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1、1,黑体辐射 普朗克能量子假设,第一节,2,1.热辐射现象,物质中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象称为热辐射。,.物体在任何温度下都会辐射能量。,注意,.物体既会辐射能量，也会吸收能量。,辐射和吸收的能量恰相等时称为热平衡,此时温度恒定不变。,一般温度下，物体的热辐射主要处在红外区，只有在非常高的温度下物体才发出可见光，在高温下的热辐射体便是经常使用的光源。,实验表明：物体辐射能多少决定于物体的温度、辐射的波长、时间的长短和发射的面积。,3,描写物体辐射本领的物理量。类似于波强。,（1）单色辐出度,2.基尔霍夫定律,1.几个概念,如果从物体单位表面上发射的、波长在 到d之间的辐射功率为
2、 ,则 与d之比称为单色辐出度。,是温度和波长的函数，常写成 。,它描述了物体热辐射的能谱分布。,单位：,4,辐出度（M ）：物体表面单位面积发射的包含各种波长在内的辐射功率。,吸收率：吸收能量与入射总能量的比值。,单色吸收率 ： 波长在 范围内的吸收率。,单位：,单位：,5,.基尔霍夫定律,N个不同的物体置于一绝热恒温体内，经过热辐射交换能量，达到热平衡态。,要维持温度不变，则物体吸收的辐射能必须等于辐射出去的能量。,在热平衡下，任何物体的单色辐出度与单色吸收比的比值与物体的性质无关，对于所有物体，这个比值是波长和温度的普适函数.,好的吸收体也是好的发射体。,基尔霍夫定律,6,1.黑体,黑体
3、是指在任何温度下，能够完全吸收外来辐射而没有反射的物体,黑体是一种理想的模型，在自然界中并不存在完全理想的黑体,可把一个开小孔的不透光空腔看成黑体。,7,黑体辐射与材料无关：,1）每一条曲线都有一个极大值,2）随着温度的升高，黑体的单色辐出度迅速增大，并且曲线的极大值逐渐向短波方向移动。,8,2.黑体的两个定律,斯忒藩-玻耳兹曼定律：,斯忒藩 -玻耳兹曼常量：,维恩位移定律：能谱分布曲线的峰值对应的波长m与温度T 的乘积为一常数。,维恩常量:,9,例：（1）温度为室温（20C）的黑体，其单色辐出度的峰值所对应的波长是多少？（2）辐出度是多少？,解：（1）由维恩位移定律,（2）由斯特藩-玻耳兹曼
4、定律,10,例、由测量得到太阳辐射谱的峰值处在490nm，计算太阳表面温度、辐出度、地球表面接受的辐出度及地球表面单位面积上接受到的辐射能（太阳半径R=0.7109m，地球距太阳d=1.491011m,地球半径为r=0.64107m) 。,解：将太阳看作黑体，则有太阳表面温度：,太阳辐出度：,正对太阳辐射的地球表面单位面积接受的辐射能为：,若将地球看作半径为r=0.64107 m的圆盘，地球接受的辐射能功率为：,11,如何从理论上推导出符合实验结果的函数表达式就成为当时物理学中引入注目的问题之一。, 维恩根据经典热力学得出一个半经验公式：维恩公式,维恩公式在短波部分与实验结果吻合得很好，但长波
5、却不行。,12, 瑞利和琼斯用能量均分定理和电磁理论得出:瑞利琼斯公式,瑞利琼斯公式在长波部分与实验结果比较吻合。但在紫外区竟算得单色辐出度为无穷大所谓的“紫外灾难”。,利用经典理论无法解释黑体辐射现象。正如1900年开耳文指出的晴朗的物理学理论大厦上空，飞来“两朵乌云”之一，它动摇了经典物理的基础。,13, 1900年德国物理学家普朗克在维恩位移定律和瑞利琼斯公式之间用内插法建立一个普遍公式普朗克公式,式中：k为玻尔兹曼常数，,普朗克公式,这个公式与实验结果相符合。,写成波长形式：,h称为普朗克常数。,14,由Plank公式：,低频情况下，,此即瑞利琼斯公式,高频情况下，,此即维恩公式,此外
6、，用Plank公式可以得到：,和,15,.金属空腔壁中电子的振动可视为一维谐振子。这些振子可以吸收或辐射能量。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。,.空腔壁上带电谐振子所吸收或发射的能量是 h 的整数倍。,普朗克常数,为了能够从理论上推导出这个公式，普朗克提出了一个与经典物理学概念截然不同的“能量子”假设：,16,普朗克由于提出能量子假设，为此获1918年诺贝尔物理学奖。,根据普朗克能量子假设，很容易从理论上推导出普朗克公式。,例：设有一音叉,尖端的质量为 0.050kg，将其频率调到 = 480Hz，振幅 A=1.0nm。求：尖端振动的量子数。,解：振动能量为：,由,17,1.测量黑体温度,在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看作黑体，由小孔的热辐射特性，就可以确定炉内的温度。,2.光学高温计-光测高温,调节R，当灯丝温度炉温时，灯丝在炉孔像的背景上显示出亮线。,当灯丝温度炉温时，灯丝在炉孔像的背景上显示出暗线。,当灯丝温度=炉温时，灯丝在炉孔像的背景上消失。,由通过灯丝电流强度可算出炉温T。,
