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第1节黑体辐射普朗克能量子假设.ppt

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第1节黑体辐射普朗克能量子假设.ppt

第十章 量子论 1 量子物理引言 到十九世纪末期,物理学各个分支的发展都已日 臻完善,并不断取得新的成就。首先在牛顿力学基础 上,哈密顿和拉格朗日等人建立起来的分析力学,几 乎达到无懈可击的地步,特别是十九世纪中期,海王 星的发现充分表明了牛顿力学是完美无缺的。其次, 通过克劳修斯、玻耳兹曼和吉布斯等人的巨大努力, 建立了体系完整而又严密的热力学和统计力学,并且 应用越来越广泛。 由安培、法拉第和麦克斯韦等人对电磁现象进行 的深入而系统的研究,为电动力学奠定了坚实的基础, 特别是由麦克斯韦的电磁场方程组预言了电磁波的存 在,随即被赫兹的实验所证实。后来又把牛顿、惠更 斯和菲涅耳所建立的光学也纳入了电动力学的范畴, 更是一项辉煌的成就。 2 3 因此当时许多著名的物理学家都认为物理学的基 本规律都已被发现,今后的任务只是把物理学的基本 规律应用到各种具体问题上,并用来说明各种新的实 验事实而已。就连当时赫赫有名对物理学各方面都做 出过重要贡献的权威人物开耳文在一篇于 1900 年发表 的瞻望二十世纪物理学发展的文章中也说:“在已经 基本建成的科学大厦中,后辈物理学家只需要做一些 零星的修补工作就行了”,不过接着又指出:“但是 在物理晴朗天空的远处,还有两朵小小令人不安的乌 云”,即运用当时的物理学理论所无法正确解释的两 个实验现象,一个是热辐射现象中的紫外灾难,另一 个是否定绝对时空观的迈克尔逊 -- 莫雷实验。正是这 两朵小小的乌云,冲破了经典物理学的束缚,打消了 当时绝大多数物理学家的盲目乐观情绪,为后来建立 近代物理学的理论基础作出了贡献。 事实上还有第三朵小小的乌云,这就是放射性现象的 发现,它有力地表明了原子不是构成物质的基本单元, 原子也是可以分割的。 所有这些实验结果都是经典物理学无法解释的, 它们使经典物理处于十分困难境地,为摆脱这种困境, 有一些思想敏锐而又不受旧观念束缚的物理学家纷纷 重新思考研究,在二十世纪初期,建立起了近代物理 的两大支柱 ------ 量子论和相对论,并在这个基础上 又建立起以研究原子的结构、性质及其运动规律为目 的的原子物理学,后来又进一步发展,相继建立起原 子核物理学和基本粒子物理学,这些内容统称为量子 物理学。 4 第一节 黑体辐射 普朗 克能量子假设 5 一、热辐射 1. 热辐射现象 任何物体在任何温度下都要发射各种波长的电 磁波,并且其辐射能量的大小及辐射能量按波长的 分布都与温度有关。 这种由于物质中的分子、原子受到热激发而发射 电磁波的现象称为 热辐射 。 ① . 物体在任何温度下都会辐射能量。 注 ② . 物体既会辐射能量,也会吸收能量。物体在某 意 个频率范围内发射电磁波能力越大,则它吸收该 频率范围内电磁波能力也越大。 辐射和吸收的能量恰相等时称为 热平衡 。此时温 度恒定不变。 6 实验表明:物体辐射能多少决定于物体的温度( T )、 辐射的波长、时间的长短和发射的面积。 2. 基尔霍夫定律 1. 几个概念 ( 1 )单色辐出度 e ( ? , T ) 描写物体辐射本领的物理量。类似于波强。 如果从物体单位表面上发射的、波长在 ? 到 ? + d ? 之 dE 间的辐射功率为 dE , 则 与 d ? 之比称为 单色辐出 ? ? 度 。 表示在一定温度 T 下,单位时间内 e ? 是温度T和波长 ? 的函数,常写成 , T ) 。 e ( ? 7 dE ? e ? ? d ? 从物体表面单位面积上波长在 ? 附 近单位波长间隔内辐射出的能量。 它描述了物体热辐射的能谱分布。 E ( T ) (2)辐出度 描写物体在温度 T 时向外辐射能量本领的物理量。 从物体单位表面积上发射的各种波长辐射的总功率。 E ( T ) ? ? e ( ? , T ) d ? 0 ? 表示在温度 T 时单位时间内、单位 面积整个波长范围内的辐射出能量。 辐出度仅是温度的函数。 (3)吸收比 当辐射从外界入射到物体表面时,被物体吸收的 能量与入射能量之比称为 吸收比 。 波长 在从 ? 到 ? + d ? 间隔范围内的吸收比称为单色吸 ? ( ? , T ) 表示。 收比。用 8 吸收能量 ? ( ? , T ) ? 入射总能量 2 . 基尔霍夫定律 A 2 N 个不同的物体置于一绝热恒温体内, 经过热辐射交换能量,达到热平衡态。 A 1 A 3 要维持温度不变,则物体吸收的辐射 能必须等于辐射出去的能量。 但不同物体的辐出度是不同的。要维持平衡热辐射, 只有辐射能量较多的物体吸收能量也多,反之亦然。 辐出度较大的物体,其吸收本领一定也较大;辐出度 较小的物体,其吸收本领也一定较小。 在热平衡下,任何物体的 单色辐出度 与 单色吸收比 的比值与物体的性质无关,对于所有物体,这个比值 是波长和温度的普适函数。 基尔霍夫定律 9 e ( ? , T ) ? e 0 ( ? , T ) 好的吸收体也是好的发射体。 ? ( ? , T ) 3 . 黑体辐射 1. 黑体 物体具有向四周辐射能量的本领,又有吸收外界 辐射来的能量。 黑体 是指在任何温度下,全部吸收任何波长的辐射的 物体。 对于任意温度或波长,绝对黑体的吸收比都恒为 1 : e ( ? , T ) ? e 0 ( ? , T ) ? ( ? , T ) ? ( ? , T ) ? 1 根据基尔霍夫定律,黑体既是完 全的吸收体,也是理想的发射体。 黑体是一种理想的模型,在自然 界中并不存在完全理想的黑体。 10 如远处不点灯 的建筑物。 可把一个开小孔的不透光空腔看成黑体。 2 . 黑体的辐射分布 实验装置 S T L 平行光管 三棱镜 热电偶 实验中将开有小孔的空腔视为黑体,使其恒温, 测量从小孔中辐射出来的各种波长范围的单色辐出度 与波长之间的关系。 实验发现,在相同的温度下,不同物质的黑体会 发出相同的热辐射谱, 单色辐出度是温度 T 的函数, 与黑体材料无关 。 11 由空腔辐射体的单色辐出 度与波长的能谱曲线可知: 1 )每一条曲线都有一个极 大值。 2 )随着温度的升高,黑体 的单色辐出度迅速增大,并 且曲线的极大值逐渐向短波 方向移动。 e 0 ( ? , T ) 1700 K 1500 K 1100 K o ? 如何从理论上推导出符合实验结果的函数表达 式就成为当时物理学中引入注目的问题之一。 ? 维恩根据经典热力学得出一个半经验公式: 维恩公式 e 0 ( ? , T )

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