太原理工大学物理系第十六章从经典物理到量子物理杨振宁在爱因斯坦对理论物理学的影响书中指出在世纪初，发生了三次概念上的革命，它们深刻地改变了人们对物理世界的了解，这就是狭义相对论年广义相对论年和量子力学年。太原理工大学物理系年前后，人们发现了许多经典理论无法解释的些新实验事实，如黑体辐射光电效应康普顿效应及原子光谱实验规律。为了解释这些规律，迫使人们去寻找新的物理概念，建立新的理论。做了艰苦地努力，其中最典型是维恩公式和瑞利金斯公式。维恩公式年维恩从经典热力学理论及实验数据分析得出如何从理论上找到符合实验函数式,式•只适用于短波区太原理工大学物理系维恩公式与实验曲线•在长波段，维恩曲线明显偏离实验曲线！太原理工大学物理系年从经典电动力学和统计物理学理论推导得瑞利金斯经验公式瑞利金斯线公式与实验曲线•只适用于长波区,式太原理工大学物理系•在紫外区与实验曲线明显不符瑞利金斯线公式与实验曲线“紫外灾难”•当时，,式下行太原理工大学物理系维恩公式和瑞利金斯公式都是用经典物理学方法来研究热辐射所得结果，都与实验结果不符，明显地暴露了经典物理学缺陷。黑体辐射实验是物理学晴朗天空中朵令人不安乌云。“紫外灾难”原因能量连续分布对“黑体”不存在。,下,行太原理工大学物理系基尔霍夫定律,表示温度下绝对黑体单色辐出度,则上式可简记为任何物体单色辐出度和单色吸收比之比,等于同温度下绝对黑体单色辐出度,即基尔霍夫定律。行任何物体单色辐出度和单色吸收比比值,与物体性质无关，与温度及波长有关。,式,下第行,式太原理工大学物理系定律适用于平衡热辐射基尔霍夫定律说明行,定律表明个好吸收体，也是好发射体。室温下，反射光，自身辐射光个黑白花盘子两张照片太原理工大学物理系•绝对黑体既是最好吸收体，也是最好发射体。黑体辐射本领最大和非黑体相比,行辐射达到平衡时物体辐射能量吸收能量。故•绝对黑体能够吸收各种波长电磁波，也能辐射各种波长电磁波。黑体材料和形状无关这样，利用黑体就可撇开材料具体性质来研究热辐射规律。黑体温度有关•黑体曲线形状与太原理工大学物理系练练太原理工大学物理系例练考点例太原理工大学物理系实验曲线三黑体辐射基本规律黑体单色辐出度按波长分布曲线对应不同温度，曲线不同。每条曲线都有个峰值。温度越高，峰值波长越小。温度越高，曲线下面积越大。特点太原理工大学物理系不同温度下与曲线斯特藩玻耳兹曼定律黑体辐射总发射本领与它绝对温度四次方成正比，即,式及上面行两个实验定律斯特藩常量太原理工大学物理系不同温度下与曲线维恩位移定律常量,式行曲线峰值波长与温度成反比。•热辐射峰值波长随着温度增加而向着短波方向移动。太原理工大学物理系说明该定律适用于绝对黑体平衡热辐射。应用科研星球表面温度估算。见例遥感红外追踪等技术物理基础。如神六神七工业中测高温如冶炼炉开小孔,黄色光已知，可由，得有效温度。测物体温度，如太原理工大学物理系例实验测得太阳单色辐出度峰值所对应波长为，若将太阳看作黑体，估计太阳表面温度和太阳辐出度。解由此方法也可估算宇宙中其它发光星体表面温度由斯特藩玻耳兹曼定律，得由维恩位移定律，得太原理工大学物理系例考点例太原理工大学物理系四经典物理学遇到困难理论物理学家做了艰苦地努力，其中最典型是维恩公式和瑞利金斯公式。维恩公式年维恩从经典热力学理论及实验数据分析得出如何从理论上找到符合实验函数式,式•只适用于短波区太原理工大学物理系维恩公式与实验曲线•在长波段，维恩曲线明显偏离实验曲线！太原理工大学物理系年从经典电动力学和统计物理学理论推导得瑞利金斯经验公式瑞利金斯线公式与实验曲线•只适用于长波区,式太原理工大学物理系•在紫外区与实验曲线明显不符瑞利金斯线公式与实验曲线“紫外灾难”•当时，,式下行太原理工大学物理系维恩公式和瑞利金斯公式都是用经典物理学方法来研究热辐射所得结果，都与实验结果不符，明显地暴露了经典物理学缺陷。黑体辐射实验是物理学晴朗天空中朵令人不安乌云。“紫外灾难”原因能量连续分布对，于年月日大胆地提出了能量量子化假设。太原理工大学物理系五普朗克能量子假设普朗克假设把构成黑体原子分子看成带电线性谐振子谐振子所具有能量只能是最小能量整数倍，即,，，，,称为能量子，为正整数，叫量子数。对频率为谐振子，最小能量，式中，叫普朗克常量。,倒第段太原理工大学物理系谐振子在吸收或辐射能量时，振子从这些状态之跃迁到其他个状态。即物体发射或吸收能量必须是最小能量整数倍，而且是份份地按不连续方式进行。每份能量叫能量子。利用这假设，普朗克从理论上导出了绝对黑体单色辐出度表达式,第行及下第行普朗克公式,此式在全波段内与实验相符，它是国际实用温标用以定标基础。太原理工大学物理系黑体辐射曲线与经典比较实验值普朗克线瑞利金斯线维恩线太原理工大学物理系成功解释了黑体辐射实验规律开创了物理学研究新局面标志人类对自然规律认识从宏观领域进入了微观领域为量子力学诞生奠定了基础。普朗克德国物理学家由于提出量子假设而对量子理论建立所做贡献获得年诺贝尔物理学奖。•普朗克提出能量量子化假设意义太原理工大学物理系例考点太原理工大学物理系普朗克公式维恩公式在长波情况下瑞金公式积分求极值在短波情况下斯玻定律维恩位移定律太原理工大学物理系电离辐射使物质电离辐射。如宇宙射线射线射线射线射线等。电离辐射强度与距离时间以及屏蔽情况有关。这种辐射对人体有害注意防护。非电离辐射不能使物质电离辐射。如微波激光红外紫外超声波等。这种辐射到处都有，可不防护。生活小贴士太原理工大学物理系普朗克首次指出了热辐射过程中能量变化非连续性。普朗克所提出能量量子化假设是个划时代发现，能量子存在打破了切自然过程都是连续经典定论，第次向人们揭示了自然非连续本性。普朗克常数是微观物理中重要物理量，与量子化分不开年中国物理学家叶企孙等人测定普朗克常量值在物理学界使用了年之久。科学史家们将年月日定为量子诞生日太原理工大学物理系对应不同温度，曲线不同。温度越高，曲线下面积越大。由图知其曲线下面积为绝对黑体在该温度下辐出度对每条曲线都有个峰值。温度越高，与峰值对应波长越小。斯特藩玻耳兹曼定律实验结论两条实验定律黑体辐射总发射本领与它绝对温度四次方成正比，即,式及上面行太原理工大学物理系维恩位移定律常量可见，当绝对黑体随温度升高时，其单色辐出度最大值向短波方向移动。如炉温升高其火焰颜色由红黄炉火纯青也说明该现象。称为斯特藩常量,式说明该定律适用于绝对黑体平衡热辐射。太原理工大学物理系应用测物体温度，如工业中测高温如冶炼炉开小孔,黄色光已知，可由，得有效温度。科研星球表面温度估算。见例遥感红外追踪等技术物理基础。如神六神七太原理工大学物理系四经典物理学困难世纪末，许多理论物理学家试图从经典物理概念出发，找出与上述实验曲线相符函数关系式，但均高失败，其中最典型是维恩公式和瑞利金斯公式。维恩公式年维恩从经典热力学理论及实验数据分析得出，只适用于短波段。实验值,式“黑体”不存在。,下,行太原理工大学物理系基尔霍夫定律,表示温度下绝对黑体单色辐出度,则上式可简记为任何物体单色辐出度和单色吸收比之比,等于同温度下绝对黑体单色辐出度,即基尔霍夫定律。行任何物体单色辐出度和单色吸收比比值,与物体性质无关，与温度及波长有关。,式,下第行,式太原理工大学物理系定律适用于平衡热辐射基尔霍夫定律说明行,定律表明个好吸收体，也是好发射体。室温下，反射光，自身辐射光个黑白花盘子两张照片太原理工大学物理系•绝对黑体既是最好吸收体，也是最好发射体。黑体辐射本领最大和非黑体相比,行辐射达到平衡时物体辐射能量吸收能量。故•绝对黑体能够吸收各种波长电磁波太原理工大学物理系第十六章从经典物理到量子物理杨振宁在爱因斯坦对理论物理学影响书中指出在世纪初，发生了三次概念上革命，它们深刻地改变了人们对物理世界了解，这就是狭义相对论年广义相对论年和量子力学年。太原理工大学物理系年前后，人们发现了许多经典理论无法解释些新实验事实，如黑体辐射光电效应康普顿效应及原子光谱实验规律。为了解释这些规律，迫使人们去寻找新物理概念，建立新理论。量子力学就是在这样背景下逐渐发展起来种新理论本章主要介绍上述实验规律以及当时解释这些规律而提出相关设想太原理工大学物理系黑体辐射普朗克能量子假说热辐射基本概念热辐射,第段行•它是由分子原子热运动引起。•温度不同时辐射波长分布不同例如加热铁块，随着温度升高，从看不出发光暗红橙色兰白色概念由于分子热运动导致物体不断地辐射电磁波,因这种辐射与温度有关,故称热辐射•热辐射热能转化为电磁能过程太原理工大学物理系如固体在温度升高时颜色变化热辐射基本性质•任何物体在任何温度下都有热辐射。•热辐射发射电磁波是连续光谱各波长都有，但强度不同•温度越高,辐射能量越大,辐射电磁波波长越短。以下，只发热，肉眼无法观察以上，才能看到物体发光,第段，第行起太原理工大学物理系直觉低温物体发出是红外光炽热物体发出是可见光高温物体发出是紫外光注意热辐射与温度有关激光日光灯发光不是热辐射太原理工大学物理系平衡热辐射物体不仅有发射电磁波本领还具有吸收反射电磁波本领。,第段，第行,第段，第,行如果物体辐射能量等于在同时间内所吸收能量，物体达到热平衡，称为平衡热辐射。此时物体具有固定温度。•以下只讨论平衡热辐射。太原理工大学物理系定义单位时间内从物体表面单位面积上辐射波长在到范围内辐射能量与比值为单色辐出度，用表示单色辐出度或单色发射本领单位和温度波长有关发射体材料及表面情况有关描述热辐射物理量,式及上，行太原理工大学物理系钨丝和太阳单色辐出度曲线可见光区钨丝太阳太原理工大学物理系辐射出射度或全发射本领定义单位时间内从物体表面单位面积上辐射各种波长电磁波能量总和，称为该物体辐射出射度，简称辐出度，用表示。单位,第段行,式及上面行和温度有关发射体材料及表面情况有关温度时,物体辐出度与单色辐出度关系太原理工大学物理系附钨丝和太阳单色辐出度曲线温度时，物体辐出度与单色辐出度关系可见光区钨丝太阳太原理工大学物理系吸收比和反射比,倒第段，第，行定义物体在温度时,反射波长在范围内电磁波能量与相应波长入射电磁波能量之比，称为该物体单色反射比，用，表示。•对于不透明物体,式定义物体在温度时,吸收波长在范围内电磁波能量与相应波长入射电磁波能量之比，称为该物体单色吸收比，用，表示。太原理工大学物理系绝对黑体定义如果物体,能完全吸收各种波长入射辐射能而无反射,则该物体为绝对黑体，简称黑体。即,二黑体和基尔霍夫辐射定律。黑体模型在不透明材料做成空腔上开小孔Ο，这样小孔就可作为黑体模型。说明黑体是理想模型。实际上“黑体”不存在。,下,行太原理工大学物理系基尔霍夫定律,表示温度下绝对黑体单色辐出度,则上式可简记为任何物体单色辐出度和单色吸收比之比,等于同温度下绝对黑体单色辐出度,即基尔霍夫定律。行任何物体单色辐出度和单色吸收比比值,与物体性质无关，与温度及波长有关。,式,下第行,式太原理工大学物理系定律适用于平衡热辐射基尔霍夫定律说明行,定律表明个好吸收体，也是好发射体。室温下，反射光，自身辐射光个黑白花盘子两张照片太原理工大学物理系•绝对黑体既是最好吸收体，也是最好发射体。黑体辐射本领最大和非黑体相比,行辐射达到平衡时物体辐射能量吸收能量。故•绝对黑体能够吸收各种波长电磁波，也能辐射各种波长电磁波。黑体材料和形状无关这样，利用黑体就可撇开材料具体性质来研究热辐射规律。黑体温度有关•黑体曲线形状与太原理工大学物理系练练太原理工大学物理系例练考点例太原理工