黑体辐射 普朗克假说.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电磁波,v,E,H,1,、,电磁波是一横波,2,、,E,与,H,同位相,3,、,4,、电磁波的偏振性,介质中 波速：,真空中 波速：,5.,电磁波的传播速度,能量密度,能流密度,量子物理基础,N,.,玻尔,、,M.,玻恩、,W.L.,布拉格,、,L.V.,德布罗意、,A.H.,康普顿、,M.,居里,、,P.A.M,狄喇克、,A.,爱因斯坦,、,W.K.,海森堡、,郞之万、,W.,泡利,、普朗克、薛定谔 等,第五次索尔维会议与会者合影,(,1927,年,),热辐射,普朗克的量子假设,普朗克,(1858-1947),普朗克像,16-1,热辐射 普朗克的量子假设,固体在温度升高时颜色的变化,1400,K,物体辐射总能量及能量按波长分布都决定于温度。,800,K,1000,K,1200,K,1.,热辐射现象,热辐射,:,由温度决定的物体的电磁辐射。,头,部热辐射像,头部各部分温度不同，因此它们的热辐射存在差异，这种差异可通过热象仪转换成可见光图象。,辐射,能量,0 1.0 1.75,波长,(,m),2.,单色辐出度和,辐射出射度,单色辐出度 与物体的温度和辐射波长有关。,单色辐出度：,单位时间内，温度为,T,的物体单位面积上发射的波长在 到 范围内的辐射能量 与波长间隔 的比值，用,表示。,辐射出射度,单位时间内，从物体单位面积上所发射的各种波长的总辐射能，称为物体的辐射出射度，简称辐出度。,辐出度,只是物体温度的函数。,I,3.,单色吸收比和单色反射比,如果以,I,表示入射能量，,A,和,R,分别表示吸收能量和反射能量,则有,I,(,T,)=,A,(,T,)+,R,(,T,),R,A,(,T,)+,(,T,)=1,其中,(,T,),=,A,(,T,),/,I,(,T,),称为单色吸收比。,(,T)=,R,(,T,),/,I,(,T,),称为单色反射比。,4.,绝对黑体,若物体能够完全吸收入射的全部可见光,黑颜色物体,若物体能够完全吸收任何入射波长的辐射能,绝对黑体,黑体 ：,(,T,)1,，,(,T,),=0,白体：,(,T,),=0,，,(,T,),=1,灰体：,(,T,),，,(,T,),均在,0 1,之间,在同样的温度下,各种物体对同一波长的,单色辐出度,与,单色吸收比,之比值都相等。,该定律适用于平衡热辐射。,5.,基尔霍夫辐射定律,基尔霍夫,（,1,）某物体辐射的能量多，吸收的能量也多。不辐射某一波长的辐射能，也不吸收这一波长的辐射能。,室温下的白底黑五星瓷片,高温下的白底黑五星瓷片,（,2,）对任何波长的辐射能，黑体比同温度下所有其他物体发射和吸收的都要多。,有关实验：,S,1,S,2,B,1,B,2,T,6.,黑体辐射实验规律,不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作,黑体,。,黑体模型,研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。,测定黑体辐出度的实验简图,P,L,2,B,2,A,L,1,B,1,C,A,为黑体,B,1,PB,2,为分光系统,C,为热电偶,M,0,(,10,-7,W/m,2,m),(m),0.5 1.0 1.5 2.0,10,5,0,M,0,(,10,-7,W/m,2,m),(m),可见光,5000K,6000K,3000K,4000K,黑体的辐出度与黑体的绝对温度四次方成正比：,（,1,）,斯特藩,-,玻耳兹曼定律,根据实验得出黑体辐射的两条定律：,热辐射的功率随着温度的升高而迅速增加。,斯特藩常数,M,0,(,107,W/m,2,m),(m),对于给定温度,T,，,黑体的单色辐出度,有一,最大值,其对应波长为,。,热辐射的峰值波长随着温度的增加而向着短波方向移动。,（,2,）维恩位移定律,M,0,(,10,-7,W/m,2,m),(m),太阳表面温度,M,辐出度,测得太阳光谱的峰值波长在绿光区域，为,m,=,0.47,m.,试估算,太阳的表面温度和辐出度。,例,太阳不是黑体，所以按黑体计算出的,T,s,低于太阳的实际温度；,M,B,(,T,),高于实际辐出度。,说明,解,19,世纪末，由于冶金等各方面的需求，人们急于知道辐射强度与光波长之间的函数关系。当时,维恩,和瑞利,-,金斯分别发表了两个公式，试图解决这一问题。,维恩经验公式,问题：如何从理论上找到符合实验曲线的函数式,7.,普朗克量子假设,这个公式与实验曲线波长短处符合得很好，但在波长很长处与实验曲线相差较大。,维恩,o,实验值,/,m,维恩线,1,2,3,4,5,6,7,8,瑞利,-,金斯公式,这个公式在波长很长处与实验曲线比较相近，但在短波区，按此公式，将随波长趋向于零而趋向无穷大。,瑞利、金斯两人是根据经典物理的理论严密推导的，理论值与实验值在短波区的北辙南辕，使人们不得不称之为,“紫外灾难”,。,瑞利,o,实验值,/,m,维恩线,瑞利,-,金斯线,紫,外,灾,难,1,2,3,4,5,6,7,8,维恩公式和瑞利,-,金斯公式都是用经典物理学的方法来研究热辐射所得的结果，都与实验结果不符，明显地暴露了经典物理学的缺陷。黑体辐射实验是物理学晴朗天空中,一朵令人不安的乌云。,为了解决上述困难，普朗克利用内插法将适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利,-,金斯公式衔接 起来，提出了一个新的公式：,普朗克常数,这一公式称为,普朗克公式。,它与实验结果符合得很好。,8.,普朗克的内插公式,o,实验值,/,m,维恩线,瑞利,-,金斯线,紫,外,灾,难,普,朗,克,线,1,2,3,4,5,6,7,8,普朗克公式还可以用频率表示为：,将维恩公式和瑞利公式综合在一起，理论值与实验结果符合得较好。,当,0,，,即在长波范围，普朗克定律变为瑞利,金斯公式。,当,，,即在短波范围，又与维恩定律一致。,普朗克得到上述公式后意识到，如果仅仅是一个侥幸揣测出来的内插公式，其价值只能是有限的。必须寻找这个公式的理论根据。,8.,普朗克的,能量子,假说,能量的量子假说：,辐射物质中具有带电的线性谐振子，它和周围电磁场交换能量。这些谐振子只能处于某种特殊的状态，它的能量取值只能为某一最小,能量,（,称为能量子）的整数倍，即：,，,2,3,.,n,n,为,正整数,对于频率为,的谐振子最小能量为：,式中的,k,为玻尔兹曼常数，,c,为光速，,h,为普朗克常数。,在能量子假说基础上，普朗克得到了黑体辐射公式如下,这个工作在,1900,年,12,月,14,日完成的。,这一天，被称为量子力学的生日。,令,所以,普朗克于,1918,年获诺贝尔奖。,普朗克在热辐射理论中所提出的能量子理论，启发了爱因斯坦。,爱因斯坦,的光量子理论,