高二物理竞赛第18章热辐基尔霍夫定律课件

18.1

热辐射基尔霍夫定律一.平衡热辐射热辐射:任何物体在任何温度下,由于分子的热运动使物体向外辐射各种波长的电磁波.平衡热辐射:物体辐射的能量等于同一时间所吸收的能量当温度上升时辐射总能增加,同时辐射最大的波长减小.物体辐射的同时,也吸收辐射.头部热辐射像头部各部分温度不同，因此它们的热辐射存在差异，这种差异可通过热象仪转换成可见光图象。单位时间内从物体单位表面积的波长在附近单位波长间隔内的电磁波的能量.辐出度

:单位:W·m－2二.辐出度和吸收比单色辐出度:单位时间从物体表面单位面积辐射的总能量.单色吸收比

:物体在温度T时,对于波长在附近单位波长间隔内吸收的能量与入射的总能量的比值.若用表示对应的单色反射比,对于不透明的物体有三.绝对黑体(blackbody)能完全吸收各种波长的电磁波而无反射的物体任何温度、对任何波长的辐射的吸收率均为1黑体是理想化的模型,实际物体的吸收率总小于1.煤烟约99%空腔小孔可近似看作为黑体.如远处不点灯的建筑物;若室内点灯,视为自身辐射不很弱绝热恒温体四.基尔霍夫定律（Kirchhoff’sLaw）T=C一个实验M1M2B真空

N个不同物体和一黑体置于一绝热恒温体内，经过热辐射交换能量，达到热平衡态,物体与容器具有相同温度且保持不变。

材质的辐出度不同，即每个物体单位时间、单位面积辐射的能量不同。

要维持温度不变，物体吸收的辐射能须等于辐射出的能量.

故要维持平衡热辐射，只有辐射能量较多的物体吸收能量也多，反之亦然。基尔霍夫定律:同样的温度下，不同物体对相同波长的单色辐出度与单色吸收率之比值都相等，等于该温度下黑体对同一波长的单色辐出度。为黑体的单色辐出度为黑体的单色吸收率其中：物理意义:热平衡时,强吸收体必然是强辐射体.推论I:(某)物体若不能发射某波长的辐射,那么它也不能吸收这一波长的辐射,反之亦然.推论II:相同温度,黑体吸收本领最大,其发射本领也最大研究热辐射的中心问题是研究黑体的辐射问题一、绝对黑体单色辐出度按波长的分布AL1BPL2C黑体准直系统三棱镜测量系统18.2

绝对黑体的辐射规律1.02.03.04.05.02030104050602200K2000K1800K1600K(nm)二、绝对黑体的辐射定律1

斯特藩-玻耳兹曼定律(1879年斯特藩由实验数据分析得出,1884年玻耳兹曼由热力学得出)黑体的辐出度与黑体的温度的四次方成正比=5.6710-8W/m2K4——斯特藩-玻耳兹曼常数2维恩位移定律(1893)黑体温度增高时，其单色辐出度的峰值波长向短波方向移动，且有如下关系：mT=bb=2.897756×10-3m·K注意：1）以上两规律只适用于黑体，对非黑体近似成立2）热辐射规律在现代技术中有广泛的应用

---高温测量、遥感、遥测、红外跟踪等.例：太阳可以看成黑体，地球上测出其峰值波长为m=5100Å，则其表面温度和辐出度为多少？由解：18.3普朗克公式

一、经典理论的困难：人们企图用经典理论解释黑体辐射的实验曲线，却得到两个与曲线不符的式子：1）维恩公式（Wien’sformula）1896年德国维恩（Wien）从热力学理论出发，将黑体谐振子能量按频率分布类同于Maxwell速度分布，由经典理论导出：c1、c2用实验确定。此公式在长波方面与实验数据不符。1.02.03.04.05.06.07.08.09.0(nm)2）瑞利—金斯公式（Rayleigh-jean’sformula）1900年瑞利--金斯利用经典电动力学和统计力学（把腔内的电磁场看作是具有一定数目本征振动的驻波场,然后据能均分定理)可得一公式：c3为常数

此公式在短波区域与实验不符，趋于无穷!理论上却找不出错误--“紫外灾难”

,像乌云遮住了物理学睛朗的天空。

热辐射实验1.02.03.04.05.06.07.08.09.0(nm)

当时的理论把腔壁中的原子分子看成可吸收或辐射电磁波的谐振子，可按任一大小的分额交换能量，普朗克放弃了这一概念，提出能量的吸收与辐射只能按不连续的一份一份的进行.这些谐振子只能处于某些特殊状态。它们的能量只能是某些能量子的整数倍。为谐振子频率普朗克量子假设：量子数电磁波能量腔壁上的原子二、普朗克假设普朗克公式（Planck’sformula）

“我试图将h

纳入经典理论范围，但一切尝试都失败了，这个量非常顽固.”后来,他又说：

“在好几年内我花费了很大的劳动，徒劳地去尝试如何将能量子引入到经典理论中去。我的一些同事把这看成是悲剧。但我有自已的看法，因为我从这种深入剖析中获得了极大的好处，起初我只是倾向于认为，而现在是确切地知道能量子ε将在物理中发挥出巨大作用”。

事实上正是这一理论导致了量子力学的诞生，普朗克也成为了量子力学的开山鼻祖，1918年因此而获得诺贝尔奖。

普朗克这一思想完全背离经典物理，并受到当时许多人的怀疑和反对，包括当时的泰斗洛仑兹。这给普朗克造成很大压力。1900年德国人普朗克推导出新的黑体辐射公式c为光速k:玻尔兹曼常数该公式与实验数据符合得很好！(nm)1.02.03.04.05.06.07.08.09.0例1：一频率为=0.5HZ，振辐为A=10cm，劲度系数为K=3.0N/m的谐振子：其能量若能量变化，一次减少一个能量子，一个能量子能量：不连续变化的比率：若每相差一能量子画一直线EX宏观看是连续的

可见经典物理可看成量子物理在量子数很大时的特殊情况（只有n很小时，能量的不连续才显得很明显）18.4

光电效应爱因斯坦方程一光电效应的实验规律1．光电效应：在光照下,电子从金属表面逸出的现象逸出的电子叫光电子.2．光电效应的实验装置（I,v)AKUiA为阳极,K为阴极.光照射在K上,电子从K逸出在电压UAK作用下,形成光电流3.实验规律(1)

对某种金属而言,仅当入射光频率v大于一定的频率v0,才产生光电流.否则,不论光的强度有多大,都无光电子逸出.0叫截止频率(也称红限),不同金属的0不一样金属截止频率4.5455.508.06511.53铯

钠锌铱铂19.29(2)瞬时性:只要频率大于截止频率,光电效应产生的时间不超过10-9s.(3)遏止电势差Ua：使光电流为零时的反向电压.(eUa=Ekmax)遏止电势差与入射光频率成线性关系,与入射光强无关.4.06.08.010.0(1014Hz)0.01.02.0Ua(V)NaCaCs0(4)饱和光电流强度与入射光强度的关系在相同的条件下,饱和光电流强度iS与入射光强成正比.-UaiUO光强较弱iS1iS2光强较强从K射出的光电子全部飞向阳极A，形成饱和电流实验规律小结:

只有光的频率

0

时，光电子才会逸出。遏止电势差(光电子最大初动能)和光频率成线性关系。

饱和光电流强度(逸出光电子的多少)取决于光强

I

。

光电子瞬时发射，滞后时间不超过

10–9

秒。二.经典物理(光的波动说)与实验规律的矛盾

电子在电磁波作用下作受迫振动，光强越大,E矢量的振幅越大,电子受迫力越大,光电子最大初动能取决于光强，和光的频率无关.且不应存在红限0。当光强很小时，电子要逸出，必须经较长时间的能量积累。1.普朗克假定是不协调的只涉及光的发射或吸收,未涉及辐射在空间的传播.2.爱因斯坦光量子假设(1905)三.光子假设爱因斯坦方程即腔壁振子量子化,腔内仍是电磁波.爱因斯坦认为,光在空间传播时也是量子化的.电磁辐射由以光速c运动的局限于空间某一小范围的光量子（光子,每一个光子的能量为）组成此式为光电效应方程入射光子能量光电子初动能金属逸出功几种金属的逸出功金属钠

铝锌铜银铂2.284.084.314.704.736.353.对光电效应的解释入射光强增大⇒光子数增多⇒光电子增多⇒饱和光电流大一能流密度为S的单色光，单位时间通过垂直于光传播方向的单位面积的光子数为n,则S=nhν光电子初动能正比于频率.比较得:h=eK,W=eU01916年密立根对光电效应进行了精密测量.证明了斜率是h/e,由此求得的h与别的方法求得的值一致，说明爱因斯坦光电效应方程的正确．电子一次吸收一个光子,不需要时间累积—瞬时性.当

＜W/h时.不发生光电效应红限频率：光的波粒二象性:光在传播过程中,波动性(,)表现比较显著;当光与物质相互作用时,粒子性(E,p)表现比较显著.四光电效应在近代技术中的应用光控继电器、自动控制、自动计数、自动报警等.放大器接控件机构光光控继电器示意图测量波长在

200~1200nm极微弱光的功率光电倍增管例1.波长为450的单色光射到纯钠的表面上.求(1)这种光的光子能量和动量;(2)光电子逸出表面时的动能;(3)若光子的能量为2.40eV,其波长为多少?解

(1)=2.76eV=1.47×10-27kg·m·s-1(2)

钠的逸出功

W=2.28eV；Ek=2.76-2.28=0.48eV(3)=518nm例2.设有一半径为1.0×10-3m的薄圆片,它距光源1.0m.

此光源的功率为1W,发射波长为589nm的单色光.假定光源向各个方向发射的能量相同,试计算在单位时间内落在薄圆片上的光子数.解圆片的面积为S=×(1.0×10-3)2=×10-6m2单位时间落到圆片上的能量为代入数据有光子数为=7.4×1011s-1例３用波长4000A的光照射铯感光层，求铯所放出的光电子速度及遏止电压。（红限波长为6600A）18.5康普顿效应康普顿研究X射线(0很短)在石墨上的散射,发现散射光中不仅有与原入射线波长0相同的谱线,也有波长>0的谱线.这种波长变长的现象称康普顿红移.光的波动理论能解释波长不变的散射（X射线的电场迫使散射物中的电子作强迫振荡，而向周围辐射同频率的电磁波）,不能解释红移现象.康普顿认为这是由于入射线中的光子和散射物质中的自由电子作弹性碰撞的结果.散射物体探测器e•由于是弹性碰撞,动量和能量都守恒,动量守恒的大小关系为考虑到质速关系,;=0,=0,=0