海大理学院教学裸件 大学物理学电子教案 量子物理（1) 19-1黑体辐射普朗克能量子假说 ·黑体辐射及其规律 ·普朗克假说普朗克黑体辐射公衫 ·黑体辐射的应用 19-2光电效应光的波粒二象性 ·光电效应的实验规律 ·光子爱因斯坦方程 ·光电效应的应用
大学物理学电子教案 海大理学院教学课件 量子物理（1） 19-1 黑体辐射 普朗克能量子假说 • 黑体辐射及其规律 • 普朗克假说 普朗克黑体辐射公式 • 黑体辐射的应用 19-2 光电效应 光的波粒二象性 • 光电效应的实验规律 • 光子 爱因斯坦方程 • 光电效应的应用
第十九章 量子物理 1、经典物理学的发展过程 力学 经典物理 热学 电磁学 物理学 光学 相对论 现代物理 量子论 非线性
第十九章 量子物理 1、经典物理学的发展过程 物理学 经典物理 现代物理 力学 热学 电磁学 光学 相对论 量子论 非线性
2、近年来的发展 粒子物理： •量子电动力学、重整化方法 天体物理： 太阳中微子短缺问题 ·有机体遗传程序的研究（须运 ·引力波存在的问题 用量子力学、统计物理、X射线、 •物体的速度能否超过光速的 电子能谱和核磁共振技术等)。 问题 非平衡热力学及统计物理 生物物理 3、物理学发展的趋向 原子是构成物质的 学科之间的大综合 基本单元； •相互渗透结合成边缘学科 能量是连续变化的。 4、从经典物理学到近代物理学过渡的三个重大问题 1887年的迈克耳孙一莫雷实验否定了绝对参考系的存在； 1900年瑞利和金斯用经典的能量均分定理说明黑体辐射问题，出现了所 谓“紫外灾难”； 1896年贝克勒尔发现放射性现象，说明原子不是物质的基本单元，原子 是可分的
2、近年来的发展 •粒子物理： •量子电动力学、重整化方法 •天体物理： •太阳中微子短缺问题 •引力波存在的问题 •物体的速度能否超过光速的 问题 •生物物理 •有机体遗传程序的研究（须运 用量子力学、统计物理、X射线、 电子能谱 和核磁共振技术等）。 •非平衡热力学及统计物理 3、物理学发展的趋向 •学科之间的大综合 •相互渗透结合成边缘学科 4、从经典物理学到近代物理学过渡的三个重大问题 •1887年的迈克耳孙—莫雷实验否定了绝对参考系的存在； •1900年瑞利和金斯用经典的能量均分定理说明黑体辐射问题，出现了所 谓“紫外灾难”； •1896年贝克勒尔发现放射性现象，说明原子不是物质的基本单元，原子 是可分的。 原子是构成物质的 基本单元； 能量是连续变化的
19-1 黑体辐射 普朗克能量子假说 黑体，黑体辐射 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
19-1 黑体辐射 普朗克能量子假说 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,（()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。 M(T)=M(T)da
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Mλ(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 M(T) M (T)d
二、斯忒藩 一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 M2(T) 1700k 1500k 1300k 2、斯特藩一玻耳兹曼定律 3、维恩位移定律 黑体的辐出度与黑体的热力学 当黑体的热力学温度升高时， 温度的四次方成正比，这就是 与单色辐出度峰值相对应的 斯特藩一玻耳兹曼定律。 波长入m向短波方向移动，这 就是维恩位移定律。 M(T=oT o=5.67×10-8W.m-2.K4 AnT=b 为斯特藩一玻耳兹曼常量 b=2.897×10-3m.K
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。 ( ) 4 M T = T =5.67×10-8W· m-2· K-4 为斯特藩⎯-玻耳兹曼常量 3、维恩位移定律 m T = b 2.897 10 m K 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。 M (T) 1700k 1500k 1300k
、 黑体辐射的瑞利一金斯公式经典物理的因难 1、目的： 实验 探求单色辐出度的数学表达式 M(T) 2、 瑞利一金斯公式 瑞利琼斯 利用能量均分定理和电磁理 论得出： 2nv 2 M,(Tdv= c2 kTdv T=1646k 2πC M2(T)d2= kTdλ 24 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
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： M (T) 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 v M T d 2 2 2 ( ) = kTd c M T d 4 2 ( ) =
四、普朗克假说普朗克黑体辐射公式 普朗克Max Karl Ernst Ludwig Planck,1858一1947) 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
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=ne,=1,2,3,. e叫能量子，简称量子，为量子数，它只取正整数 一能量量子化。 对于频率为v的谐振子，最小能量为： e =hy 其中h=6.626×10-34Js为普郎克常数 结论：谐振子吸收或辐射的能量只能是e=hv的整数倍。 2、普朗克公式 2元hc2 dA M(T)dA λ-s hc ekir-1 M,(Tdv= 2hv3 c2 ehv/kT-1
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=6.62610-34 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 − = − k T hc e hc d M T d 2、普朗克公式 ( ) 1 2 1 2 3 − = h k T c e h M T d
3、说明 实验 •普朗克假说不仅圆满地解释 Ma(T) 了绝对黑体的辐射问题，还解 瑞利琼斯 释了固体的比热问题等。它成 为现代理论的重要组成部分。 普朗克理论值 •从普朗克公式可导出斯特 藩一玻耳兹曼定律，维恩 公式，瑞利一金斯公式 T=1646k dM(T)=0 维恩位移定律 d兄 ∫M(T)M=oT4 斯特藩一玻耳滋曼定律 0 见→0 维恩公式 九>00 瑞利一金斯公式
M (T) 实验 瑞利-琼斯 T=1646k 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 0 M T d = T 斯特藩⎯-玻耳兹曼定律 维恩公式 → 瑞利—金斯公式 →0 0 ( ) = d dM T