黑体辐射普朗克能量子假说15-2光电效应.ppt
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1、大学物理学电子教案大学物理学电子教案长江大学教学课件长江大学教学课件量子物理(量子物理(1)15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假说普朗克能量子假说黑体辐射及其规律黑体辐射及其规律普朗克假说普朗克假说 普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式黑体辐射的应用黑体辐射的应用15-2 光电效应光电效应 光的波粒二象性光的波粒二象性光电效应的实验规律光电效应的实验规律光子光子 爱因斯坦方程爱因斯坦方程光电效应的应用光电效应的应用第十五章第十五章量子物理量子物理1、经典物理学的发展过程、经典物理学的发展过程物理学物理学经典物理经典物理现代物理现代物理力学力学热学热学电磁学电磁学光学光学相对论相对论量子论
2、量子论非线性非线性2、近年来的发展、近年来的发展粒子物理:粒子物理:量子电动力学、重整化方法量子电动力学、重整化方法天体物理天体物理:太阳中微子短缺问题太阳中微子短缺问题引力波存在的问题引力波存在的问题物体的速度能否超过光速的物体的速度能否超过光速的问题问题生物物理生物物理有机体遗传程序的研究(须运有机体遗传程序的研究(须运用量子力学、统计物理、用量子力学、统计物理、X射线、射线、电子能谱电子能谱 和核磁共振和核磁共振技术等)。技术等)。非平衡热力学及统计物理非平衡热力学及统计物理3、物理学发展的趋向、物理学发展的趋向学科之间的大综合学科之间的大综合相互渗透结合成边缘学科相互渗透结合成边缘学科
3、4、从经典物理学到近代物理学过渡的三个重大问题从经典物理学到近代物理学过渡的三个重大问题1887年的迈克耳孙年的迈克耳孙莫雷实验否定了绝对参考系的存在;莫雷实验否定了绝对参考系的存在;1900年瑞利和金斯用经典的能量均分定理说明黑体辐射问题,出现了所年瑞利和金斯用经典的能量均分定理说明黑体辐射问题,出现了所谓谓“紫外灾难紫外灾难”;1897年年J.J.汤姆孙发现电子,说明原子不是物质的基本单元,原子是可分汤姆孙发现电子,说明原子不是物质的基本单元,原子是可分的。的。原子是构成物质的原子是构成物质的基本单元;基本单元;能量是连续变化的。能量是连续变化的。15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假
4、说普朗克能量子假说一、黑体一、黑体 黑体辐射黑体辐射1、热辐射、热辐射热辐射现象:热辐射现象:任何温度下,宏观物体都要向外辐射电磁波。任何温度下,宏观物体都要向外辐射电磁波。电磁波能量的多少,以及电磁波按波长电磁波能量的多少,以及电磁波按波长(频率频率)的分布都与的分布都与温度有关,故称为温度有关,故称为热辐射热辐射。头头部部热热辐辐射射像像头部各部分温度不同,因此头部各部分温度不同,因此它们的热辐射存在差异,这它们的热辐射存在差异,这种差异可通过热象仪转换成种差异可通过热象仪转换成可见光图象。可见光图象。辐射和吸收达到平衡时,物体的温度不再变化,此时物体的辐射和吸收达到平衡时,物体的温度不再
5、变化,此时物体的热辐射称为热辐射称为平衡热辐射平衡热辐射。物体辐射电磁波的同时,也吸收电磁波。物体辐射电磁波的同时,也吸收电磁波。物体辐射本领越物体辐射本领越大,其吸收本领也越大。大,其吸收本领也越大。室温室温高温高温吸收吸收辐射辐射白底黑花瓷片白底黑花瓷片2、黑体、黑体定义:定义:如果一个物体在任何温度下,对任何波长的电磁波都如果一个物体在任何温度下,对任何波长的电磁波都完全吸收,而不反射与透射,则称这种物体为完全吸收,而不反射与透射,则称这种物体为绝对黑体绝对黑体,简,简称称黑体黑体。说明:说明:(1)黑体是个理想化的模型。黑体是个理想化的模型。(2)对于黑体,在相同温度下的辐射规律是相同
6、的。对于黑体,在相同温度下的辐射规律是相同的。(3)与同温度其它物体的热辐射相比,黑体热辐射本领最强与同温度其它物体的热辐射相比,黑体热辐射本领最强3、与热辐射有关的物理量、与热辐射有关的物理量单色辐出度单色辐出度从热力学温度为从热力学温度为T 的黑体的单位面积上、单位时间内、的黑体的单位面积上、单位时间内、在单位波长(频率)范围内所辐射的电磁波能量,称在单位波长(频率)范围内所辐射的电磁波能量,称为单色辐射出射度,简称为单色辐射出射度,简称单色辐出度,单色辐出度,用用M(T T)、M(T)表示表示。辐射出射度辐射出射度在单位时间内,从热力学温度为在单位时间内,从热力学温度为T的黑体的单位面积
7、的黑体的单位面积上、所辐射的各种波长(频率)范围的电磁波的能量上、所辐射的各种波长(频率)范围的电磁波的能量总和,称为总和,称为辐射出射度辐射出射度,简称,简称辐出度辐出度。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二、斯特藩二、斯特藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 维恩位移定律维恩位移定律1、测量黑体辐射的实验装置、测量黑体辐射的实验装置2、斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律黑体的辐出度与黑体的热力学温度的四次方成正比,这就黑体的辐出度与黑体的热力学温度的四次方成正比,这就是是斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律。玻耳兹曼定律。s s=5.6710-8W m-2 K-4 为为斯
8、特藩斯特藩-玻耳兹曼玻耳兹曼常量常量1700k1500k1300k0 1000 20001.00.5 3000K3000K6000K6000K0 1000 20001.00.5 可可见见光光区区3000K3000K6000K6000K常量常量峰值波长峰值波长当黑体的热力学温度升高时,与单当黑体的热力学温度升高时,与单色辐出度峰值相对应的波长色辐出度峰值相对应的波长 m 向短向短波方向移动,这就是波方向移动,这就是维恩位移定律维恩位移定律。3、维恩位移定律、维恩位移定律1700k1500k1300k4、M(T)与与M(T)关系关系测量温度:测量温度:通过测量星体的谱线分布来确定其热力学温度通过测
9、量星体的谱线分布来确定其热力学温度热象图:热象图:通过比较物体表面不同区域的颜色变化情况来确通过比较物体表面不同区域的颜色变化情况来确定物体表面的温度分布;定物体表面的温度分布;消失线高温计:消失线高温计:测量炉温测量炉温4、黑体辐射的应用、黑体辐射的应用 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
10、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 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太阳不是黑体,所以按黑体计算出的太阳不是黑体,所以按黑体计算出的 Ts 低于太阳的实际温度。低于太阳的实际温度。说明说明三、黑体辐射的瑞利三、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1、目的:、目的:探求单色辐出
11、度的数学表达式探求单色辐出度的数学表达式2、瑞利、瑞利金斯公式金斯公式利用能量均分定理和电磁理利用能量均分定理和电磁理论得出:论得出:3、经典物理的困难、经典物理的困难在低频(长波)部分与实验曲线相符合,在高频(短波)则完在低频(长波)部分与实验曲线相符合,在高频(短波)则完全不能适用。全不能适用。在高频部分,黑体辐射的单色辐出度将随着频率的增高而趋于在高频部分,黑体辐射的单色辐出度将随着频率的增高而趋于“无限大无限大”“紫外灾难紫外灾难”。0 1 2 3 62 4瑞利瑞利-金斯公式金斯公式实验曲线实验曲线*T=2 000 K四、普朗克假说四、普朗克假说 普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式普
12、朗克普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck,18581947)德国物理学家,量子物理学的开创者和奠德国物理学家,量子物理学的开创者和奠基人。基人。普朗克的伟大成就,就是创立了量子理论,普朗克的伟大成就,就是创立了量子理论,1900年年12月月14日他在德国物理学会上,宣日他在德国物理学会上,宣读了以关于正常光谱中能量分布定律的读了以关于正常光谱中能量分布定律的理论为题的论文,提出了能量的量子化理论为题的论文,提出了能量的量子化假设,并导出了黑体辐射的能量分布公式。假设,并导出了黑体辐射的能量分布公式。这是物理学史上的一次巨大变革。从此结这是物理学史上的一次巨大变革。从
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