黑体辐射的实验规律2

黑体辐射的实验规律演示文稿2023/3/10当前1页，总共58页。（优选）黑体辐射的实验规律2023/3/10当前2页，总共58页。第十五章

量子物理基础

热辐射普朗克的量子假设光电效应爱因斯坦的光子理论康普顿效应波尔氢原子理论实物粒子的波粒二象性不确定关系波函数薛定谔方程一维定态问题２１３４当前3页，总共58页。量子理论的三大先驱

玻尔爱因斯坦普朗克1905年1913年1900年量子概念当前4页，总共58页。？热辐射实验量子概念的诞生

问题：当前5页，总共58页。何谓热辐射

物体在任一温度下发射从红外线、可见光到紫外线的λ连续的电磁波。当前6页，总共58页。何谓热辐射

物体在任一温度下发射从红外线、可见光到紫外线的λ连续的电磁波。0.6mm～760nm之间的电磁波称为红外线760nm～400nm之间的电磁波称为可见光（可见光在整个电磁波谱中所占的波段最窄）400nm～5nm之间的电磁波称为紫外线

它们都是由原子的外层电子自发辐射产生的．当前7页，总共58页。何谓热辐射火炉600度1000度400度因辐射与温度有关，故称热辐射固体在温度升高时颜色的变化1400K800K1000K1200K当前8页，总共58页。辐射能量与T、λ有规律吗？成为19世纪末炼钢、电灯照明急待解决的课题当前9页，总共58页。不能一个物体一个物体分别来研究辐射能量与T、λ的规律绝对黑体基尔霍夫——理想模型：绝对黑体在任何温度、对于任何波长的外来辐射的

吸收率均为1的物体。

当前10页，总共58页。绝对黑体注意：一个开有小孔的内表面粗糙的空腔可近似看成理想的黑体。一般物体——吸收反射透射绝对黑体——吸收

辐射当前11页，总共58页。好的吸收体也是好的辐射体绝对黑体如远处不点灯的建筑物若室内点灯（自身辐射较强）注意：黑体当其自身的热辐射很弱时，看上去是黑洞洞的。当前12页，总共58页。绝对黑体注意：一个开有小孔的内表面粗糙的空腔可近似看成理想的黑体。一般物体——吸收反射透射绝对黑体——吸收

辐射整个热辐射研究可简化为黑体辐射的研究当前13页，总共58页。1000度热辐射的实验规律火炉2000度800度炉火纯青2200K2000K1800K1600K热辐射的实验曲线1.02.03.04.05.0203010405060当前14页，总共58页。实验规律——找到了实验曲线——画出来了下一步要上升到理论：从理论上找到符合实验曲线的函数式热辐射规律的理论解释当前15页，总共58页。热辐射的理论解释

当时经典物理占统治地位，人们自然用经典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导出1.02.03.04.05.06.07.08.09.0维恩公式在长波方面与实验不符热辐射规律的理论解释当前16页，总共58页。1.02.03.04.05.06.07.08.09.02）瑞利--金斯公式（Rayleigh-jean’sformula）1900.6年瑞利--金斯利从电动力学和统计力学出发导出

公式在短波区域明显与实验不符，而理论上却找不出错误

紫外灾难热辐射规律的理论解释当前17页，总共58页。新实验经典物理尖锐矛盾紫外灾难0结果量子论相对论当前18页，总共58页。普朗克公式（Planck’sformula）1900.10.19年德国物理学家普朗克根据实验数据拼凑了一个公式：“普朗克公式”

该公式与实验数据符合得很好！1.02.03.04.05.06.07.08.09.0普朗克公式曲线量子概念的诞生普朗克当前19页，总共58页。能量不连续，只能取某一最小能量的整数倍!!!!!

普朗克量子假说1900年12月14日量子概念的诞生量子数h=6.6310-34J·s称为普朗克恒量当前20页，总共58页。

量子理论带来了出人意料的科学上技术上社会上哲学上的多种多样的新鲜成果也逐渐成了20世纪物理学中的“唯一思想模式”

量子概念的诞生揭示了微观世界中一个重要规律，开创了物理学的一个全新领域。

当前21页，总共58页。量子概念的诞生

普朗克诞辰100周年德国发行的2马克面值的纪念硬币哥庭根市公墓：h=6.6310-34J·s

“这一发现成为20世纪整个物理研究的基础，从那时起，几乎完全决定了物理学的发展”。

——爱因斯坦

事实上正是这一理论导致了量子力学的诞生，1918年因此而获得诺贝尔奖。当前22页，总共58页。

“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，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作用量子将在物理中发挥出巨大作用”。量子概念的诞生注意：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：当前23页，总共58页。

量子论这个精灵蹦跳在时代的最前缘，它需要最有锐气的头脑和最富有创见的思想来激活它的灵气。20世纪初，物理学的天空中已是黑云压城，每一升空气似乎都在激烈地对流和振荡。一个伟大的时代需要伟大的人物，有史以来最出色和最富激情的“黄金一代”物理学家便在这乱世的前夕成长起来。

量子概念的诞生当前24页，总共58页。量子理论的三大先驱

玻尔15爱因斯坦21普朗克421905年1900年量子概念当前25页，总共58页。

问题：2.什么是光电效应？当前26页，总共58页。1.存在红限频率。2.光照到金属表面光电流立即产生。3.光的最大动能只与光的频率有关，与光强无关。4.存在饱和光电流。金属光电子爱因斯坦————光量子理论1905年

光电效应——光的微粒说——爱因斯坦用经典理论无法解释！当前27页，总共58页。爱因斯坦光量子假说(1905)1）光束——粒子流——光子（光量子）流2）光子的能量3）单色光的强度爱因斯坦光电效应方程逸出功

光电效应——光的微粒说——爱因斯坦当前28页，总共58页。

但他研究的初衷不是去证明爱因斯坦的光电效应公式，而是要推翻爱因斯坦的公式。

1916年，密立根的实验结果完全肯定了爱因斯坦的光电效应方程，并且测出当时最好的普朗克常数h的值。密立根

1923年获诺贝尔物理学奖，以表彰他对基本电荷和光电效应的工作。

1923

光电效应——光的微粒说——爱因斯坦当前29页，总共58页。光的本性是什么？

粒子？！——牛顿

波粒二象性！——爱因斯坦

问题：

反射、折射、干涉、衍射、偏振波？！——当前30页，总共58页。光的“波粒二象性”1)光在传播过程中——波动性2)光在与物质相互作用时——粒子性光具有“波粒二象性”爱因斯坦1921年诺贝尔物理奖。光子的能量、质量与动量光子当前31页，总共58页。

康普顿正在操纵X射线光谱仪

康普顿研究了X射线经物质散射的实验进一步证实了爱因斯坦的光子概念。1923年—康普顿效应——光的微粒说当前32页，总共58页。康普顿效应——光的微粒说当前33页，总共58页。自由电子0(1)入射光子与外层电子弹性碰撞

外层电子受原子核束缚较弱,近似自由.碰撞时光子损失能量，波长改变.康普顿效应的量子解释康普顿效应的量子解释:能量、动量守恒当前34页，总共58页。光子质量远小于原子，碰撞时光子不损失能量，波长不变。00内层电子被紧束缚，光子相当于和整个原子发生碰撞。原子康普顿效应的量子解释(2)入射光子与内层电子弹性碰撞

康普顿效应的量子解释:能量、动量守恒当前35页，总共58页。光子和电子作弹性碰撞的结果

1、若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子,光子的能量减少，因此频率变小，波长变长。2、若光子和内层电子相碰撞时，碰撞前后光子能量几乎不变，故波长有不变的成分。3、因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。康普顿效应的量子解释康普顿效应的量子解释:能量、动量守恒波长不变的散射线波长变大的散射线光子外层电子内层电子当前36页，总共58页。康普顿的X射线实验室

对证实康普顿效应作出了重要贡献在康普顿的一本著作中曾19处提到吴有训吴有训1927康普顿效应——光的微粒说当前37页，总共58页。

光电效应和康普顿效应都包含有电子与光子的相互作用过程，对此，在以下几种理解中，正确的是()

两种效应中电子与光子两者组成的系统都服从动量守恒定律和能量守恒定律．(B)两种效应都相当于电子与光子的弹性碰撞过程．(C)两种效应都属于电子吸收光子的过程．(D)光电效应是吸收光子的过程，而康普顿效应则相当于光子和电子的弹性碰撞过程．

例当前38页，总共58页。作业本P29

一.1、2、3

二.1、7

三.1、2、5当前39页，总共58页。量子理论的三大先驱

玻尔15爱因斯坦21普朗克421905年1913年1900年量子概念当前40页，总共58页。何谓热辐射

物体在任一温度下发射从红外线、可见光到紫外线的λ连续的电磁波。

物体在任一温度下发射从红外线、可见光到紫外线的λ连续的电磁波。当前41页，总共58页。作者姓名：安宏工作单位：大连大学物理科学与技术学院联系方式：电话箱-素材来源教学大纲教学日历教师简介使用教材教辅资料大学物理A——电子课件当前42页，总共58页。

德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人，1918年诺贝尔物理学奖金的获得者。普朗克的伟大成就，就是创立了量子理论，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。

1900年，普朗克抛弃了能量是连续的传统经典物理观念，导出了与实验完全符合的黑体辐射经验公式。在理论上导出这个公式，必须假设物质辐射的能量是不连续的，只能是某一个最小能量的整数倍。普朗克把这一最小能量单位称为“能量子”。普朗克的假设解决了黑体辐射的理论困难。普朗克还进一步提出了能量子与频率成正比的观点，并引入了普朗克常数h。量子理论现已成为现代理论和实验的不可缺少的基本理论。普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔奖金。

普朗克MaxKarlErnstLudwigPlanck(1858―1947)当前43页，总共58页。二、黑体辐射实验定律单色反射率

——对一定波长的波，单位时间、单位面积上反射能与入射能之比单色吸收率

——对一定波长的波，单位时间、单位面积上吸收能与入射能之比绝对黑体（黑体）——在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收率恒为1的物体。黑体模型

不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作黑体。

研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。当前44页，总共58页。1、斯忒藩——玻耳兹曼定律：一定温度下,黑体的辐出度与黑体的绝对温度四次方成正比，即2、维恩位移公式：黑体辐射的峰值波长随着温度的增加而向着短波方向移动。b为常数σ为常数三、普朗克量子假设黑体辐射实验是物理学晴朗天空中一朵令人不安的乌云。当前45页，总共58页。1900年普朗克为得到与实验曲线相符的公式，提出（1）黑体腔壁中的电子的振动可看作是一维谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。（2）这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子具有的能量只能取分立值，相应的能量是某一最小能量的整数倍，最小能量值称为能量子，其值为能量子假设：普朗克根据量子假设推得绝对黑体的辐射公式：当前46页，总共58页。一定时间内物体辐射能量的多少，以及辐射能按波长的分布都与温度有关。热辐射:

由于物体中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象。小结：单色辐出度：辐出度：平衡热辐射——辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，此时物体的热辐射平衡热辐射。绝对黑体（黑体）——在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收率恒为1的物体。当前47页，总共58页。斯忒藩——玻耳兹曼定律：一定温度下,黑体的辐出度与黑体的绝对温度四次方成正比，即维恩位移公式：黑体辐射的峰值波长随着温度的增加而向着短波方向移动。（1）黑体腔壁中的电子的振动可看作是一维谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。普朗克量子假设：当前48页，总共58页。（2）这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子具有的能量只能取分立值，相应的能量是某一最小能量的整数倍，最小能量值称为能量子，其值为普朗克根据量子假设推得绝对黑体的辐射公式：当前49页，总共58页。M（Ｔ）瑞利—金斯公式(1900年)维恩公式(1896年)

实验曲线经典物理遇到的困难当前50页，总共58页。普朗克注意到在过去的理论中，把黑体中的原子和分子都看成可以吸收或辐射电磁波的谐振子，且电磁波与谐振子交换能量时可以以任一大小的份额进行，（从0到大）。普朗克当时大胆地放弃了这一概念，提出了能量只能按不连续的一份一份能量进行量子概念的诞生的吸收与辐射——量子化当前51页，总共58页。辐射黑体是由带电谐振子组成，这些谐振子辐射电磁波并和周围电磁场交换能量，但这些谐振子只能处于某些特殊的状态。它们的能量只能是某些能量子的整数倍。普朗克量子假设：量子数h=6.6310-34J·s称为普朗克恒量具体讲：辐射物体是由一些线性谐振子组成，对频率为的谐振子，它具有的最小能量是h，能具有的其它能量值是h的整数倍，因此它吸收与辐射的能量也只能是h的整数倍。即能量只能是：量子概念的诞生当前52页，总共58页。

量子理论在20世纪中的发现和发展，是一个史诗式的故事，……千万个问题共同交织成了量子理论的构造……量子理论在科学史和人类智能史上是独一无二的，它比……相对论更加独特得多。它在观念上和过去进行了完全的决裂，而塑造了一种关于物质结构和辐射的以及关于许多基本自然力的新世界观。

——J．Mehra

当前53页，总共58页。例2

波长为450nm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）光电子逸出钠表面时的动能；（3）若光子的能量为2.40eV，其