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1、在相对论中已欣赏了近代物理的“一朵鲜花”，让我们来欣赏另“一朵鲜花”-量子力学。,引言：,光是电磁波还是微粒,？,热辐射实 验,要欣赏另一朵鲜花，还得从另一朵乌云说起：,量子概念是 1900 年普朗克首先提出的，距今已有一百多年的历史.其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力，到 20 世纪 30 年代，就建立了一套完整的量子力学理论.,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,一、何谓热辐射？,物体在任一温度下发射从红外线、可见光到紫外线等电磁波的现象。,实验证明不同温度下物体能发出不同的电磁波，这种能量按频率的分布
2、随温度而不同的电磁辐射叫做热辐射。,因辐射与温度有关，故称热辐射,1）从经典物理学看来热辐射过程的实质是物质 以电磁波的形式向外辐射电磁波的过程。其 辐射的能量称之为辐射能。,注意：,2）热辐射有平衡热辐射与非平衡热辐射：,当物体因辐射而失去的能量等于从外界吸收的辐射能时，这时物体的状态可用一确定的温度来描述，这种热辐射称为平衡热辐射。反之称为非平衡热辐射。,二、单色辐出度、辐射出射度、单色吸收率、单 色反射率,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、发射的面积。,光源,显然，它是波长和温度的函数,光源,显然，它是温度的函数.,2、辐射出射度（总发射本领）,单位
3、时间内从物体单位面积上所辐射的各种波长的总的辐射能，用M（T）表示。,钨丝和太阳的单色辐出度曲线,实验表明:吸收与反射的能量与物体温度有关、与辐射能的波长范围有关.,3、单色吸收率和单色反射率,一束波长为+，强度为I的电磁辐射入射到温度为T的物体上时，若反射光的强度为R（T），吸收光的强度为A（T），则定义：,单色吸收率：,单色反射率：,同除I：,4、黑体（black body）,在任何温度下、对于任何波长的辐射的吸收率均为1的物体，称之为黑体。,注意：1）黑体是对入射的辐射能全部吸收（不 管什么波长）的物体，也不反射。因 此当其自身的热辐射很弱时，看上去 是黑洞洞的。,2）黑体是理想化的模型
4、，实际中的物体的吸收率 总是小于1。,抛光的铜镜表面：,一般金属表面：,煤烟：,3）一个开有小孔的内表面粗糙的空腔可近似看成 理想的黑体。,如远处不点灯的建筑物,若室内点灯,（自身辐射不很弱）,三、基尔霍夫定律（Kirchhoffs Law）,T=C,一个实验,真空,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-物体与容器具有相同温度且保持不变。,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。,但不同物体的辐射出射度是不同的，即每个物体单位时间、单位面积辐射的能量是不同的。因此要维持平衡热辐射，只有辐射能量较多的物体吸收能量也多，反之亦然。,基尔霍夫定律（Ki
5、rchhoffs Law）,在同样的温度下，各种不同的物体对相同波长的单色辐出度与单色吸收率之比值都相等，且等于在该温度下黑体对同一波长的单色辐出度。,为黑体的单色辐出度,为黑体的单色吸收率,其中：,物理意义：好的吸收体也是好的辐射体。,研究热辐射的中心问题是研究黑体的辐射问题.,四、黑体辐射的实验研究,1、实验装置,A,L1,B,P,L2,C,黑体,准直系统,三棱镜,测量系统,2、黑体辐射的规律,(nm),A)斯忒蕃-玻尔兹曼 定律：黑体辐射出 射度与绝对温度有 如下关系：,斯忒蕃-玻尔兹曼常数,物理意义：对于黑体，温度越高，辐出度 M0（T）越大且随T增高而迅速增大。,2、黑体辐射的规律,
6、B)维恩位移定律：黑体 温度增高时，其单色 辐出度的峰值波长向 短波方向传播，且有 如下关系：,峰值波长,T：绝对温度,炉火纯青,(nm),注意：1）以上两规律只适用于黑体，对非黑体只 近似成立。,2）热辐射规律在现代技术中有广泛的应用：高温测量、遥感、遥测、红外跟踪等。,例：太阳可以看成黑体，地球上测出其峰值波长为 m=5100，则其表面温度和辐出度为多少？,由,解：,五、热辐射的理论解释、普朗克量子假说,当时经典力学占统治地位，人们自然用经典力学理论来解释热辐射并建立了两个公式：,1、维恩公式（Wiens formula）,1896年德国维恩（Wien）从热力学普遍理论出发，将黑体谐振子能
7、量按频率分布类同于Maxwell速度分布，由经典理论导出以下公式,C1、C2须用实验确定。,此公式在长波方面与实验数据不符。,2、瑞利-金斯公式（Rayleigh-jeans formula）,1900年瑞利-金斯利用经典电动力学和统计力学（将固体当作谐振子且能量按自由度均分原则及电磁辐射理论）得到一个公式：,C为光速,K=1.38065810-23J/K,波尔兹曼常数,C为光速,K=1.38065810-23J/K,波尔兹曼常数,此公式在短波区域明显与实验不符，而理论上却找不出错误-“紫外线灾难”,像乌 云遮住了物理学睛 朗的天空。,热辐射实 验,3、普朗克公式（Plancks formul
8、a）,1900年德国物理学家普朗克根据实验数据拼凑了一个公式:“普朗克公式”,C为光速,k波尔兹曼常数,h=6.6310-34js称为普朗克恒量,该公式与实验数据符合得很好！,讨论：,1）当hkT（高频段）,维恩公式,令：,讨论：,2）当hkT（低频段）,瑞利-金斯公式,具体讲：辐射物体是由一些线性谐振子组成，对频率为的谐振子，它具有的最小能量是h，其它能量值是h的整数倍，因此它吸收与辐射的能量也只能是h的整数倍。即能量只能是：,事实上正是这一理论导致了量子力学的诞生，普朗克也成为了量子力学的开山鼻祖，1918年因此而获得诺贝尔物理学奖。,普朗克（1858-1947）,德国理论物理学家，量子论
9、的奠基人.1900年他在德国物理学会上，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.劳厄称这一 天是“量子论的 诞生日”.量子论 和相对论构成了近代物理学的研究 基础.,例：一频率为=0.5HZ，振幅为A=10cm，劲度系 数为K=3.0N/m的谐振子：,其能量,若能量变化，一次减少一个能量子，一个能量子能量：,不连续变化的比率：,若每相差一能量子画一直线,宏观看是连续的,由此可见：把经典物理看成是量子物理在量子数很大时的特殊情况（只有n很小时，能量的不连续才显得很明显）,对应原理：量子论对一个系统的描述，当量子数 非常大时，即与经典物理的描述一 致。（1929年波尔提出）,事实上，第一个认识到普朗克假说的伟大意义的是爱因斯坦。,
