第六章 量子物理 基础
1 第六章 量子物理 基础 (1)
引言十九世纪末,经典物理已相当成熟, 对物理现象本质的认识似乎已经完成。 但在喜悦的气氛中,还有两朵 小小的令人不安的鸟云: ?寻找以太的 ?热辐射的 零结果 紫外灾难 跳出传统的物理学框架! 寻找以太的零结果口相对论 热辐射的紫外灾难□>量子论2
2 引言 十九世纪末，经典物理已相当成熟， 对物理现象本质的认识似乎已经完成。 但在喜悦的气氛中，还有两朵 小小的令人不安的乌云： 跳出传统的物理学框架！ ？热辐射的 紫外灾难 寻找以太的 零结果 相对论 热辐射的紫外灾难 量子论
5610黑体辐射和普朗克的能量子假说 分子(含有带电粒子)的热运动使物体辐射 电磁波。这种辐射与温度有关,称为热辐射 ( heat radiation)。 热辐射的电磁波的能量对波长有一个分布。 温度不同,热辐射的电磁波的能量不同, 波长分布不同。 例如加热铁块,随着温度的升高: 开始不发光一暗红橙色一黄白色
3 §6.10 黑体辐射和普朗克的能量子假说 分子(含有带电粒子)的热运动使物体辐射 电磁波。这种辐射与温度有关，称为热辐射 (heat radiation)。 热辐射的电磁波的能量对波长有一个分布。 例如加热铁块，随着温度的升高: 开始不发光→ → → 暗红 橙色 黄白色 温度不同，热辐射的电磁波的能量不同， 波长分布不同
描述热辐射的物理量 1.单色辐出度MT 温度为T时,单位时间内从物体单位表面发出的 波长在丸附近单位波长间隔内的电磁波的能量, 称为单色辐出度MT) E (T) M40S单位为W/m dE 温度为T时,单位时间内从物体单位表面 发出的波长在→+d入间隔内的电磁波的能量 M(T)…….表示辐射能量按波长的分布
4 温度为T时,单位时间内从物体单位表面发出的 波长在 附近单位波长间隔内的电磁波的能量， 称为单色辐出度M(T) 1．单色辐出度M(T) 一.描述热辐射的物理量 d dE Μ (T ) = M的SI单位为W/m3 dE…温度为T时,单位时间内从物体单位表面 发出的波长在 → + d间隔内的电磁波的能量 M(T) …表示辐射能量按波长的分布
2.总辐出度M(T) M(T)=M(T)da M的单位为W/m2 3单色吸收率a(T) 正E(吸收) a1(T)= dE2(入射 (T)…温度为T时,(单位时间内)入射 到物体(单位表面)的,波长在入→+d间隔 内的电磁波的能量,被物体吸收的百分比。 以上这些物理量均与物体 种类及其表面情况有关
5 2.总辐出度M(T) = 0 (T) (T)d M 的单位为W/m2 3.单色吸收率(T) 入射） 吸收） ( ( ( ) dE dE T = 以上这些物理量均与物体 种类及其表面情况有关。 （T）…温度为T时,（单位时间内）入射 到物体（单位表面）的,波长在 →+ d间隔 内的电磁波的能量，被物体吸收的百分比
★平衡热辐射 物体辐射的能量等于在同一时间内所 吸收的能量时,热辐射过程达到热平衡, 称为平衡热辐射。 此时物体具有固定的温度。 以下只讨论平衡热辐射的情况。 黑体和黑体辐射的基本规律 1.黑体:能完全吸收照射到它上面的各种 波长的电磁波的物体,称为黑体
6 ★平衡热辐射 此时物体具有固定的温度。 以下只讨论平衡热辐射的情况。 1.黑体:能完全吸收照射到它上面的各种 波长的电磁波的物体，称为黑体。 物体辐射的能量等于在同一时间内所 吸收的能量时，热辐射过程达到热平衡， 称为平衡热辐射。 二.黑体和黑体辐射的基本规律
黑体的单色吸收率α(T)=1-—-理想模型 维恩设计的黑体:不透明材料的空腔 开一个小孔。 黑体 实验表明: 辐射本领大的物体, 吸收本领也大 (演示)。 黑体能吸收各种波长的电磁波,也能辐射 各种波长的电磁波。 黑体的吸收本领最大,辐射本领也最大
7 维恩设计的黑体：不透明材料的空腔 开一个小孔。 黑体 实验表明： 辐射本领大的物体， 吸收本领也大。 （演示）。 黑体能吸收各种波长的电磁波，也能辐射 各种波长的电磁波。 黑体的吸收本领最大，辐射本领也最大 黑体的单色吸收率 (T)=1----‘理想模型’
◆研究热辐射本身的规律,应利用辐射本领M 只与温度有关,而和材料及表面状态无关的 物体。 而黑体的热辐射正好与空腔的形状、材料及 表面状态’都无关。 ◆对各种具体物体的总辐出度,可以通过实验 定出的“黑度系数”(有“机电手册”可查) 来得出 M(T) 物体的黑度系数 M厘(T) 例.油毛毡(法向)0.93(200C 氧化铜(法向)0.6->0.7(50C)
8 对各种具体物体的总辐出度，可以通过实验 定出的“黑度系数”(有“机电手册”可查) 来得出。 而黑体的热辐射正好与空腔的形状、材料及 ‘表面状态’ 都无关。 研究热辐射本身的规律，应利用辐射本领 M 只与温度有关，而和材料及表面状态无关的 物体。 （ ） （ ） 物体的黑度系数 黑 体 物 体 M T M T = 例. 油毛毡（法向） 0.93 (200C) 氧化铜（法向） 0.6→0.7(500C)
研究黑体辐射的实验装置示意图: 光栅光谱仪 黑体 热电偶(测M4(T) 2000A 实验结果 I750K 黑体单色辐出度 M(T)~曲线 I500K 1256K A
9 研究黑体辐射的实验装置示意图: 黑体 热电偶(测 M(T)) 光栅光谱仪 T m 黑体单色辐出度 M(T)～曲线 实验结果
(1.黑体) 2.斯特藩玻耳兹曼定律(实验定律) 总辐出度M(T)与黑体温度的四次方成正比 M(们)=aT 其中常量σ=5.67×108/m2K 2000K 3.维恩位移定律(实验定律) 黑体辐射光谱中辐射最强 I750K 的波长与黑体温度T之间 I500K 满足反比关系 256K A2b其中常量 m-b=289×103mK
10 2．斯特藩—玻耳兹曼定律（实验定律） 其中常量 =5.67×10- 8 /m2K 4 3．维恩位移定律（实验定律） 黑体辐射光谱中辐射最强 的波长与黑体温度T 之间 满足反比关系 T b m = 其中常量 b = 2.89×10-3 m·K m （1. 黑体） 4 M(T) = T 总辐出度M(T)与黑体温度的四次方成正比