23.1黑体辐射 普朗克能量子假设.ppt

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1、第第23章章 量子物理量子物理23.123.1黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设量子物理基础量子物理基础量子物理基础量子物理基础 到十九世纪末期，物理学各个分支的发展都已日臻到十九世纪末期，物理学各个分支的发展都已日臻完善，并不断取得新的成就。首先在完善，并不断取得新的成就。首先在牛顿力学牛顿力学基础上，基础上，哈密顿和拉格朗日等人建立起来的分析力学，几乎达哈密顿和拉格朗日等人建立起来的分析力学，几乎达到无懈可击的地步，特别是十九世纪中期，海王星的到无懈可击的地步，特别是十九世纪中期，海王星的发现充分表明了牛顿力学是完美无缺的。其次，通过发现充分表明了牛顿力学是完美无缺的。其次

2、，通过克劳修斯、玻耳兹曼和吉布斯等人的巨大努力，建立克劳修斯、玻耳兹曼和吉布斯等人的巨大努力，建立了体系完整而又严密的了体系完整而又严密的热力学和统计力学热力学和统计力学，并且应用，并且应用越来越广泛。越来越广泛。由安培、法拉第和麦克斯韦等人对电磁现象进行由安培、法拉第和麦克斯韦等人对电磁现象进行的深入而系统的研究，为电动力学奠定了坚实的基础，的深入而系统的研究，为电动力学奠定了坚实的基础，特别是由麦克斯韦的特别是由麦克斯韦的电磁场方程组电磁场方程组预言了电磁波的存预言了电磁波的存在，随即被赫兹的实验所证实。后来又把牛顿、惠更在，随即被赫兹的实验所证实。后来又把牛顿、惠更斯和菲涅耳所建立的光学

3、也纳入了电动力学的范畴，斯和菲涅耳所建立的光学也纳入了电动力学的范畴，更是一项辉煌的成就。更是一项辉煌的成就。第第23章章 量子物理量子物理23.123.1黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设 因此当时许多著名的物理学家都认为物理学的基因此当时许多著名的物理学家都认为物理学的基本规律都已被发现，今后的任务只是把物理学的基本本规律都已被发现，今后的任务只是把物理学的基本规律应用到各种具体问题上，并用来说明各种新的实规律应用到各种具体问题上，并用来说明各种新的实验事实而已。就连当时赫赫有名对物理学各方面都做验事实而已。就连当时赫赫有名对物理学各方面都做出过重要贡献的权威人物开耳文在一

4、篇于出过重要贡献的权威人物开耳文在一篇于19001900年发表年发表的瞻望二十世纪物理学发展的文章中也说：的瞻望二十世纪物理学发展的文章中也说：“在已经在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只需要做一些基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只需要做一些零星的修补工作就行了零星的修补工作就行了”，不过接着又指出：不过接着又指出：“但是但是在物理晴朗天空的远处，还有两朵小小令人不安的乌在物理晴朗天空的远处，还有两朵小小令人不安的乌云云”，即运用当时的物理学理论所无法正确解释的两个实验现象，即运用当时的物理学理论所无法正确解释的两个实验现象，一个是一个是热辐射现象中的紫外灾难热辐射现象中的紫外灾难，另

5、一个是否定绝对时空观，另一个是否定绝对时空观的的迈克尔逊迈克尔逊-莫雷实验莫雷实验。正是这两朵小小的乌云。正是这两朵小小的乌云，冲破，冲破了经典物理学的束缚，打消了当时绝大多数物理学家的盲目乐了经典物理学的束缚，打消了当时绝大多数物理学家的盲目乐观情绪，为后来建立近代物理学的理论基础作出了贡献。观情绪，为后来建立近代物理学的理论基础作出了贡献。第第23章章 量子物理量子物理23.123.1黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设 事实上还有第三朵小小的乌云，这就是事实上还有第三朵小小的乌云，这就是放射性现象放射性现象的发现的发现，它有力地表明了原子不是构成物质的基本单，它有力地表明了

6、原子不是构成物质的基本单元，原子也是可以分割的。元，原子也是可以分割的。所有这些实验结果都是经典物理学无法解释的，所有这些实验结果都是经典物理学无法解释的，它们使经典物理处于十分困难境地，为摆脱这种困境，它们使经典物理处于十分困难境地，为摆脱这种困境，有一些思想敏锐而又不受旧观念束缚的物理学家纷纷有一些思想敏锐而又不受旧观念束缚的物理学家纷纷重新思考研究，在二十世纪初期，建立起了近代物理重新思考研究，在二十世纪初期，建立起了近代物理的的两大支柱两大支柱-量子论和相对论量子论和相对论，并在这个基础上，并在这个基础上又建立起以研究原子的结构、性质及其运动规律为目又建立起以研究原子的结构、性质及其运

7、动规律为目的的原子物理学，后来又进一步发展，相继建立起原的的原子物理学，后来又进一步发展，相继建立起原子核物理学和基本粒子物理学，这些内容统称为子核物理学和基本粒子物理学，这些内容统称为量子量子物理学物理学。第第23章章 量子物理量子物理23.123.1黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设一一 黑体黑体 黑体辐射黑体辐射（1 1）热辐射）热辐射 实验证明不同温度下物体能发出不同实验证明不同温度下物体能发出不同的电磁波，这种能量按的电磁波，这种能量按频率频率的分布随的分布随温度温度而不同的电磁而不同的电磁辐射叫做热辐射辐射叫做热辐射.（2 2）单色辐射出射度）单色辐射出射度 单位时

8、间内从物体单位表面积单位时间内从物体单位表面积发出的频率在发出的频率在 附近单位频率区间（或波长在附近单位频率区间（或波长在 附近单附近单位波长区间）的电磁波的能量位波长区间）的电磁波的能量.单色辐射出射度单色辐射出射度 单位：单位：单色辐射出射度单色辐射出射度 单位：单位：.物体在任何温度下都会辐射能量。物体在任何温度下都会辐射能量。.物体既会辐射能量，也会吸收能量。物体既会辐射能量，也会吸收能量。第第23章章 量子物理量子物理23.123.1黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设（3 3）辐射出射度）辐射出射度 （辐出度）（辐出度）单位时间，单位单位时间，单位面积上所辐射出的各

9、面积上所辐射出的各种频率（或各种波长）种频率（或各种波长）的电磁波的能量总和的电磁波的能量总和.0 2 4 6 8 10 12钨丝和太阳的单色辐出度曲线钨丝和太阳的单色辐出度曲线21210468太阳太阳可见可见光区光区 钨丝钨丝（58005800K K）太阳太阳（58005800K K）钨丝钨丝第第23章章 量子物理量子物理23.123.1黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设实验表明实验表明 辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强.（4 4）黑体）黑体 能完全吸收照射到它上面的各种频率的电能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射的物体称为黑体磁

10、辐射的物体称为黑体.（黑体是理想模型）（黑体是理想模型）物体在某个频率范围内发射电磁波能力越大，则它吸物体在某个频率范围内发射电磁波能力越大，则它吸收该频率范围内电磁波能力也越大。收该频率范围内电磁波能力也越大。第第23章章 量子物理量子物理23.123.1黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设 会聚透镜会聚透镜空腔空腔小孔小孔平行光管平行光管棱镜棱镜光电管光电管或热电或热电偶偶测量黑体辐射出射度实验装置测量黑体辐射出射度实验装置第第23章章 量子物理量子物理23.123.1黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设0 1000 20001.00.5 二二 斯特藩斯特藩 玻

11、尔兹曼定律玻尔兹曼定律 维恩位移定律维恩位移定律可可见见光光区区30003000K K60006000K K（1 1）斯特藩斯特藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律斯特藩斯特藩玻尔兹曼常量玻尔兹曼常量（2）维恩位移定律维恩位移定律常量常量峰值波长峰值波长第第23章章 量子物理量子物理23.123.1黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设 例例1 1（1 1）温度为室温温度为室温 的黑体，其单色辐的黑体，其单色辐出度的峰值所对应的波长是多少？出度的峰值所对应的波长是多少？（2 2）若使一黑体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，单色辐出度的峰值所对应的波长在红色谱线范围内，其

12、温度应为多少？其温度应为多少？（3 3）以上两辐出度之比为多少？以上两辐出度之比为多少？解解（2 2）取取（1 1）由维恩位移定律由维恩位移定律（3 3）由由斯特藩斯特藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律第第23章章 量子物理量子物理23.123.1黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设 例例2 2 太阳的单色辐出度的峰值波长太阳的单色辐出度的峰值波长 ，试由此估算太阳表面的温度试由此估算太阳表面的温度.解解由维恩位移定律由维恩位移定律 对宇宙中其他发光星体的表面温度也可用对宇宙中其他发光星体的表面温度也可用这种方法进行推测这种方法进行推测第第23章章 量子物理量子物理23.123.1黑体辐

13、射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设0 1 2 3 6123 45瑞利瑞利-金斯公式金斯公式实验曲线实验曲线*三三 黑体辐射的瑞利黑体辐射的瑞利金斯公式金斯公式 经典物理的困难经典物理的困难瑞利瑞利-金斯公式金斯公式紫外灾难紫外灾难第第23章章 量子物理量子物理23.123.1黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设四四 普朗克假设普朗克假设 普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式（1900 1900 年）年）普朗克常量普朗克常量 能量子能量子 为单元来吸收为单元来吸收或发射能量或发射能量.普朗克认为：金属空腔壁中电子的振动可视为一普朗克认为：金属空腔壁中电子的振动可视为一维谐

14、振子，它吸收或者发射电磁辐射能量时，不是过维谐振子，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，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而是以与振子的频率成正比的普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式 空腔壁上的带电空腔壁上的带电谐振子吸收或发射能量应为谐振子吸收或发射能量应为 第第23章章 量子物理量子物理23.123.1黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设0 1 2 3 6瑞利瑞利-金斯公式金斯公式123 45普朗克公式的理论曲线普朗克公式的理论曲线实验值实验值*第第23章章 量子物理量子物理23.123.1黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设 例例3 3 设有一音叉尖端的质量为设有一音叉尖端的质量为0.050kg，将其将其频率调到频率调到 ，振幅，振幅 .求求 （2）当量子数由当量子数由 增加到增加到 时，振幅的变时，振幅的变化是多少？化是多少？（1）尖端振动的量子数；尖端振动的量子数；解（解（1）基元能量基元能量 第第23章章 量子物理量子物理23.123.1黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设（2）在宏观范围内，能量量子化的效应是极不明显的，在宏观范围内，能量量子化的效应是极不明显的，即宏观物体的能量完全可视作是连续的即宏观物体的能量完全可视作是连续的.