15-1黑体辐射 普朗克能量子假设.ppt

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1、第第15章章 量子物理基础量子物理基础1 15.1 5.1 黑体辐射黑体辐射 普朗克量子假设普朗克量子假设 量子概念是量子概念是 1900 1900 年普朗克首先提出的，距今已年普朗克首先提出的，距今已有一百多年的历史有一百多年的历史.其间，经过爱因斯坦、玻尔、德其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力，到大师的创新努力，到 20 20 世纪世纪 30 30 年代，就建立了一年代，就建立了一套完整的量子力学理论套完整的量子力学理论.量子力学量子力学宏观领域宏观领域经典力学经典力学现代物理的理论基础现代

2、物理的理论基础量子力学量子力学相相 对对 论论量子力学量子力学微观世界的理论微观世界的理论起源于对波粒二相性的认识起源于对波粒二相性的认识第第15章章 量子物理基础量子物理基础1 15.1 5.1 黑体辐射黑体辐射 普朗克量子假设普朗克量子假设第第1515章教学基本要求章教学基本要求 一一 了解了解热辐射的两条实验定律：斯特藩热辐射的两条实验定律：斯特藩玻耳兹玻耳兹曼定律和维恩位移定律，以及经典物理理论在说明热辐曼定律和维恩位移定律，以及经典物理理论在说明热辐射的能量按频率分布曲线时所遇到的困难射的能量按频率分布曲线时所遇到的困难.理解普朗克理解普朗克量子假设量子假设.二二 了解了解经典物理理

3、论在说明光电效应的实验规律经典物理理论在说明光电效应的实验规律时所遇到的困难时所遇到的困难.理解爱因斯坦光子假设，掌握爱因斯理解爱因斯坦光子假设，掌握爱因斯坦方程坦方程.三三 了解了解康普顿效应的实验规律，以及爱因斯坦的康普顿效应的实验规律，以及爱因斯坦的光子理论对这个效应的解释光子理论对这个效应的解释.理解光的波粒二象性理解光的波粒二象性.第第15章章 量子物理基础量子物理基础1 15.1 5.1 黑体辐射黑体辐射 普朗克量子假设普朗克量子假设 五五 了解了解德布罗意假设及电子衍射实验德布罗意假设及电子衍射实验.了解实了解实物粒子的波粒二象性物粒子的波粒二象性.理解描述物质波动性的物理量理解

4、描述物质波动性的物理量（波长、频率）和描述粒子性的物理量（动量、能量）（波长、频率）和描述粒子性的物理量（动量、能量）之间的关系之间的关系.六六 理解理解一维坐标动量测不准关系一维坐标动量测不准关系.四了解四了解氢原子光谱的实验规律及玻尔氢原子理氢原子光谱的实验规律及玻尔氢原子理论论.第第15章章 量子物理基础量子物理基础1 15.1 5.1 黑体辐射黑体辐射 普朗克量子假设普朗克量子假设 （1 1）热辐射）热辐射 实验证明不同温度下物体能发出实验证明不同温度下物体能发出不同的电磁波，这种能量按频率的分布随温度而不同不同的电磁波，这种能量按频率的分布随温度而不同的电磁辐射叫做热辐射的电磁辐射叫

5、做热辐射.（例如：（例如：铁块铁块）（2 2）单色辐射出射度）单色辐射出射度 单位时间内从物体单位表单位时间内从物体单位表面积发出的频率在面积发出的频率在 附近单位频率区间（或波长在附近单位频率区间（或波长在 附近单位波长区间）的电磁波的能量附近单位波长区间）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：15.1.1 15.1.1 热辐射热辐射 绝对黑体辐射定律绝对黑体辐射定律第第15章章 量子物理基础量子物理基础1 15.1 5.1 黑体辐射黑体辐射 普朗克量子假设普朗克量子假设（3 3）辐射出射度）辐射出射度 （辐出度）（辐出度）单位时

6、间，单位单位时间，单位面积上所辐射出的各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15章章 量子物理基础量子物理基础1 15.1 5.1 黑体辐射黑体辐射 普朗克量子假设普朗克量子假设（1）任何物体任何温度均存在热辐射；）任何物体任何温度均存在热辐射；（2）热辐射谱是连续谱；）热辐射谱是连续谱；（3）热辐射谱与温度有关；）热辐射谱与温度有关

7、；（4）物体辐射电磁波的同时也吸收电磁波。物体）物体辐射电磁波的同时也吸收电磁波。物体的辐射本领越大，其吸收本领也越大。的辐射本领越大，其吸收本领也越大。热辐射的特点：热辐射的特点：问题：问题：什么是最好的吸收体？什么是最好的吸收体？第第15章章 量子物理基础量子物理基础1 15.1 5.1 黑体辐射黑体辐射 普朗克量子假设普朗克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绝对黑体的电磁辐射的物体称为绝对黑体.（黑体是理想模型）（黑体

8、是理想模型）第第15章章 量子物理基础量子物理基础1 15.1 5.1 黑体辐射黑体辐射 普朗克量子假设普朗克量子假设 白天路上的行人观察白天路上的行人观察远处高楼上打开窗子的房远处高楼上打开窗子的房间近似黑体。间近似黑体。黑体热辐射黑体热辐射温度温度材料性质材料性质 与同温度其他物体的热辐射相比，黑体与同温度其他物体的热辐射相比，黑体的热辐射本领最强。的热辐射本领最强。第第15章章 量子物理基础量子物理基础1 15.1 5.1 黑体辐射黑体辐射 普朗克量子假设普朗克量子假设 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热电偶热电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

9、置第第15章章 量子物理基础量子物理基础1 15.1 5.1 黑体辐射黑体辐射 普朗克量子假设普朗克量子假设0 1000 20001.00.5 （5 5）绝对黑体辐射定律）绝对黑体辐射定律可可见见光光区区30003000K K60006000K K1 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15章章 量子物理基础量子物理基础1 15.1 5.1 黑体辐射黑体辐射 普朗克量子假设普朗克量子假设 例例15.115.1在地球大气层外的飞船上，测得太阳辐射在地球大气层外的飞船上，测得太阳辐射本领的峰值在本领的峰

10、值在4 650 4 650 处处.假定太阳是一个黑体，试计算假定太阳是一个黑体，试计算太阳表面的温度和单位面积辐射的功率太阳表面的温度和单位面积辐射的功率.解：根据维恩位移定律解：根据维恩位移定律可得太阳表面的温度为可得太阳表面的温度为 根据斯忒藩根据斯忒藩玻耳兹曼定律，太阳单位面积所辐玻耳兹曼定律，太阳单位面积所辐射的功率为射的功率为 同理可推测宇宙中其他发光星体的表面温度。同理可推测宇宙中其他发光星体的表面温度。第第15章章 量子物理基础量子物理基础1 15.1 5.1 黑体辐射黑体辐射 普朗克量子假设普朗克量子假设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*

11、（6）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15章章 量子物理基础量子物理基础1 15.1 5.1 黑体辐射黑体辐射 普朗克量子假设普朗克量子假设15.1.2 15.1.2 普朗克量子假设普朗克量子假设 （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

12、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 空腔壁上的带空腔壁上的带电谐振子吸收或发射能量应为电谐振子吸收或发射能量应为 第第15章章 量子物理基础量子物理基础1 15.1 5.1 黑体辐射黑体辐射 普朗克量子假设普朗克量子假设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15章章 量子物理基础量子物理基础1 15.1 5.1 黑体辐射黑体辐射 普朗克量子假设普朗克量子假设例例例例15.215.215.215.2某物

13、体辐射频率为某物体辐射频率为某物体辐射频率为某物体辐射频率为 的黄光，的黄光，的黄光，的黄光，这种这种这种这种辐射辐射的能量子的能量是多大？的能量子的能量是多大？的能量子的能量是多大？的能量子的能量是多大？解：根据普朗克能量子公式解：根据普朗克能量子公式此能量就是辐射体在辐射或吸收黄光过程中最小此能量就是辐射体在辐射或吸收黄光过程中最小的能量单元的能量单元.第第15章章 量子物理基础量子物理基础1 15.1 5.1 黑体辐射黑体辐射 普朗克量子假设普朗克量子假设普朗克假设的意义普朗克假设的意义:当时普朗克提出能量子的假设并没有很深刻的道当时普朗克提出能量子的假设并没有很深刻的道理，仅仅是为了从

14、理论上推导出一个和实验相符的理，仅仅是为了从理论上推导出一个和实验相符的公式。公式。这件事本身对物理学的意义是极其深远的。能量这件事本身对物理学的意义是极其深远的。能量子假设是对经典物理的巨大突破，它直接导致了量子假设是对经典物理的巨大突破，它直接导致了量子力学的诞生。子力学的诞生。能量子概念在提出能量子概念在提出5 5年后没人理会，首先是爱因斯年后没人理会，首先是爱因斯坦认识到其深远的意义，并成功地解释了坦认识到其深远的意义，并成功地解释了“固体比固体比热热”和和“光电效应光电效应”。普朗克本入一开始也没能认识到这一点。普朗克本入一开始也没能认识到这一点。1313年后年后才接受了他自己提出的这个概念（才接受了他自己提出的这个概念（19181918年，获诺贝年，获诺贝尔奖）。尔奖）。