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1、第十六章第十六章 量子物理基础量子物理基础 二十世纪初被开尔文称为物理的天空二十世纪初被开尔文称为物理的天空中的中的“另一朵乌云另一朵乌云”,就是黑体辐射实验就是黑体辐射实验结果不能用当时的理论解释。为了从理论结果不能用当时的理论解释。为了从理论上解释黑体辐射的规律，上解释黑体辐射的规律，1900年普朗克冲年普朗克冲破能量连续变化的传统束缚，提出了能量破能量连续变化的传统束缚，提出了能量子概念，宣告了量子物理的诞生子概念，宣告了量子物理的诞生 16.1 黑体辐射黑体辐射 普朗克量子假设普朗克量子假设16.1.1 黑体黑体 黑体辐射黑体辐射黑体是能够将照射在它表面的电磁波全部黑体是能够将照射在它
2、表面的电磁波全部吸收的物体吸收的物体 这是无透射带一个小孔这是无透射带一个小孔的空腔。当一束电磁波的空腔。当一束电磁波从外部由小孔射入空腔从外部由小孔射入空腔后，光经过空腔内壁材后，光经过空腔内壁材料的多次反射与吸收，料的多次反射与吸收，几乎全部被吸收几乎全部被吸收 对于这种对于这种带小孔的空腔带小孔的空腔处于某一确定温度时，也处于某一确定温度时，也应该有电磁辐射从小孔发射出来，这种辐射可以应该有电磁辐射从小孔发射出来，这种辐射可以看成看成黑体辐射黑体辐射 对同一物体，若它在某一频率范围内发射电对同一物体，若它在某一频率范围内发射电磁波的能力越强，它吸收该频率范围内电磁波的磁波的能力越强，它吸
3、收该频率范围内电磁波的能力也越强能力也越强 经典物理学证明，经典物理学证明，黑体辐射电磁波的性质与黑体辐射电磁波的性质与组成黑体的材料无关组成黑体的材料无关。因此，研究黑体的辐射规。因此，研究黑体的辐射规律是很有意义的律是很有意义的 1单色辐出度单色辐出度 从热力学温度为从热力学温度为的黑体的单位面积上，的黑体的单位面积上，单位时间内，在波长附近单位波长范围内单位时间内，在波长附近单位波长范围内所辐射的电磁波能量所辐射的电磁波能量 ,简称单色辐出度简称单色辐出度 0.5 1.0 1.5 2.01050MB (10-7 W / m2 m) ( m)可见光5000K6000K3000K4000K辐
4、出度辐出度在单位时间内，从热力学温度为在单位时间内，从热力学温度为的黑体的单位的黑体的单位面积上，所辐射出来的各种波长电磁波的能量总面积上，所辐射出来的各种波长电磁波的能量总和，称为辐射出射度，简称辐出度。和，称为辐射出射度，简称辐出度。 由定义可知由定义可知 可由对可由对 所有波长积分求得，所有波长积分求得，即即 16.1.2 斯特藩斯特藩-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斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 1879年奥地利物理学家斯特藩从实验中年奥地利物理学家斯特藩从实验中发现发现 2维恩位移定律维恩位移定律每一曲线的峰值波长每一曲线的峰值波长 随黑体的温度随黑体的
5、温度T改变，维改变，维恩在恩在1893年找到年找到 与与T之间关系为之间关系为维恩位移定律的应用：维恩位移定律的应用：通过测得遥远的星球的谱线可以确定该星球的热通过测得遥远的星球的谱线可以确定该星球的热力学温度；比较物体表面颜色的不同，来确定物力学温度；比较物体表面颜色的不同，来确定物体表面的温度分布。这种以图像表示出来的热力体表面的温度分布。这种以图像表示出来的热力学温度分布被称为热象图，利用热象图的遥感技学温度分布被称为热象图，利用热象图的遥感技术可以监测森林防火；可以监测人体某些部位的术可以监测森林防火；可以监测人体某些部位的病变；也可以在夜间寻找热血动物的行踪病变；也可以在夜间寻找热血
6、动物的行踪 16.1.3 黑体辐射的瑞利黑体辐射的瑞利-金斯公式金斯公式 经典物理经典物理的困难的困难 许多物理学家企图由经典电磁理论和经典统计物理出发，许多物理学家企图由经典电磁理论和经典统计物理出发，从理论上找出与实验相一致的从理论上找出与实验相一致的的数学表达式的数学表达式 对黑体辐射的波长分布做出理论解释，但都未能如愿，对黑体辐射的波长分布做出理论解释，但都未能如愿，相反倒得出与实验不相符的结果相反倒得出与实验不相符的结果 探求单色辐出度探求单色辐出度 的数学表达式，对热辐的数学表达式，对热辐射的理论研究和实际应用都是很有意义的射的理论研究和实际应用都是很有意义的 其中最有代表性的是瑞
7、利和金斯按照经典理论其中最有代表性的是瑞利和金斯按照经典理论得出的的数学表达式为得出的的数学表达式为 在长波（低频）部分，由经典理论得出的瑞利在长波（低频）部分，由经典理论得出的瑞利-金斯金斯公式与实验符合得很好公式与实验符合得很好 但是在短波（高频）部分，却出现巨大的分歧但是在短波（高频）部分，却出现巨大的分歧 对于温度给定的黑体对于温度给定的黑体 由瑞利由瑞利-金斯公式给出的单色辐出度将随波金斯公式给出的单色辐出度将随波长变短（即频率的增高）而趋于无限大长变短（即频率的增高）而趋于无限大 这与实验完全不符，这就是通常所说的这与实验完全不符，这就是通常所说的“紫外灾难紫外灾难” 16.1.4
8、 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年，德国物理学家普朗克为了得到与实验曲年，德国物理学家普朗克为了得到与实验曲线相一致的公式，提出一个与经典物理概念不同线相一致的公式，提出一个与经典物理概念不同的假设：的假设： 空腔壁中的电子的振动可视为一维谐振子，空腔壁中的电子的振动可视为一维谐振子，它吸收和发射电磁波能量时，只能取一些它吸收和发射电磁波能量时，只能取一些分立的能量，其值为分立的能量，其值为 （） 普朗克常数普朗克常数 Js 普朗克按照他的量子假设得到普朗克按照他的量子假设得到 用这个结论与实验相比较得到的结果是，理论和用这个结论与实验相比较得到的结果是，理论和实验符合得非常好。就连普朗克本人也非常困惑，实验符合得非常好。就连普朗克本人也非常困惑，但是这个假设对后来的量子理论的发展起到很重但是这个假设对后来的量子理论的发展起到很重要的作用要的作用 几年后，爱因斯坦为了解释光电效应提出的光量子几年后，爱因斯坦为了解释光电效应提出的光量子假设使得人们对微观世界的认识更进一步。假设使得人们对微观世界的认识更进一步。
