光的量子性-黑体辐射

从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题的提出引言

提纲物理学的分支及近年来发展的总趋势§19-1、黑体辐射普朗克能量子假说热辐射斯忒藩Stefan)-玻耳兹曼定律维恩位移定律确定黑体的热辐射规律

经典物理遇到的困难普朗克能量子假说§19-2光电效应光的波粒二象性光电效应的试验规律及经典理论的困难爱因斯坦的光子学说光子的能量、动量和质量（下一页）引言：从经典物理到现代物理概述物理学的分支及近年来发展的总趋势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时间t关键概念的发展力学电磁学热学相对论量子论1600170018001900第19章量子力学基础（下一页）近年来的发展：★粒子物理高能加速器产生新粒子，已发觉300种。麦克斯韦理论、狄拉克量子电动力学、重整化方法。★天体物理运用物理学试验方法和理论,对宇宙各种星球进行==观测和探讨，从而得出相应的天文规律的学科。应用经典、==量子、广义相对论、等离子体物理和粒子物理。*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探讨*有机体遗传程序的探讨（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（下一页）物理学发展的总趋向：★学科之间的大综合。★相互渗透结合成边缘学科。例如：生物物理、生物化学、物理化学、量子化学、======量子电子学、量子统计力学、固体量子论。二十世纪物理学中两个重要的概念：场和对称性

从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题的提出

光电效应康普顿效应。

黑体辐射问题，即所谓“紫外灾难”。原子的稳定性和大小。（下一页）热辐射19-1热辐射普朗克量子假设平衡热辐射放射电磁辐射能量吸取电磁辐射能量相等一、黑体、黑体辐射（下一页）试验表明：一切物体在任何温度下都以电磁波的形式向外辐射能量。辐射的能量与温度有关，∴称之为热辐射。辐射和吸取的能量相等时称为热平衡。此时物体具有稳定温度假如一个物体能全部吸取投射在它上面的辐射而无反射，这种物体称为确定黑体，简称黑体。确定黑体——一个志向模型确定黑体实例?空腔（下一页）用不透亮材料制成一空心容器，壁上开一小孔，该小孔可看成确定黑体确定黑体的辐出度二确定黑体的辐射定律T确定黑体试验装置确定黑体单色辐出度按波长分布试验T平行光管确定黑体试验装置二确定黑体的辐射定律确定黑体单色辐出度按波长分布试验试验装置T平行光管确定黑体三棱镜二确定黑体的辐射定律确定黑体单色辐出度按波长分布试验试验装置T热电偶平行光管确定黑体三棱镜二确定黑体的辐射定律确定黑体单色辐出度按波长分布试验物体单位表面积发射的各种波长的

总辐射功率（1）辐射出射度如果从物体表面单位面积上发出的，波长在为单色辐出度，即：,称比值dλλλ+的辐射功率为和物体尤其是表面粗糙度有关辐射出射度，简称辐出度（下一页）单色吸取比确定黑体及其热辐射规律在随意温度下对任何波长的电磁波吸取比恒为1的物体称为确定黑体。——也是一个志向模型。M0(T)对任何物体与任何表面都相同。基尔霍夫定律确定黑体的单色辐出度M0(,T)就是这一普适函数如何找到这个普适函数？好的吸取体同时也是好的辐射体。（下一页）确定黑体的单色辐出度按波长分布曲线0123456λ(μm)1100K确定黑体的单色辐出度按波长分布曲线0123456λ(μm)1300K1100K确定黑体的单色辐出度按波长分布曲线0123456λ(μm)1500K1300K1100K确定黑体的单色辐出度按波长分布曲线0123456λ(μm)1700K1500K1300K1100K由实验及理论都可以得到斯忒藩—玻尔兹曼定律（2）斯忒藩（Stefan)——玻尔兹曼定律~λ曲线下的面积等于绝对黑体在一定温度下的辐射出射度即：斯忒藩常数（下一页）维恩位移定律:维恩位移定律指出：当确定黑体的温度上升时，单色辐出度最大值向短波方向移动。（3）维恩（Wien)位移定律最大值所对应的波长为峰值波长λ（下一页）1400K物体辐射总能量及能量按波长分布确定于温度800K1000K1200K固体在温度上升时颜色的变更例子：低温火炉辐射能集中在红光。高温物体辐射能集中在蓝、绿色。应用：光测高温计，测量发电厂炉内温度。炉火纯青例1

测得太阳辐射谱的峰值在490nm处。试估计太阳表面的温度、辐出度和地球接收到的总辐射能。解将太阳视为黑体，由维恩位移定律，得：由斯忒藩-玻耳兹曼定律有：太阳辐射的总功率为：d地球接收到的总辐射能为：（下一页）例2

假设恒星表面的特性和黑体等效，测得天狼星表面单色辐出度的最大值所对应的波长为257nm（该波长属紫外区域，所以天狼星呈紫色）。试估计天狼星表面的温度和单位面积上的辐射功率解：（下一页）三普朗克的量子假说普郎克公式瑞利(Rayleigh)--金斯(Jeans)阅历公式维恩(Wien)阅历公式问题：如何从理论上找到符合实验的函数式？（19-4b）（下一页）oλ(μm)123568947实验值oλ(μm)123568947实验值维恩oλ(μm)123568947实验值瑞利--金斯紫外灾难oλ(μm)123568947实验值瑞利--金斯紫外灾难维恩普朗克量子假说能量子假说：辐射物质中具有带电的线性谐振子，它和周围电磁场交换能量。这些谐振子只能处于某种特殊的状态，它的能量取值只能为某一最小能量（称为能量子）的整数倍，即：

对于频率为的谐振子最小能量为h

称为普朗克常数，正整数n称为量子数。（n为正整数）问题：如何从理论上找到符合实验的函数式？（下一页）振子在辐射或吸取能量时，从一个状态跃迁到另一个状态。在能量子假说基础上，从理论上推导，普朗克得到了黑体辐射公式：这一公式称为普朗克公式,它和试验符合得很好。c

——光速e

——自然对数的底（下一页）

——玻尔兹曼恒量oλ(μm)123568947普朗克试验值普朗克能量子假说的意义：首次提出了能量不连续的假设，成功的解决了黑体辐射的理论问题。开量子之先河。所以人们称普朗克为“量子力学之父”。（下一页）M.V.普朗克探讨辐射的量子理论，发觉基本量子，提出能量量子化的假设1918诺贝尔物理学奖只要不到确定零度，任何物体都不停地进行热辐射辐射（发出）的包括可见光、红外光、紫外光。而光是一份一份地以能量子的形式发出的，光的能量子就叫作光子。这将有其他的试验事实加以证明，例如：光电效应、康普顿效应……人类对自然界的相识起先进入了量子时代。量子论的诞生日，以普朗克于1900年12月14日在德国物理学会上，宣读以《关于正常光谱中能量分布定律的理论》为题的论文算起，至今一百年多一点。量子论和相对论一起构成了近代物理学的探讨基础。但是，能量