unit29光的量子性市公開課一等獎(jiǎng)省賽課微課金獎(jiǎng)?wù)n件

§4光量子性4.1普郎克公式能量子*4.1.1熱輻場(chǎng)定量描述熱輻射*

熱輻射是因?yàn)槲矬w含有溫度所產(chǎn)生輻射，又稱溫度輻射，與溫度親密相關(guān)，不一樣溫度物體發(fā)出熱輻射譜不一樣。

爐子里煤火發(fā)出紅光及大量不可見紅外光(500℃),伴隨溫度升高,光強(qiáng)度逐步增大,顏色也由暗紅變?yōu)槌壬灾链萄郯坠?，白光中除紅光，紅外光外還有大量波1/25長(zhǎng)較短黃光，綠光以及紫光?？傊?，溫度越高物體，熱輻射譜中包含短波成份越多，輻射總能量也就越多。

總之,熱輻射普通特征:

(1)伴隨溫度升高,輻射總功率增大;

(2)強(qiáng)度在光譜中分布由長(zhǎng)波向短波轉(zhuǎn)移。

2/25物體和物體之間空間中總存在一定輻射場(chǎng),即各種頻率電磁波,每個(gè)物體經(jīng)過發(fā)射和吸收過程與周圍輻射場(chǎng)交換能量。為了定量描述輻射場(chǎng)和它與物體間發(fā)生各種能量轉(zhuǎn)移過程,引入一系列物理量:輻射能量分布函數(shù)--t時(shí)刻空間處單位體積內(nèi)頻率附近單位頻率間隔內(nèi)、方向?yàn)檩S單位立體角內(nèi)輻射場(chǎng)能量。3/25則t、處單位體積內(nèi)，分布在附近，區(qū)間內(nèi)，以為軸立體角元內(nèi)能量為（1）描述輻射場(chǎng)本身物理量：

(a)輻射場(chǎng)能量密度（單位體積內(nèi)輻射能）及其譜密度若輻射場(chǎng)均勻，與無關(guān)；穩(wěn)恒，與無關(guān)；各向同性，與無關(guān)。(1)v4/25(2)(3)(各向同性時(shí))單位：

5/25顯然：意義是處，t時(shí)刻單位體積內(nèi)頻率為輻射向空間（各方向）輻射能量，即單一頻率能量密度。(4)(5)(b)輻射場(chǎng)亮度（方向單位立體角內(nèi)輻射能流密度）及譜密度6/25顯然，物理意義為：方向單位立體角內(nèi)頻率為輻射能流密度，即處，t時(shí)刻，方向單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過單位立體角頻率為輻射能量。（c）經(jīng)過面元輻射能量及其譜密度(6)單位:7/25(7)(各向同性時(shí))單位：瓦（W）物理意義：即處，時(shí)刻，單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過面元全部立體角內(nèi)頻率為輻射能量。

8/25(2)描述輻射場(chǎng)與物體間能量交換關(guān)系物理量*(8)或

（a）輻射本事（從物體表面單位表面積發(fā)出輻射通量）及其譜密度9/25（9）也稱為輻射本事或譜密度，為物體表面單位面積所發(fā)射出頻率附近單位頻率間隔輻射功率（通量）

（b）輻射照度（照射在物體表面單位面積上輻射通量）及其譜密度單位：

10/25(10)(11)為照射在物體表面單位面積上頻率為輻射通量。比較在各向同性情形下，

單位：

11/25(12)（c）吸收本事(13)、分別是照射在物體上和被它吸收輻射通量譜密度，無量綱。12/254.1.2基爾霍夫定律

下面我們主要研究熱平衡態(tài)下輻射場(chǎng)：在試驗(yàn)發(fā)覺基礎(chǔ)上，理論研究也活躍起來了，總結(jié)試驗(yàn)發(fā)覺經(jīng)驗(yàn)定律也就相繼提出來了。1859年，德國物理學(xué)家基爾霍夫依據(jù)對(duì)放在一個(gè)封閉容器內(nèi)幾個(gè)物體處于熱平衡時(shí)，各物體在單位時(shí)間內(nèi)放出熱量等于吸收熱量這一試驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論：

在相同溫度（）下，同一頻率（波長(zhǎng)）輻射本事與吸收本事之比對(duì)于全部物體都是相同，是一個(gè)取決于頻率（波長(zhǎng)）和溫度函數(shù)。13/25（14）是一個(gè)與物質(zhì)性質(zhì)無關(guān)普適函數(shù)。平衡態(tài)下從每個(gè)物體單位面積上發(fā)出能量和吸收能量相等，即由（12）式得：當(dāng)物體吸收本事，就是該物體輻射本事。

14/254.2黑體輻射普朗克公式4.2.1熱輻射由溫度決定物體電磁輻射叫熱輻射。

基爾霍夫把=1理想物體定義為絕對(duì)黑體。絕對(duì)黑體輻射本事用表示，。所以對(duì)研究就成為尋找關(guān)鍵。絕對(duì)黑體輻射本事為：這便是基爾霍夫定律。15/25輻射和吸收到達(dá)平衡時(shí)，物體溫度不再改變，此時(shí)物體熱輻射稱為平衡熱輻射。物體輻射電磁波同時(shí)，也吸收電磁波。物體輻射本事越大，其吸收本事也越大。室溫高溫吸收輻射白底黑花瓷片不輻射可見光時(shí)，黑花吸收大，反射少所以暗輻射可見光時(shí)，黑花吸收大，輻射大所以變亮16/25溫度越高，輻射本事越大。另外，輻出度還與材料性質(zhì)相關(guān)

物體熱輻射溫度材料性質(zhì)說明輻射本事與譜密度之間關(guān)系為c為真空中光速17/254.2.2黑體輻射能全部吸收各種波長(zhǎng)輻射且不反射和透射物體黑體輻射特點(diǎn):

與同溫度其它物體熱輻射相比，黑體熱輻射本事最強(qiáng)煤煙約99%黑體模型黑體熱輻射溫度材料性質(zhì)絕對(duì)黑體(黑體)18/25(1)黑體輻射試驗(yàn)5000K6000K3000K4000K4.2.3黑體輻射性質(zhì)黑體熱輻射能譜曲線0.51.01.52.01050

(10-7

×

W/m2·m)

(

m)19/25(2)斯忒藩——玻耳茲曼定律式中即黑體輻射本事RT與絕對(duì)溫度T

4

成正比.5000K6000K3000K4000K單位面積單位時(shí)間發(fā)出各種波長(zhǎng)熱輻射總能量0.51.01.52.01050(10-7

×

W/m2·m)

(

m)20/25測(cè)定了物體熱輻射總能量，就可由上式確定物體溫度。斯忒藩——玻耳茲曼定律應(yīng)用紅外測(cè)溫儀21/25(3)維恩位移定律峰值波長(zhǎng)

m

與溫度T成反比5000K6000K3000K4000K比如:估算太陽表面溫度為

0.51.01.52.01050

(10-7

×

W/m2·m)

(

m)22/254.2.4經(jīng)典物理解釋及普朗克公式瑞利—金斯公式(1900年)維恩公式(1896年)長(zhǎng)波范圍與試驗(yàn)符合，而在短波范圍內(nèi)不符合——“紫外災(zāi)難”短波范圍與試驗(yàn)符合，而在長(zhǎng)波范圍內(nèi)不符合普朗克公式(1900年)與試驗(yàn)符合

試驗(yàn)曲線23/25

普朗克公式得來,起初是半經(jīng)驗(yàn),即利用內(nèi)插法將適合用于短波維恩公式和適合用于長(zhǎng)波瑞利—金斯公式銜接起來,在得到了公式后,普朗克才設(shè)法從理論上去論證它為解釋這一公式，普朗克提出了能量量子化假設(shè)普朗克公式

試驗(yàn)曲線24/25電磁波普朗克能量子假設(shè)

若諧振子頻率為v，則其能量是普朗克