第17章量子物理学 热辐射与普朗克 量子概念 的能量子假说 的诞生 多电子原子体 光电效应康普顿效应人量子概念 的壳层结构 玻尔氢原子光谱理论 的发展 氢原子的 电子衍射与德布罗意波函数量子力学量子力学 的发展 解与4个 薛定谔方程 量子数 势阱势垒隧道效应
1 第17章 量子物理学 热辐射与普朗克 的能量子假说 光电效应 康普顿效应 玻尔氢原子光谱理论 电子衍射与德布罗意波函数 薛定谔方程 势阱 势垒隧道效应 量子概念 的诞生 量子概念 的发展 量子力学 的发展 氢原子的 量子力学 解与4个 量子数 多电子原子体 的壳层结构
§17-1热辐射普朗克的量子假设 1.热辐射任何物体在任何温度下都要对外辐射各种 波长的电磁浪,这种辐射称为热辐射。 观察: 物体逐渐增加温度,物体看 10度 来从暗淡红变黄黄变 火 白青白色。 炉因辐射与温度有关,故称热辐射
2 §17-1 热辐射 普朗克的量子假设 1. 热辐射 任何物体在任何温度下都要对外辐射各种 波长的电磁波，这种辐射称为热辐射。 火 炉 1000 600 4度度 因辐射与温度有关，故称热辐射。 观察： 物体逐渐增加温度，物体看 来从暗淡—红变黄——黄变 白——青白色
与传统的体温针测量体温需5分钟相比,应用红外线测量 体温(红外测量眼睛或皮肤热辐射的方法)仅需2秒钟,即 可准确测出体温 www.ylrb 红外温度计能测量人体的红外热发射从而推得病人的身体 温度,这在几年前的“抗非典″战斗中曾发挥了较大作用 那时我们可以看到机场、车站等公共场所匹配了各式各样的 红外测温装置
3 与传统的体温针测量体温需５分钟相比，应用红外线测量 体温（红外测量眼睛或皮肤热辐射的方法）仅需２秒钟，即 可准确测出体温。 红外温度计能测量人体的红外热发射从而推得病人的身体 温度，这在几年前的“抗非典”战斗中曾发挥了较大作用， 那时我们可以看到机场、车站等公共场所匹配了各式各样的 红外测温装置
注意: 从经典物理学看来热辐射过程的实质是物质以电磁浪的形 式向外辐射电磁浪的过程。其辐射的能量称之为辐射能 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。 引入物理量:单色辐出度:在一定温度下,从物体 定表面积上发射的,在任何一段波长范围内、单位时间内 的辐射能(辐射功率)。 既然辐射能量随温度的升高而增加,于是问题的焦点 就是求出能量、温度与波长之间的关系式
4 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： 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。 引入物理量：单色辐出度：在一定温度下，从物体一 定表面积上发射的，在任何一段波长范围内、单位时间内 的辐射能（辐射功率）。 既然辐射能量随温度的升高而增加，于是问题的焦点 就是求出能量、温度与波长之间的关系式
设从物体单位表面积上发射的,波长在利到λ+d范围内的 辐射功率为dM2,dM和d的比值叫做该物体对于波长的 单色辐出度M2(T)。 dM M2(T= d M2(T)与物体的温度7和波长有关,它反映了不 同温度下辐射能按波长的分布情况。 从物体单位面积上辐射出的所有波长的总辐射功率 叫做该物体的辐射出射度(或称总辐出度),用M (T)表示。 M()=,=,()da
5 d ( ) d M M T = M（T）与物体的温度T 和波长有关，它反映了不 同温度下辐射能按波长的分布情况。 从物体单位面积上辐射出的所有波长的总辐射功率 ，叫做该物体的辐射出射度（或称总辐出度），用M （T）表示。 0 0 M T M M T ( ) d ( )d = = 设从物体单位表面积上发射的，波长在到+d范围内的 辐射功率为dM，dM和d的比值叫做该物体对于波长的 单色辐出度M（T）
2黑体 当热辐射能入射到不透明物体表面时,一般是, 部分辐射能被物体吸收,另一部分能量被物体表面反 射。 一个物体对入射的电磁波能量全部吸收,我们就 称它为黑体。例如宇宙中的黑洞。黑体只是一种理 想模型。 在同样的温度下,颜色深的物体吸收辐射的本领 比较强,比如煤炭对电磁浪的吸收率可达到80%左 右。所谓“黑体”是指能够全部吸收外来的辐射而 毫无任何反射和透射,吸收率是100%的理想物体
6 一个物体对入射的电磁波能量全部吸收，我们就 称它为黑体。例如宇宙中的黑洞。黑体只是一种理 想模型。 2.黑体 当热辐射能入射到不透明物体表面时，一般是，一 部分辐射能被物体吸收，另一部分能量被物体表面反 射。 在同样的温度下，颜色深的物体吸收辐射的本领 比较强，比如煤炭对电磁波的吸收率可达到80％左 右。所谓“黑体”是指能够全部吸收外来的辐射而 毫无任何反射和透射，吸收率是100％的理想物体
3.黑体辐射 根据能量守恒定律:物体吸收的能量越多,加热时它辐射 的本领愈大。黑体的吸收本领是一切物体中最大的,加热 时它辐射本领也最大。 1)辐射岀去的电磁浪在各个波段是不同的,也就是具有 定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关 为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律,定义了一种 理想物体一黑体( black body),以此作为热辐射研究的标 准物体。 2).许多地物是较好的黑体近似(在某些浪段上)。 研究热辐射的规律时,特别注意黑体的辐射本领的研究
7 根据能量守恒定律：物体吸收的能量越多，加热时它辐射 的本领愈大。黑体的吸收本领是一切物体中最大的，加热 时它辐射本领也最大。 2). 许多地物是较好的黑体近似( 在某些波段上)。 研究热辐射的规律时，特别注意黑体的辐射本领的研究。 3. 黑体辐射 1).辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一 定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关 。 为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，定义了一种 理想物体——黑体(black body)，以此作为热辐射研究的标 准物体
用不透明材料做成有小孔的空腔,可看作黑体。如图际示: 从小孔射入黑体空腔中的电磁浪,经多次反射吸收,强度逐 渐减弱,最后从小孔中反射出去的辐射能近似地为零。 演示:黑体 用分光技术测出 由它发出的电磁 波的能量按波长 的分布,就可以 研究黑体辐射的 规律
8 用不透明材料做成有小孔的空腔，可看作黑体。如图所示： 从小孔射入黑体空腔中的电磁波，经多次反射吸收，强度逐 渐减弱，最后从小孔中反射出去的辐射能近似地为零。 用分光技术测出 由它发出的电磁 波的能量按波长 的分布，就可以 研究黑体辐射的 规律。 演示：黑体
黑体辐射的单色辐出度与波长的关系的实验曲线如图所示: 0 1700k 通过对曲线的分析总结 出黑体辐射的两条实验 规律。 500k (1)维恩位移定律 1300k 实验发现:当绝对黑体的温 度升高时,单色辐出度最大 值对应的λ向短波方向移动 Th =b b=2.897×10-mK 9
9 黑体辐射的单色辐出度与波长的关系的实验曲线如图所示： 1700k 1500k 1300k ( ) M0 T 通过对曲线的分析总结 出黑体辐射的两条实验 规律。 （1） 维恩位移定律 实验发现：当绝对黑体的温 度升高时，单色辐出度最大 值对应的 m向短波方向移动 。 T b m = 2.897 10 m K 3 = − b m
(2)斯忒藩Ste/am)玻耳兹曼定律 黑体辐出度(总辐出度)(单色辐出度与波长关系曲 线下的总面积)与绝对温度有如下关系: M(T)=aMa=5M02()M() 1700k Mn(T)=14 1500k 1300k =5.67×108W/(m2.K4) 斯特藩玻耳兹曼定律和维恩位移定律是测量高温( 如辐射高温计)、遥感和红外追踪等的物理基础。 从理论上导出符合实验曲线的关系式,一直是物理学研究的重 要课题。 但是由经典电磁理论和热力学理论出发导出的理论公式都与实 验结果不符合。 10
10 (2) 斯忒藩(Stefan)⎯-玻耳兹曼定律 = 5.67 10−8 W/（m 2 K 4 ） 黑体辐出度（总辐出度）（单色辐出度与波长关系曲 线下的总面积）与绝对温度有如下关系： = = 0 0 0 0 0 M (T) dM M (T)d 斯特藩—玻耳兹曼定律和维恩位移定律是测量高温( 如辐射高温计)、遥感和红外追踪等的物理基础。 ( ) M0 T 1700k 1500k 1300k m 0 从理论上导出符合实验曲线的关系式，一直是物理学研究的重 要课题。 但是由经典电磁理论和热力学理论出发导出的理论公式都与实 验结果不符合