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1、1,黑体辐射 普朗克能量子假设,2,23-1 黑体辐射 普朗克能量子假说 黑体辐射及其规律 普朗克假说 普朗克黑体辐射公式 黑体辐射的应用,3,量子力学,经典力学,现代物理的理论基础,量子力学相 对 论,量子力学,量子世界的大门是在黑体辐射问题的研究中开启的。,4,开始看不出它发光。随着温度的升高，铁块开始呈现暗红色，逐步变为赤红、橙色，最后呈现出黄白色。,一、黑体 黑体辐射,这说明，在不同的温度下物体能发出频率不同的电磁波。,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率有不同的分布，所以才表现为不同的颜色。,当加热铁块时，,5,这种由
2、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。,任何物体在任何温度下都不断地向四周发射着不同波长的电磁波，这种现象称为辐射，其原因是分子中包含的带电粒子的热运动会使物体辐射电磁波。物体以电磁波的形式向外辐射出去的能量，称为辐射能。物体辐射能量的大小及辐射能量按波长的分布都与温度有关。,热 辐 射,6,1）物体在任何温度下都会辐射能量。,注意：,2）物体向外辐射电磁波的同时，也吸收和反射投射到它表面的电磁波。,3）当发射和吸收的辐射能相等时，称为平衡热辐射，这时，物体具有一个确定的温度。,物体在某个频率范围内发射电磁波能力越强，则它吸收该频率范围内电磁波能力也越强。,7,物体辐射电
3、磁波的同时，也吸收电磁波。物体辐射本领越大，其吸收本领也越大。,室温,高温,吸收,辐射,白底黑花瓷片,室温下，物体的热辐射主要在红外区，人眼看不见。随着温度升高，物体在单位时间内辐射的能量（辐射的总功率）增大，并且辐射的电磁波的波长移向中短波，只有在很高温度下，物体才会辐射出可见光。,8,实验表明：物体的辐射能，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。,热辐射所研究的问题是：辐射能按波长的分布；以及这种分布与温度的关系。,9,1、单色辐射出射度 M（T）,描写物体辐射本领的物理量，类似于波强。,定义：物体表面单位面积单位时间内所发射的、波长在+d 范围内的辐射能 dM 与波
4、长间隔 d 之比，即：,表示在一定温度 T 下，单位时间内从物体表面单位面积上发出的波长在 附近单位波长范围的电磁波的能量。,它反映了物体在不同的温度下辐射能按波长的分布。,10,2、辐射出射度（辐出度）M（T）,定义：单位时间内从物体表面单位面积发射的各种波长的电磁波的能量总和（总辐射能），即：,它反映了一定温度下物体单位面积发射的辐射功率的大小。,M(T)只是温度的函数，单位为W/m2。,温度越高，辐出度越大。另外，辐出度还与材料性质有关。,说明：,11,实验表明：辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强。,黑体：如果一个物体在任何温度下，对任何波长的电磁波都完全吸收，而不反射与透射，则称这种
5、物体为绝对黑体，简称黑体。（黑体是理想模型）,绝对黑体在自然界是不存在的。例如：煤烟，吸收系数大约为0.99。,一个开有小孔的封闭空腔可看作是黑体。,小孔即相当于黑体的表面。,12,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。,在相同的温度下，黑体的吸收本领最大，因而辐射本领也最大。,黑体的单色幅出度仅与波长和温度有关，与材料、表面情况无关。它反映了辐射本身的规律。研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。,13,测量黑体辐射出射度实验装置,实验表明：空腔小孔向外发射的电磁辐射含有各种波长，而且不同波长成分的电磁波的强度也不
6、同，随温度而异,而与构成黑体的材料无关。,14,由空腔辐射体的单色辐出度与波长的能谱曲线可知：,随着温度的升高：,1）黑体的辐出度迅速增大；2）峰值波长逐渐向短波方向移动。,M(T)随 连续变化，每条曲线有一峰值。,15,可见光,5000K,6000K,3000K,4000K,二、斯特藩 玻尔兹曼定律 维恩位移定律,（1）斯特藩玻尔兹曼定律,斯特藩玻尔兹曼常量,辐出度与 T 4 成正比。,16,（2）维恩位移定律,常量,峰值波长 m 与温度 T 成反比,二、斯特藩 玻尔兹曼定律 维恩位移定律,17,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，是测量高温以及遥感和红外跟踪等
7、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。,（1）斯特藩玻尔兹曼定律,（2）维恩位移定律,18,例：1）温度为室温（20C）的黑体，其单色辐出度的峰值所对应的波长是多少？2）辐出度是多少？,解：1）由维恩位移定律,2）由斯特藩-玻耳兹曼定律,19,例：实验测得太阳的单色辐出度的峰值波长为：m=0.483 m，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。,解：,辐出度：,太阳不是黑体，所以按黑体计算得出的 T 不是太阳的实际温度，而叫做太阳的色温度；M(T)高于实际辐出度。至于太阳中心的的温度，据推算，大约有2000万摄氏度。,由维恩位移定律：,对宇宙中其他发光星体的表面
8、温度也可用这种方法进行推测。,20,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：,瑞利和金斯用能量均分定理和电磁理论得出瑞利金斯公式：,M,瑞利 金斯(1900年),维恩(1896年),试验曲线,三、黑体辐射的瑞利 金斯公式 经典物理的困难,21,1900 年德国物理学家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：,这个公式与实验结果符合得非常好！,为解释这一公式，普朗克“绝望地”，“不惜任何代价地”提出了能量量子化假设。,22,普朗克得到上述公式后意识到，如
9、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。,经典物理认为：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。,普朗克经过深入研究后发现：必须使谐振子的能量取分立值，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“能量子”假设。,23,金属空腔壁中电子的振动可视为一维谐振子，可以吸收或辐射能量。这些振子的能量只能取一些分立的值，分立值的能量是某一最小能量 0=h 的整数倍。,空腔壁上带电谐振子所吸收或发射的能量是 h 的整数倍。,普朗克常量,四、普朗克假
10、设 普朗克黑体辐射公式（1900 年）,24,振子只能一份一份地按不 连续方式辐射或吸收能量。,普朗克抛弃了经典物理中的能量可连续变化的旧观点，提出了能量子、物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的方式进行的新观点。这不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理学研究新局面，标志着人类对自然规律的认识已经从从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础。,能量是分立的，不是连续的。存在着能量的最小单元：能量子 0=h；,25,普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck,18581947),普朗克的伟大成就，就是创立了量子理论。1900年12月14日他在德国物理学会上
11、，宣读了以关于正常光谱中能量分布定律的理论为题的论文，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。劳厄称这一天为“量子论的诞生日”。,德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人。,1918年普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔奖。,26,量子论和相对论一起构成了近代物理学的研究基础。普朗克的能量子假设，虽然从理论上得出了与实验相一致的黑体辐射频谱分布，但是，对于提出能量量子化概念的普朗克来说，他并未因此而高兴，相反，他却认为自己做了一件错事，把本来很和谐的经典物理弄得一团糟，内心不安，诚惶诚恐，甚至企图将能量量子化纳
12、入经典物理的轨道之内。持有类似态度的物理学家，当时不止普朗克一人，他们还想从经典物理概念中找出路。当然，这些努力都是徒劳的。甚至当1905年爱因斯坦在普朗克的能量量子化的启发下，提出了光量子概念说明光电效应之后，普朗克的观点仍无改变。接着，1913年玻尔发展了量子化观念，正确地解释了氢原子光谱的规律，直到1915年以后，普朗克才逐渐认识到量子化的重要作用。,27,普朗克在回忆这段往事时说：“企图使量子与经典物理协调起来的这种徒劳无益的打算，使我耗去了很多精力。直到1915年，我的许多同事认为这近乎是一个悲剧。但我并不认为，因为我由此获得的透彻的启示是更有价值的，现在我知道作用量子比我当初想象的
13、更重要得多。”科学家是人，不是神，一种科学观点的变革，即使对像普朗克这样有开创精神的科学家，也不是那么容易接受的。但科学是不会忘记普朗克的开创精神的，人们称普朗克为量子之父，为了表彰普朗克对建立量子论的贡献，1918年他被授予诺贝尔物理学奖。,28,黑体辐射的应用,测量温度：通过测量星体的谱线分布来确定 其热力学温度；热象图：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；3K背景辐射：对来自外界空间的辐射，可用 Wein 位移公式来估算；消失线高温计：测量炉温。,29,1）测量黑体温度,在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看作黑体，由小孔的热辐射特性，就可以确定炉内的温度。,2）光学高温计光测高温,调节R，当灯丝温度 炉温时，灯丝在炉孔像的背景上显示出亮线。,当灯丝温度 炉温时，灯丝在炉孔像的背景上显示出暗线。,当灯丝温度=炉温时，灯丝在炉孔像的背景上消失。,由通过灯丝电流强度可算出炉温T。,黑体辐射的应用,
