大学物理（李仁英）波粒二象性.ppt

25 量子物理一、黑体黑体辐射一、黑体黑体辐射 1、热辐射热辐射现象: 任何温度下,宏观物体都要向外辐射电磁波。电磁波能量的多少,以及电磁波按波长的分布都与温度有关,故称为热辐射。热平衡现象: 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。 2、黑体?定义: 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,则称这种物体为绝对黑体,简称黑体。?说明: (1) 黑体是个理想化的模型。(2) 对于黑体,在相同温度下的辐射规律是相同的。 3、与热辐射有关的物理量单色辐出度从热力学温度为 T 的黑体的单位面积上、单位时间内、在单位波长范围内所辐射的电磁波能量,称为单色辐射出射度,简称单色辐出度, 用M λ(T)表示。辐射出射度在单位时间内,从热力学温度为 T的黑体的单位面积上、所辐射的各种波长范围的电磁波的能量总和,称为辐射出射度,简称辐出度。??? 0)()(??dTM TM 二、斯忒藩?玻耳兹曼定律维恩位移定律二、斯忒藩?玻耳兹曼定律维恩位移定律 1、测量黑体辐射的实验原理图 2、斯特藩?-玻耳兹曼定律黑体的辐出度与黑体的热力学温度的四次方成正比,这就是斯特藩?-玻耳兹曼定律。?? 4TTM???= ×10 -8W· m -2· K -4 为斯特藩?-玻耳兹曼常量 3、维恩位移定律 bT m??Km10 897 .2 3????b 当黑体的热力学温度升高时, 与单色辐出度峰值相对应的波长? m向短波方向移动,这就是维恩位移定律。)(TM ?? 1700k 1500k 1300k 三、黑体辐射的瑞利—金斯公式经典物理的困难三、黑体辐射的瑞利—金斯公式经典物理的困难 1、目的: 探求单色辐出度的数学表达式 2、瑞利—金斯公式利用能量均分定理和电磁理论得出: )(TM ??实验瑞利-琼斯 T=1646k 3、经典物理的困难在低频(长波)部分与实验曲线相符合,在高频(短波)则完全不能适用。在高频部分,黑体辐射的单色辐出度将随着频率的增高而趋于“无限大”——“紫外灾难”。???? kTd c vdTM 2 22)(?????? kTd cdTM 42)(?四、普朗克假说普朗克黑体辐射公式四、普朗克假说普朗克黑体辐射公式普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858 ―1947) 德国物理学家,量子物理学的开创者和奠基人。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,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”。 1918 年普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔奖金。 1、普朗克假说?谐振子的能量可取值只能是某一最小能量单元ε的整数倍, 即: E=nε, n =1,2,3,.... ε叫能量子,简称量子, n为量子数,它只取正整数——能量量子化。?对于频率为?的谐振子,最小能量为: ε=h?其中 h= ?10 -34 J·s为普郎克常数结论:谐振子吸收或辐射的能量只能是ε=h?的整数倍。 1 2)( 5 2???Tk hce d hc dTM ?????? 2、普朗克公式?? 1 2 2 3?? kT he dc hdTM ??????)(TM ??实验瑞利-琼斯 T=1646k 瑞利-琼斯普朗克理论值 3、说明?普朗克假说不仅圆满地解释了绝对黑体的辐射问题,还解释了固体的比热问题等。它成为现代理论的重要组成部分。?从普朗克公式可导出斯特藩?-玻耳兹曼定律,维恩公式, 瑞利—金斯公式维恩位移定律?? 4 0TdTM??????斯特藩?-玻耳兹曼定律维恩公式???瑞利—金斯公式 0?? 0 )(???d TdM 4、普朗克假说意义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。五、黑体辐射的应用五、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 25-2 光电效应光的波粒二象性一、光电效应的实验规律一、光电效应的实验规律 1、光电效应的基本概念当光照射到金属表面时,金属中有电子逸出的现象叫光电效应, 所逸出的电子叫光电子,由光电子形成的电流叫光电流,使电