《大学物理—量子物理基础》第十六章 量子物理基础（16-1）热辐射 普朗克能量子假说

第十六章量子物理基础 近代物理学是二十世纪发展起来的一们新兴学科, 它已广泛地应用到许多科学技术领域,特别是激光、半 导体、天体、原子能物理和生物工程、量子化学等学科 ,它们的发展完全依赖于近代物理的发展。 近代物理与经典物理的主要区别是: 以相对论的时空观代替绝对的时空观。 以物理量的量子化代替物理量的连续化 以物质的波粒二象性代替物质的单一性

第十六章 量子物理基础 近代物理学是二十世纪发展起来的一们新兴学科， 它已广泛地应用到许多科学技术领域, 特别是激光、半 导体、天体、原子能物理和生物工程、量子化学等学科 ，它们的发展完全依赖于近代物理的发展。 近代物理与经典物理的主要区别是： 以相对论的时空观代替绝对的时空观。 以物理量的量子化代替物理量的连续化。 以物质的波粒二象性代替物质的单一性

历史背景:在十七世纪到十九世纪这段时间里,经 典物理学取得了很大的成就。 经典力学:在牛顿力学的基础上,拉格朗日等人的工 作,使经典力学更趋完善。天文学的发展为力学找到了 个最理想的“实验室”-天体。牛顿万有引力定律由于 成功地预言了太阳系中海王星的存在而声名大振。(由 天王星偏离“常规”的运动,而确信它的外面还有一颗 未知行星。) 热力学:通过克劳修斯、开尔文、玻尔兹曼等人对热 现象的研究,建立了热力学和统计力学。 光学:通过牛顿、惠更斯、杨、菲涅尔等人的研究, 建立了光学

历史背景：在十七世纪到十九世纪这段时间里，经 典物理学取得了很大的成就。 经典力学：在牛顿力学的基础上，拉格朗日等人的工 作，使经典力学更趋完善。天文学的发展为力学找到了 一个最理想的“实验室”-天体。牛顿万有引力定律由于 成功地预言了太阳系中海王星的存在而声名大振。（由 天王星偏离“常规”的运动，而确信它的外面还有一颗 未知行星。） 热力学：通过克劳修斯、开尔文、玻尔兹曼等人对热 现象的研究，建立了热力学和统计力学。 光学：通过牛顿、惠更斯、杨、菲涅尔等人的研究， 建立了光学

电磁学:安培、法拉第、麦克斯韦等人对电磁现象的 研究,为电动力学奠定了基础。麦克斯韦在十九世纪下半 叶,总结出电磁场方程,并预言了电磁波的存在。1888年 由赫兹用实验验证。 总之,十九世纪末,经典物理学已发展到相当完善的 阶段。 1899年,英国物理学家开尔文在一篇展望二十世纪物 理学的文章中宣称:“在已经基本建成的科学大厦中, 后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。” 但是,在物理学晴朗天空的远处,还有两朵小小的 令人不安的鸟云。” 黑体辐射实验 迈克尔逊莫雷实验

电磁学：安培、法拉第、麦克斯韦等人对电磁现象的 研究，为电动力学奠定了基础。麦克斯韦在十九世纪下半 叶，总结出电磁场方程，并预言了电磁波的存在。1888年 由赫兹用实验验证。 总之，十九世纪末，经典物理学已发展到相当完善的 阶段。 1899年，英国物理学家开尔文在一篇展望二十世纪物 理学的文章中宣称：“在已经基本建成的科学大厦中， 后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。 ” “但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵小小的 令人不安的乌云。” ——黑体辐射实验 ——迈克尔逊-莫雷实验

16-1热辐射普朗克能量子假说 黑体黑体辐射(作为了解普朗克提出能量子假说的历 史背景) 1、热辐射 加热铁块,随着温度的升高它变得暗红、赤红 、橙色最后成为黄白色这似乎说明,在不同温度 下物体能发出频率不同的电磁波 实验证明:任何物体在任何温度下都向外辐射电磁 波,其辐射能量按波长(频率)分布,与温度有关 热辐射

16-1 热辐射 普朗克能量子假说 一.黑体 黑体辐射(作为了解普朗克提出能量子假说的历 史背景) 1、热辐射 加热铁块, 随着温度的升高,它变得暗红、赤红 、橙色,最后成为黄白色. 这似乎说明, 在不同温度 下物体能发出频率不同的电磁波. 实验证明:任何物体在任何温度下都向外辐射电磁 波 ，其辐射能量按波长(频率)分布, 与温度有关 。- 热辐射

2、绝对黑体模型及实验 物体在辐射电磁波的同时还吸收照射到它表面的电磁 波如果在同一时间内二者能量相等,吸收和辐射就处于 温度一定的热平衡状态-称为平衡热辐射 黑体:能完全吸收照射到它 上面的各种频率的光的物体 煤只能吸收99%的入射光能 1895年,维恩和卢梅尔建议 用空腔代替黑体,解决了以 前由于黑体不够黑所带来的 误差。 绝对黑体模型

2、绝对黑体模型及实验 绝对黑体模型 1895年 ，维恩和卢梅尔建议 用空腔代替黑体，解决了以 前由于黑体不够黑所带来的 误差 。 煤只能吸收99%的入射光能 物体在辐射电磁波的同时,还吸收照射到它表面的电磁 波.如果在同一时间内二者能量相等, 吸收和辐射就处于 温度一定的热平衡状态 - 称为平衡热辐射. 黑体: 能完全吸收照射到它 上面的各种频率的光的物体

I(,T)单位时间内,黑体的单位面积上, 单位波长间隔所辐射的能量,称为单色辐射 强度。 3.总辐出度M( M(T)=∫MA(T)d元

I (， T)—单位时间内 ，黑体的单位面积上 ， 单位波长间隔 所辐射的能量，称为单色辐射 强度 。 3. 总辐出度 M（T）

(,7) 1300K 0 0 2 3 (um) 绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线

绝对黑体的单色辐出度按波长分布曲线 I(,T) 0 1 2 3 4 5 6 λ m (μm) 

黑体辐射实验结果特点 (1)单色辐射强度(,T是黑体温度的函数,与材料 无关。 (2)斯特藩玻尔兹曼定律:单位时间内,单位面积上 辐射出的所有可能波长的总辐射能量为 E(7)=1(21=ar 式中σ为斯特藩常量,其值为5670×108wm2K4

黑体辐射实验结果特点 ∶ (1) 单色辐射强度 I(,T)是黑体温度的函数 ，与材料 无关 。 (2) 斯特藩-玻尔兹曼定律∶单位时间内 ，单位面积上 辐射出的所有可能波长的总辐射能量为 ( ) ( ) 4 0 0 E T = I ,T d =T   式中 为斯特藩常量 ，其值为 5.67010-8 W·m-2·K-4

(3)维恩位移定律:每一曲线峰值对应的波 长入m随黑体温度升高而减小。 几T=b(b=2898×103mK) 应用 1、光测高温 2、热象图:通过比较物体表面不同区域的颜色变化 来确定物体表面的温度分布,称为热象图。用遥 感技术可监测森林防火,也可用来监测人体某些部 位病变

应用 ∶ 1、光测高温 2、热象图 ∶通过比较物体表面不同区域的颜色变化 ，来 确定物体表面的温度分布 ，称为热象图 。用遥 感技术可 监测森林防火 ，也可用来监测人体某些部 位病变 。 (3) 维恩位移定律 ∶每一曲线峰值对应的波 长 m随黑体温度升高而减小 。 m T = b ( b =  mK ) −3 2.898 10

例1:设太阳和地球都视为黑体,各有固定的 表面温度,地球的热辐射能源全部来自太阳,现取地 球表面温度TE=300K,地球半径RE=6400km,太阳半 径Rs=6.95×105km,太阳与地球距离D=1.496×108km ,求太阳表面温度。 E=m47 解:由定律 OT D E 太阳 地球 地球单位时间内辐射的总能量为4ROT E 地球单位时间辐射的总能量应等于太阳在单位时间内辐射到 地球上的能量,由此得太阳在单位时间辐射的总能量为(以D为 半径球面上的能量) 4元D 4E 4TROT=167D-OT TR E

例1∶设太阳和地球都视为黑体 ，各有固定的 表面温度 ，地球的热辐射能源全部来自太阳 ，现取地 球表面温度 TE=300K，地球半径 RE=6400km，太阳半 径 Rs=6.95105 km ，太阳与地球距离 D=1.496108km ，求太阳表面温度 。 解 ∶由定律 Ts TE 4 D E0 =T 地球单位时间内辐射的总能量为 2 4 4RE TE 地球单位时间辐射的总能量应等于太阳在单位时间内辐射到 地球上的能量，由此得太阳在单位时间辐射的总能量为 (以D为 半径球面上的能量) 4 2 4 2 4 2 4 16 2 R E E E D R T D T E        = 太阳 地球