大学物理量子力学初步01黑体辐射和普朗克假设

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1、1量子论的发展十九世纪末期，物理学各个分支的发展都已日臻完善，并不断取得新的成就。由安培、法拉第和麦克斯韦等人对电磁现象进行的深入而系统的研究，为电动力学奠定了坚实的基础。特别是麦克斯韦的电磁场方程组预言了电磁波的存在，随即被赫兹的实验所证实。牛顿、惠更斯和菲涅耳建立光学，纳入电动力学首先在牛顿力学基础上，哈密顿和拉格朗日等人建立起来的分析力学通过克劳修斯、玻耳兹曼和吉布斯等人的努力，建立了热力学和统计力学.2当时许多著名的物理学家都认为物理学的基本规律都已被发现.当时赫赫有名权威人物开耳文勋爵在一篇于1900年发表的瞻望二十世纪物理学发展的文章中也说：“在已经基本建成的科学大厦中，后

2、辈物理学家只需要做一些零星的修补工作就行了”，不过他还不愧为一名确有远见卓识的物理学家，因为他接着又指出：“但是在物理晴朗天空的远处，还有两朵小小的令人不安的乌云”，即运用当时的物理学理论所无法正确解释的两个实验现象，(1)热辐射现象中的紫外灾难，(2)否定绝对时空观的迈克尔逊--莫雷实验，3这些内容统称为量子物理学。事实上还有第三朵小小的乌云，这就是放射性现象的发现，它有力地表明了原子不是构成物质的基本单元，原子也是可以分割的。所有这些实验结果都是经典物理学无法解释的，它们使经典物理处于十分困难的境地.在二十世纪初期，建立起了近代物理的两大支柱------量子论和相对论，并在这个基础

3、上又建立起以研究原子的结构、性质及其运动规律为目的的原子物理学，后来又进一步发展，相继建立起原子核物理学和基本粒子物理学。4量子论的发展阶段1990年普朗克量子假说1905年爱因斯坦光量子假说1913年玻尔原子理论5量子论的发展1900年普朗克（德国人）1918年获诺贝尔物理学奖1900年12月14日量子论的诞生日提出量子假说（能量不是连续的）解释黑体辐射谱分布被称为量子论之父6量子论的发展爱因斯坦1921年获诺贝尔物理学奖光量子假说成功解释了光电效应康普顿X散射实验进一步验证了光量子假说。7光电效应康普顿散射8量子论的发展玻尔丹麦1922年获诺贝尔物理学奖原子的结构模型玻尔将量子推进

4、到原子物理学中，提出了电子角动量的量子化条件和量子跃迁理论，提出互补原理卢瑟福散射实验夫兰克－赫兹（1914年）实验9卢瑟福散射实验是现代核物理学的基石10黑体辐射与普朗克的量子假说描述热辐射的物理量黑体和黑体辐射的基本规律经典物理学所遇到的困难普朗克的能量子假说和黑体热辐射公式量子假说的含义及其与宏观现象的关系11分子(含有带电粒子)的热运动使物体辐射电磁波。这种与温度有关的辐射称为热辐射(heatradiation)。热辐射的电磁波能量对频率有一个分布。频率分布跟温度有关例如加热铁块，随着温度的升高:开始不发光暗红橙色黄色白色黑体辐射12温度为T时,单位时间内从物体单位表面发出的频

5、率在附近单位频率区间内的电磁波的能量,称为光谱辐出度M(T)1.光谱辐(射)出(射)度M单位-W/(m2·Hz)dE…温度为T时,单位时间内从物体单位表面发出的频率在→+d间隔内的电磁波的能量。M(T)…描述热辐射能量按频率的分布。T单位面积物质种类表面情况T一.描述热辐射的物理量13M的单位为W/m23.光谱吸收比以上这些物理量均与物体种类及其表面情况有关。（T）…温度为T时,（单位时间内）入射到物体（单位表面）的,频率在→+d间隔内的电磁波的能量被物体吸收的百分比。2.总辐出度14此时物体具有固定的温度。我们下面只讨论平衡热辐射的情况。物体辐射的能量等

6、于在同一时间内所吸收的能量时，热辐射过程达到热平衡，称为平衡热辐射。热辐射的情况与物体种类及其表面有关，太复杂了，怎么去研究热辐射的规律呢？提出“理想模型”的方法。★平衡热辐射151.黑体维恩设计的黑体：黑体这小孔（黑体）能吸收各种频率的电磁波。黑体的光谱吸收比(T)=1----‘理想模型’。为不透明材料的空腔开的一个小孔。能完全吸收照射到它上面的各种频率电磁波的物体，称为黑体。二.黑体和黑体辐射的基本规律16而黑体的热辐射正好与空腔的形状、材料及‘表面状态’都无关，是最好的研究对象。研究热辐射本身的规律，应利用辐射本领M只与频率、温度有关，而和材料及表面状态无关的物体。黑体的

7、吸收本领最大，辐射本领也最大。2.研究黑体辐射的实验装置示意图T热电偶(测M(T))光栅光谱仪（或棱镜光谱仪）17=5.67×10-8W/（m2K4）黑体辐射光谱中辐射最强的频率m与黑体温度T之间满足正比关系C=5.88×1010Hz/K总辐出度M(T)与黑体温度的四次方成正比M黑体辐射实验曲线4．维恩位移定律（实验定律）3．斯特藩—玻耳兹曼定律（实验定律）18例。若视太阳为黑体，测得可得维恩因热辐射定律的发现1911年获诺贝尔物理