郝16-1黑體輻射 普朗克能量子假說1

第六篇量子力學(xué)簡介第十六章從經(jīng)典物理到量子物理微觀世界運(yùn)動(dòng)規(guī)律的重大實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)第十七章量子力學(xué)基礎(chǔ)微觀世界運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基本描述方法第十六章從經(jīng)典物理到量子物理光電效應(yīng)愛因斯坦光量子論原子結(jié)構(gòu)與原子光譜玻爾的量子理論黑體輻射普朗克能量子假說MaxPlanck普朗克1858-1947第一節(jié)黑體輻射ss16-1普朗克的能量子假說物理學(xué)晴朗天空的兩朵烏云邁克爾孫—莫雷實(shí)驗(yàn)；黑體輻射；光速不變狹義相對(duì)論能量量子化量子力學(xué)熱輻射一、黑體的熱輻射任何物體在任何溫度下都能輻射電磁波物體輻射能量的多少輻射能量按波長的分布一定時(shí)間內(nèi)與物體的溫度有關(guān)這種與溫度有關(guān)的輻射稱為熱輻射火爐600度1000度400度熱輻射的是電磁波！定性圖述輻射能隨溫度和波長變化的描述：某鐵球單位時(shí)間單位面積發(fā)射的輻射能隨鐵球的溫度變化其輻射能按波長的分布情況亦發(fā)生變化熾熱狀態(tài)溫度逐漸下降l可見光紅外線紫外線波長曲線覆蓋面積表示單位時(shí)間、單位面積發(fā)射的各種波長的總輻射能應(yīng)用：紅外測試技術(shù)神6夜視紅外神舟6號(hào)返回倉減速降落夜視紅外照片紅外夜視廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代技術(shù)紅外夜視儀拍攝的照片（熱像儀）汽車紅外夜視儀續(xù)上物體的輻射能的來源TT自身輻射我們研究的對(duì)象是物體自身輻射能量的波長分布與物體溫度的關(guān)系實(shí)際上很難找到只有輻射而沒有反射的物體（1）外來輻射的反射（2）物體自身輻射外來各種波長的輻射能反射吸收要研究物體的輻射規(guī)律（對(duì)入射輻射100%吸收的物體）——只有輻射沒有反射的實(shí)驗(yàn)物體——黑體黑體空腔實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃隗w實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃隗w的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_一小孔通過小孔進(jìn)入腔內(nèi)的輻射能幾乎全被腔壁吸收反射回小孔出射的機(jī)會(huì)極少，小孔表面好比黑體（吸收全部入射的輻射能而無反射）對(duì)空腔加熱至某熱平衡溫度對(duì)空腔加熱至某熱平衡溫度從小孔表面出射的就是處于某一熱平衡溫度的T實(shí)驗(yàn)物體的輻射能，進(jìn)而探索其能譜分布規(guī)律。不透明材料空腔不透明材料空腔T（只有輻射沒有反射的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停┖隗w輻射測量二、黑體熱輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律黑體熱輻射測量系統(tǒng)示意圖T黑體（小孔表面）集光透鏡分光元件（如棱鏡或光柵等）將不同波長的輻射按一定的角度關(guān)系分開。轉(zhuǎn)動(dòng)探測系統(tǒng)測量不同波長輻射的強(qiáng)度分布。再推算出黑體的輻射能力按波長的分布特性。輻射強(qiáng)度波長Ol3l2l1分光元件會(huì)聚透鏡探頭平行光管至記錄儀單色輻出度Ml()T單色輻出度lddMl()T黑體的的輻射能黑體單位時(shí)間單位面積單位波長描述黑體熱輻射強(qiáng)度的物理量（輻射出射強(qiáng)度）（單色輻射出射強(qiáng)度）輻出度單色輻出度Ml()TM()TlOMl()TdMl()T黑體單位時(shí)間單位面積l+ll~d在微區(qū)域的輻射能溫度為時(shí),Tlldlld+Ml()T08dlM()T輻出度黑體的即曲線覆蓋的總面積的輻射能黑體單位時(shí)間單位面積M()T黑體實(shí)驗(yàn)規(guī)律黑體的單色輻出度Ml()T波長l123450106m黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律M()T2000K()MT1750KM()T1500KM()T1000K黑體的輻出度()MT84T()MT4Ts08dlMl()T斯特藩-玻耳茲曼定律5.67×10-8W·m·K-2-4=s黑體單色輻出度的峰值波長lm隨的升高而向短波方向移動(dòng)TlmTb維恩位移定律=2.898×10b-3m·Klm重要應(yīng)用：紅外測溫儀結(jié)論：物體的幅出度與溫度的4次方成正比！經(jīng)典理論困難三、經(jīng)典理論的困難黑體的單色輻出度Ml()T波長l123450106m實(shí)驗(yàn)曲線1維恩按經(jīng)典熱力學(xué)理論理論計(jì)算結(jié)果，在長波區(qū)偏差很大.2瑞利-金斯按電磁學(xué)理論計(jì)算結(jié)果，短波區(qū)偏差很大。到紫外區(qū)甚至發(fā)散為無窮大.經(jīng)典物理竟然得出如此荒唐的結(jié)論,被稱為紫外災(zāi)難,,,,(當(dāng)時(shí)又被看作是經(jīng)典物理晴空中的的實(shí)驗(yàn)得到,,,,零結(jié)果)兩朵烏云之一另一朵烏云是尋找以太1維恩理論線2瑞利-金斯理論線1896年,維恩根據(jù)經(jīng)典熱力學(xué)得出：短波吻合較好,長波相差很大。獲得1911年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)1900年,瑞利和瓊斯用能量均分定理和電磁理論(駐波法)得出：只適于長波，有所謂的“紫外災(zāi)難”。經(jīng)典理論的解釋黑體的單色輻出度Ml()T波長l123450106m1維恩理論線2瑞利-金斯理論線實(shí)驗(yàn)曲線維恩經(jīng)典熱力學(xué)解釋：短波吻合較好,長波相差很大。黑體的單色輻出度Ml()T波長l123450106m1維恩理論線2瑞利-金斯理論線實(shí)驗(yàn)曲線黑體輻射ss16-1普朗克的能量子假說一、黑體的熱輻射三、經(jīng)典理論的困難二、黑體熱輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律物體熱輻射的是電磁波！Ml()T的輻射能黑體單位時(shí)間單位面積單位波長T()MT4Ts08dlMl()T斯特藩-玻耳茲曼定律lmTb維恩位移定律黑體的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀_小孔的空腔為了研究只有輻射的物體——黑體瑞利和瓊斯電磁理論解釋：長波較好，短波很差！紫外災(zāi)難！普朗克假說四、普朗克的能量子假說組成黑體腔壁的分子或原子可視為帶電的線性諧振子；這些諧振子和空腔中的輻射場相互作用過程中吸收和發(fā)射的能量是量子化的，只能取一些分立值e,e2,,ne；n稱為頻率為的諧振子，吸收和發(fā)射能量的最小值能量子（或量子）ehn。稱為普朗克常量6.63×10h34Js1900年12月24日，普朗克在《關(guān)于正常光譜的能量分布定律的理論》一文中提出能量量子化假設(shè)，量子論誕生。MaxPlanck普朗克1858-1947T普朗克公式1el5kT2pc2hhcl1M()Tl按照普朗克能量子假說，普朗克導(dǎo)出了一個(gè)描述黑體單色輻出度分布規(guī)律的數(shù)學(xué)公式ck光在真空中的速率玻耳茲曼常量普朗克常量數(shù)值為6.63×10J·s很快被檢驗(yàn),并公認(rèn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。-34h黑體的單色輻出度Ml()T波長l123450106m實(shí)驗(yàn)曲線1維恩理論線2瑞利-金斯理論線普朗克公式線普朗克公式與實(shí)驗(yàn)曲線完美符合（當(dāng)晚）理論曲線波長l123450106m12341000K1750K15