高二物理竞赛热辐射课件

引言：两朵乌云黑体辐射实验迈克尔逊-莫雷实验后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。普朗克量子力学的诞生相对论问世任何物体在任何温度下都要发射各种波长的电磁波，并且其辐射能量的大小及辐射能量按波长的分布都与温度有关。火炉600度1000度400度因辐射与温度有关，故称热辐射一、热辐射1.热辐射现象3）物体既会辐射能量，也会吸收能量。当物体因辐射而失去的能量等于从外界吸收的辐射能时，这时物体的状态可用一确定的温度来描述，这种热辐射称为平衡热辐射。反之称为非平衡热辐射。1）从经典物理学看来热辐射过程的实质是物质中的分子、原子受到热激发后以电磁波的形式向外辐射能量的过程。其辐射的能量称之为辐射能。注意：高温物体发出的是紫外光。炽热物体发出的是可见光，2）热辐射波谱是连续谱，各种波长(频率)都有，但是强度不同。热辐射强度按波长(频率)的分布和温度有关，温度

短波长的电磁波的比例。低温物体发出的是红外光，

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、时间的长短和发射的面积。二、辐出度和吸收比1、单色辐出度（单色发射本领）单位时间内，温度为T的物体上单位面积上发射波长在+d范围内的辐射能dE(T)与波长间隔d比值，用e(,)表示。光源S=1显然，它是波长和温度的函数2、辐射出射度（总发射本领）单位时间内从物体单位面积上所辐射的各种波长的总的辐射能，用E(T)表示。光源S=1显然，它是温度的函数3、单色吸收率和单色反射率实验表明:吸收与反射的能量与物体温度有关、与辐射能的波长范围有关.不透明介质E吸吸收E入射入射E反反定义：一束波长为+，强度为E入的电磁辐射入射到温度为T的物体上时，若反射光的强度为E反(,T)，吸收光的强度为E吸（，T），则定义：单色吸收率：单色反射率：显然，对不透明的物体：三、黑体（blackbody）1、黑体：在任何温度、对于任何波长的辐射的吸收率均为1的物体，称之为黑体。黑体模型1黑体模型2——眼睛与瞳孔*眼睛虹膜有各种颜色——与人种有关*瞳孔只有黑色的—与人种无关注意：1）黑体是对入射的辐射能全部吸收（不管什么波长）的物体，也不反射。因此当其自身的热辐射很弱时，看上去是黑洞洞的。2）黑体是理想化的模型，实际中的物体的吸收率总是小于1。抛光的铜镜表面：一般金属表面：煤烟：2、Kirchhoff定律室温下，反射光1100K，自身辐射光实验表明：之间存在一定的联系一个黑白花盘子的两张照片原来白底的地方吸收的少（反射的多），发射的光强也就弱；基尔霍夫（GustavRobertKirchhoff,1824～1887）德国物理学家原来黑花纹的部分吸收的多（反射的少），发射的光强也就强；绝热恒温体T=CM1M2B真空为黑体的单色辐出度为黑体的单色吸收率其中：物理含义：好的吸收体也是好的辐射体。四、黑体辐射的实验研究1、实验装置

会聚透镜空腔小孔平行光管棱镜热电偶不同温度下的黑体辐射曲线钨丝和太阳的热辐射曲线可见光区2、黑体辐射的规律1.02.03.04.05.0203010405060(nm)2200K2000K1800K1600K1）斯忒蕃--玻尔兹曼定律：黑体辐射出射度与绝对温度有如下关系：斯忒蕃--玻尔兹曼常数含义：它说明对于黑体，温度越高，辐出度

EB(T)越大且随T增高而迅速增大。2)维恩位移定律：黑体温度增高时，其单色辐出度的峰值波长向短波方向传播，且有如下关系：峰值波长T：绝对温度火炉1000度2000度800度炉火纯青注意：1）以上两规律只适用于黑体，对非黑体只近似成立。1.02.03.04.05.0203010405060(nm)2200K2000K1800K1600K2）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。1.测量黑体温度

在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看作黑体，由小孔的热辐射特性，就可以确定炉内的温度。2.光学高温计----光测高温高温炉灯丝目镜聚焦透镜调节R，当灯丝温度>炉温时，灯丝在炉孔像的背景上显示出亮线。当灯丝温度=炉温时，灯丝在炉孔像的背景上消失。由通过灯丝电流强度可算出炉温T。例1：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：

例2（1）温度为室温的黑体，其单色辐出度的峰值所对应的波长是多少？（2）若使一黑体单色辐出度的峰值所对应的波长在红色谱线范围内，其温度应为多少？（3）以上两辐出度之比为多少？解（2）取（1）由维恩位移定律（3）由斯特藩—玻尔兹曼定律经典理论的基本观点（1）电磁辐射来源于物质内部带电粒子的振动，电磁波的频率与振动频率相同。（2）振子的能量取连续值，振子辐射的电磁波含有各种波长，是连续的，辐射能量也是连续的。（3）加热或光照，振子吸收任意值的能量，温度升高，振子振动加强，辐射能增大；振子辐射任意值的能量，振子振动剧烈程度降低到十九世纪末，人们普遍接受物质有最小单元（即“量子化”的）；没有人怀疑能量连续性问题（包括物理系统能量连续和物质间相互作用时能量传递的连续性）——普朗克(M.Planck)的量子假说五、热辐射的理论解释、普朗克量子假说

当时经典力学占统治地位，人们自然用经典力学理论来解释热辐射并建立了两个公式：1、维恩公式（Wien’sformula）1896年德国维恩（Wien）从热力学普遍理论出发，将黑体谐振子能量按频率分布类同于Maxwell速度分布，由经典理论导出以下公式维恩公式C1、C2须用实验确定。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)1.02.03.04.05.06.07.08.09.0(nm)2瑞利—琼斯公式（Rayleigh-jean’sformula）C为光速K=1.38065810-23J/K波尔兹曼常数“紫外线灾难”,像乌云一样遮住了物理学睛朗的天空。

热辐射实验1900年瑞利--金斯利用经典电动力学和统计力学（将固体当作谐振子且能量按自由度均分原则及电磁辐射理论）得到一个公式：六普朗克假设普朗克黑体辐射公式（1900年）普朗克常量能量子为单元来吸收或发射能量.1、普朗克假设：金属空腔壁中电子的振动可视为一维谐振子，它吸收或者发射电磁辐射能量时，不是过去经典物理认为的那样可以连续的吸收或发射能量，而是以与振子的频率成正比的普朗克黑体辐射公式

空腔壁上的带电谐振子吸收或发射能量应为2、普朗克公式（Planck’sformula）C为光速k波尔兹曼常数e为自然对数底h=6.6310-34j·s称为普朗克恒量该公式与实验数据符合得很好！(nm)1.02.03.04.05.06.07.08.09.0讨论：1）当h>>kT（高频段）维恩公式令：2）当h<<kT（低频段）瑞利—金斯公式注意：普朗克这一思想是完全背离经典物理，并受到当时许多人的怀疑和反对，包括当时的物理学泰斗---洛仑兹。乃至当时普朗克自已也想以某种方式来消除这一关系式。它写道：

“我试图将h纳入经典理论的范围，但一切这样的尝试都失败了，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作用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，