能量的概念。以不连续的方式交换能量的概念。据普朗克儿子的回忆，那时普朗克曾说，他的据普朗克儿子的回忆，那时普朗克曾说，他的发现要么荒诞不经，要么也许只有牛顿的发现可以发现要么荒诞不经，要么也许只有牛顿的发现可以和他相比（狭义相对论到和他相比（狭义相对论到1905年才发表）。年才发表）。普朗克普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck,18581947)1900年年12月月14日他在德国物理学日他在德国物理学会上，宣读了以会上，宣读了以关于正常光谱中关于正常光谱中能量分布定律的理论能量分布定律的理论为题的论文，为题的论文，提出了能量的量子化假设，并导出提出了能量的量子化假设，并导出了黑体辐射的能量分布公式。这是了黑体辐射的能量分布公式。这是物理学史上的一次巨大变革。从此物理学史上的一次巨大变革。从此结束了经典物理学一统天下的局面。结束了经典物理学一统天下的局面。劳厄称这一天为劳厄称这一天为“量子论的诞生日量子论的诞生日”。德国物理学家，德国物理学家，量子物理学的开量子物理学的开创者和奠基人创者和奠基人。1918年普朗克由于年普朗克由于研究辐射的研究辐射的量子理论，发现基本量子，提出能量子理论，发现基本量子，提出能量量子化的假设量量子化的假设荣荣获诺贝尔奖。获诺贝尔奖。资料资料:普朗克在临终时说普朗克在临终时说:“我总想用什么方法把基本量我总想用什么方法把基本量子和经典理论调和一下子和经典理论调和一下.为此我花费了巨大的精力为此我花费了巨大的精力,徒劳无功地研究了好几年徒劳无功地研究了好几年.我有许多同事认为这是一我有许多同事认为这是一场悲剧场悲剧,然而我并不那么看然而我并不那么看,因为这项研究工作使我因为这项研究工作使我的思想很深切地理出了头绪的思想很深切地理出了头绪,这对我来说是有巨大价这对我来说是有巨大价值的值的.现在我敢肯定现在我敢肯定,作用量子的根本意义比我原来作用量子的根本意义比我原来猜想的要重要得多猜想的要重要得多.”黑体辐射的应用黑体辐射的应用测量温度：测量温度：通过测量星体的谱线分布来确定通过测量星体的谱线分布来确定 其热力学温度；其热力学温度；热象图：热象图：通过比较物体表面不同区域的颜色变化通过比较物体表面不同区域的颜色变化 情况来确定物体表面的温度分布；情况来确定物体表面的温度分布；3K背景辐射：背景辐射：对来自外界空间的辐射，可用对来自外界空间的辐射，可用 Wein 位移公式来估算；位移公式来估算；消失线高温计：消失线高温计：测量炉温。测量炉温。