15-1--黑体辐射-普朗克能量子假设课件.ppt

1、第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版1第十五章第十五章 量子物理量子物理(1)1.阅读阅读:P301P3202.书面作业书面作业:P390习题：习题：15-9,15-10,15-11,15-123.预习预习:P320P339第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版2 量子概念是普朗克首先量子概念是普朗克首先提出，提出，其间，经过爱因斯坦、其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔

2、、狄拉克等许森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力，多物理大师的创新努力，到到 20 世纪世纪 30 年代，就年代，就建立了建立了一套完整的量子力学理论一套完整的量子力学理论.量子理论的诞生量子理论的诞生 19世纪末世纪末,在研究热辐射在研究热辐射,光电效应等遇到了障碍光电效应等遇到了障碍,导导致了致了量子概念产生量子概念产生,量子理量子理论的诞生论的诞生.第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版3 量子概念是量子概念是 1900 1900 年普朗克首先提出的，距今已年普朗克首先提出的，距今已有一百多

3、年的历史有一百多年的历史.其间，经过爱因斯坦、玻尔、德其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力，到大师的创新努力，到 20 20 世纪世纪 30 30 年代就建立了一套年代就建立了一套完整的量子力学理论完整的量子力学理论.量子力学量子力学宏观领域宏观领域经典力学经典力学现代物理的理论基础现代物理的理论基础量子力学量子力学相相 对对 论论量子力学量子力学微观世界的理论微观世界的理论起源于对波粒二象性的认识起源于对波粒二象性的认识第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗

4、克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版4一一 黑体黑体 黑体辐射黑体辐射 热辐射热辐射 任何物体在任何温度下都会发射不同频率任何物体在任何温度下都会发射不同频率的电磁波的现象为热辐射的电磁波的现象为热辐射.物体在任何时候都存在发射物体在任何时候都存在发射和吸收电磁辐射的过程和吸收电磁辐射的过程.实验证明热辐射具有如下规律实验证明热辐射具有如下规律:1.辐射能量按频率的分布随温度而不同辐射能量按频率的分布随温度而不同.2.不同物体在某一频率范围发射和吸收辐射的能不同物体在某一频率范围发射和吸收辐射的能力不同力不同;同一物体在某一频率范围发射越强同一物体在某一频率范围发射越强,吸收也

5、越吸收也越强强.第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版5实验表明实验表明 辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强.黑体黑体 能完全吸收照射到它上面的各种频率的电能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射的物体称为黑体磁辐射的物体称为黑体 .（黑体是理想模型）（黑体是理想模型）第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版6 1.1.单色辐射出射度单色辐射出射度 单位时间内从物体单位面积发单位

6、时间内从物体单位面积发出的频率在出的频率在 附近单位频率区间（或波长在附近单位频率区间（或波长在 附近单附近单位波长区间）的电磁波的能量位波长区间）的电磁波的能量 .单色辐射出射度单色辐射出射度 单位：单位：)(TM3W/m单色辐射出射度单色辐射出射度 单位：单位：Hz)W/(m2)(TM 定量研究热辐射的有关物理量定量研究热辐射的有关物理量 2.2.辐射出射度（辐出度）辐射出射度（辐出度）单位时间，单位面积上所单位时间，单位面积上所辐射出的各种频率（或各种波长）的电磁波的能量总和辐射出的各种频率（或各种波长）的电磁波的能量总和.0d)()(TMTM0d)()(TMTM第十五章第十五章 量子物

7、理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版70 2 4 6 8 10 12Hz10/1421210468)/(128HzmW10TM太阳太阳)/(129HzmW10-TM钨丝钨丝K 800 5T可见可见光区光区 太阳太阳 钨丝钨丝钨丝和太阳的单色辐出度曲线钨丝和太阳的单色辐出度曲线实验可测得实验可测得:第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版8T1Ls 会聚透镜会聚透镜2Lc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测量黑体辐射出射度实

8、验装置测量黑体辐射出射度实验装置二二 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第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版9（1 1）斯特藩斯特藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律40d)()(TTMTM428KmW10670.5斯特藩斯特藩玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数（2）维恩位移定律维恩位移定律bT mKm10898.23b常数常数峰值波长峰值波长0 1000 20001.00.5 )mW10/()(314TMnm/可见光区可见光区3000K3000K6000K6000Km黑体单色辐出度实验曲线黑

9、体单色辐出度实验曲线第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版10可可见见光光Hz10/15)HzW/(m10)(27TM6000K3000K0.5 1.00.51.0黑体单色辐出度实验曲线黑体单色辐出度实验曲线cdd2cd)(d)(TMTMcTMTM2)()(和和 关系关系)(TM)(TM第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版11nm9890m29310898.23mTbK1046.4K105.610898.2373m

10、bT441037.5)()()(TTTMTM 例例1 1（1 1）温度为室温温度为室温 的黑体，其单色辐出度的黑体，其单色辐出度的峰值所对应的波长是多少？的峰值所对应的波长是多少？（2 2）若使一黑体单色辐出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度的峰值所对应的波长在红色谱线范围内 ，其温度应为，其温度应为多少？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少？)C20(解解:nm650m（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耳兹曼定律玻耳兹曼定律第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗

11、克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版12K6000K1048310898.293mbT 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.nm483m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第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版13)HzW/(m10)(29TM0 1 2 3 6Hz10/14123 45瑞利瑞利 -金斯公式金

12、斯公式实验曲线实验曲线k2000T*三三 黑体辐射的瑞利黑体辐射的瑞利金斯公式金斯公式 经典物理的困难经典物理的困难kTcTM222)(瑞利瑞利 -金斯公式金斯公式紫外灾难紫外灾难第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版14四四 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 1900 年）年）sJ106260755.634h普朗克常量普朗克常量 能量子能量子h 普朗克假设：金属空腔壁中电子的振动可视为一普朗克假设：金属空腔壁中电子的振动可视为一维谐振子，它吸收或者发射电磁辐射能量是量

13、子化的维谐振子，它吸收或者发射电磁辐射能量是量子化的（不连续）（不连续）.h1h2h3h4h5h61ed2d)(/32kThchTM普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式),3,2,1(nnh 带电谐振子吸收或发射能量为带电谐振子吸收或发射能量为 第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版150 1 2 3 6Hz10/14)HzW/(m10)(29TM瑞利瑞利 -金斯公式金斯公式123 45k2000T普朗克公式的理论曲线普朗克公式的理论曲线实验值实验值*第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1

14、黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版16 普朗克普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck，1858 1947）德国理论物理德国理论物理学家，量子论的奠基人学家，量子论的奠基人.1900年年12月月14日他宣读了以日他宣读了以关于正常光谱关于正常光谱中能量分布定律的理论中能量分布定律的理论为题的论为题的论文，提出能量量子化的假设，并导文，提出能量量子化的假设，并导出黑体辐射能量分布公式出黑体辐射能量分布公式.劳厄称劳厄称这一天是这一天是“量子论的诞生日量子论的诞生日”.1905年年爱因斯坦爱因斯坦在能量量子化的启发下提出了在能量量子化

15、的启发下提出了光光量子量子的假设的假设,并成功解释了光电效应并成功解释了光电效应.第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版17量子观念在量子观念在“非难非难”中得到发展中得到发展.普朗克晚年对自己工作的评论普朗克晚年对自己工作的评论:“我徒劳无益的使基本量子论我徒劳无益的使基本量子论和经典理论一致的企图继续了许多和经典理论一致的企图继续了许多年花了我极大的精力，我的同行中年花了我极大的精力，我的同行中的许多人几乎把这看成悲剧，但我的许多人几乎把这看成悲剧，但我对他的看法是不同的，因为我从这对他的看法是不同的

16、，因为我从这工作中得到的对我的想法的深刻的工作中得到的对我的想法的深刻的澄清，对我有极大的价值澄清，对我有极大的价值.现在我现在我的确知道，作用量子的基本意义比的确知道，作用量子的基本意义比我原来所想象的的要大得多我原来所想象的的要大得多.”诚实、严谨诚实、严谨的科学态度的科学态度第十五章第十五章 量子物理量子物理物理学物理学第五版第五版18本章目录本章目录选择进入下一节：选择进入下一节：15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设15-4 15-4 氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论15-3 15-3 康普顿效应康普顿效应15-2 15-2 光电效应光电效应 光的波粒

17、二象性光的波粒二象性15-015-0 教学基本要求教学基本要求*15-5 15-5 弗兰克弗兰克-赫兹实验赫兹实验第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版19量量 子子 物物 理理 第第十五十五章章第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版20 量子概念是普朗克首先量子概念是普朗克首先提出，提出，其间，经过爱因斯坦、其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许森伯、薛定谔、狄

18、拉克等许多物理大师的创新努力，多物理大师的创新努力，到到 20 世纪世纪 30 年代，就年代，就建立了建立了一套完整的量子力学理论一套完整的量子力学理论.量子理论的诞生量子理论的诞生 19世纪末世纪末,在研究热辐射在研究热辐射,光电效应等遇到了障碍光电效应等遇到了障碍,导导致了致了量子概念产生量子概念产生,量子理量子理论的诞生论的诞生.第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版21第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版2

19、2热辐射热辐射分子的热运动使物体辐射的电磁波分子的热运动使物体辐射的电磁波例如：加热铁块例如：加热铁块,颜色颜色:暗红色暗红色 青白色青白色基本性质基本性质温度温度 发射的能量发射的能量 电磁波电磁波的短波成分的短波成分 一一 黑体黑体 黑体辐射黑体辐射1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念辐射能辐射能 是波长自是波长自远红外远红外延伸到延伸到紫外紫外的的连续能谱连续能谱量子理论首先是从黑体辐射问题上突破的量子理论首先是从黑体辐射问题上突破的！第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版23一一 黑体黑体 黑体辐

20、射黑体辐射 热辐射热辐射 任何物体在任何温度下都会发射不同频率任何物体在任何温度下都会发射不同频率的电磁波的现象为热辐射的电磁波的现象为热辐射.物体在任何时候都存在发射物体在任何时候都存在发射和吸收电磁辐射的过程和吸收电磁辐射的过程.实验证明热辐射具有如下规律实验证明热辐射具有如下规律:1.辐射能量按频率的分布随温度而不同辐射能量按频率的分布随温度而不同.2.不同物体在某一频率范围发射和吸收辐射的能不同物体在某一频率范围发射和吸收辐射的能力不同力不同;同一物体在某一频率范围发射越强同一物体在某一频率范围发射越强,吸收也越吸收也越强强.第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐

21、射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版24 1.1.单色辐射出射度单色辐射出射度 单位时间内从物体单位面积发单位时间内从物体单位面积发出的频率在出的频率在 附近单位频率区间（或波长在附近单位频率区间（或波长在 附近单附近单位波长区间）的电磁波的能量位波长区间）的电磁波的能量 .单色辐射出射度单色辐射出射度 单位：单位：)(TM3W/m单色辐射出射度单色辐射出射度 单位：单位：Hz)W/(m2)(TM 定量研究热辐射的有关物理量定量研究热辐射的有关物理量 2.2.辐射出射度（辐出度）辐射出射度（辐出度）单位时间，单位面积上所单位时间，单位面积上所辐射出的各种频率（或

22、各种波长）的电磁波的能量总和辐射出的各种频率（或各种波长）的电磁波的能量总和.0d)()(TMTM0d)()(TMTM第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版250 2 4 6 8 10 12Hz10/1421210468)/(128HzmW10TM太阳太阳)/(129HzmW10-TM钨丝钨丝K 800 5T可见可见光区光区 太阳太阳 钨丝钨丝钨丝和太阳的单色辐出度曲线钨丝和太阳的单色辐出度曲线实验可测得实验可测得:第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普

23、朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版26入射入射吸收吸收反射反射透射透射（3）单色吸收比和单色反射比）单色吸收比和单色反射比 单色吸收比单色吸收比 (T)：在波长在波长 到到 范围内吸收的能量与入射的能量之比范围内吸收的能量与入射的能量之比.d 在波长在波长 到到 范围内反射的能量与入射能量之比范围内反射的能量与入射能量之比.单色反射比单色反射比r(T)：d 对于不透明物体对于不透明物体(T)+r(T)=1 物体向外发射辐射能物体向外发射辐射能,也接受周围物体给予的辐射能也接受周围物体给予的辐射能,包包括吸收辐射能和反射辐射能括吸收辐射能和反射辐射能.第十五章第十五章 量子物理量子物理15-

24、1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版27 或者或者:任何物体单色辐出度任何物体单色辐出度 M(T)和单色吸和单色吸收比收比(T)之比，等于同一温度之比，等于同一温度 T 时的绝对黑体时的绝对黑体对同一波长的单色辐出度对同一波长的单色辐出度MB(,T),即即),()()(BTMTTM（4）基尔霍夫定律基尔霍夫定律通俗地讲，好的吸收体是好的辐射体通俗地讲，好的吸收体是好的辐射体.实验证明实验证明:各种不同的物体各种不同的物体,在同样的温度下在同样的温度下,发射发射能能M (T)与吸收辐射能与吸收辐射能 (T)比是相同的比是相同的.第十五章第十五章

25、 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版28 2 黑体黑体 黑体是理想模型黑体是理想模型,研究黑体可以隔绝反射研究黑体可以隔绝反射,从从而进一步研究其它物体的辐射能而进一步研究其它物体的辐射能.若物体在任何温度下，若物体在任何温度下，能吸能吸收一切外来收一切外来的电磁辐射的电磁辐射，则称此，则称此物体为黑体物体为黑体.如如:空腔小孔空腔小孔.黑体黑体M 最大最大,且且只与温度有关，而和材料只与温度有关，而和材料及表及表面状态无关面状态无关.第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子

26、假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版29实验表明实验表明 辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强.黑体黑体 能完全吸收照射到它上面的各种频率的电能完全吸收照射到它上面的各种频率的电磁辐射的物体称为黑体磁辐射的物体称为黑体 .（黑体是理想模型）（黑体是理想模型）第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版30T1Ls 会聚透镜会聚透镜2Lc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测量黑体辐射出射度实验装置测量黑体辐射出射度实验装置二二 斯特藩斯特藩 玻耳兹曼定

27、律玻耳兹曼定律 维恩位移定律维恩位移定律C:热电偶热电偶,可测出不同波长的辐射功率可测出不同波长的辐射功率(即单位时间内入射于即单位时间内入射于热电偶的能量）热电偶的能量）.分析分析黑体辐射黑体辐射实验规律实验规律,可得到两个定律可得到两个定律第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版31(1)斯特藩斯特藩 -玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律40d)()(TTMTM428Km W10670.5斯特藩斯特藩 -玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数辐出度辐出度:式中式中0 1 000 2 0001.0 )mW10/()(314TMn

28、m/可见光区可见光区m0.56 6 000000 K K3 3 000000 K K41212)()()(TTTMTM可见可见:在黑体单色辐出度的实验曲线中得到在黑体单色辐出度的实验曲线中得到第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版32(2)维恩位移定律维恩位移定律bT mKm 10898.23b常量常量 峰值波长峰值波长0 1 000 2 0001.0 )mW10/()(314TMnm/可见光区可见光区m0.56 6 000000 K K3 3 000000 K K应用应用:测高温（太阳的温度、炉测高温（

29、太阳的温度、炉温）、遥感（地表温度）、红外温）、遥感（地表温度）、红外跟踪。跟踪。1964年，美国天文学家彭齐亚斯和威耳孙在研究从卫星反射年，美国天文学家彭齐亚斯和威耳孙在研究从卫星反射回来的信号中接受到回来的信号中接受到“噪音噪音”，称作宇宙背景辐射，其峰值，称作宇宙背景辐射，其峰值波长恰好与黑体辐射在波长恰好与黑体辐射在2.76K的能谱曲线符合。这证实了宇宙的能谱曲线符合。这证实了宇宙大爆炸的预言，他们获得大爆炸的预言，他们获得1978年的诺贝尔物理奖。年的诺贝尔物理奖。第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五

30、版第五版33例例1 一个一个100W的白炽灯泡的灯丝表面积为的白炽灯泡的灯丝表面积为S=5.3 10 5m2.若将点燃的灯丝看作是黑体，可估若将点燃的灯丝看作是黑体，可估算出它的工作温度为算出它的工作温度为 .解解:)(1089.1103.5100)(265mWSPTMKTMT34864104.21067.51089.1)(举例举例第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版34例例2 地球卫星测得太阳单色辐射出射度的峰值在地球卫星测得太阳单色辐射出射度的峰值在500nm处处,若把太阳看成黑体若把太阳看成黑体,

31、求求(1)太阳表面的温度；太阳表面的温度；(2)太阳辐射的总功率；太阳辐射的总功率；(3)垂直射到地球表面每单位面积的日光功率垂直射到地球表面每单位面积的日光功率.(地球与太阳的平均距离为地球与太阳的平均距离为1.5 108km，太阳的半径为，太阳的半径为6.67 105km)解解:(1)T=b/m=5.794103K.(2)P=M(T)S=T44 RS2=3.671026W(3)M =P/S =T44 RS2/(4 L2)=1.30103W/m2第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版35)HzW/(m1

32、0)(29TM0 1 2 3 6Hz10/14123 45瑞利瑞利 -金斯公式金斯公式实验曲线实验曲线k2000T*三三 黑体辐射的瑞利黑体辐射的瑞利金斯公式金斯公式 经典物理的困难经典物理的困难kTcTM222)(瑞利瑞利 -金斯公式金斯公式紫外灾难紫外灾难符合实验曲线的函数式：符合实验曲线的函数式：M =f（，T)？第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版36sJ106260755.634h普朗克常量普朗克常量 能量子能量子h 普朗克假设：金属空腔壁中电子的振动可视为一普朗克假设：金属空腔壁中电子的振动

33、可视为一维谐振子，它吸收或者发射电磁辐射能量是量子化的维谐振子，它吸收或者发射电磁辐射能量是量子化的（不连续）（不连续）.h1h2h3h4h5h61ed2d)(/32kThchTM普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式),3,2,1(nnh 带电谐振子吸收或发射能量为带电谐振子吸收或发射能量为 第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版370 1 2 3 6Hz 10/14)HzmW10/()(1-29TM瑞利瑞利 -金斯公式金斯公式2 4普朗克公式的理论曲线普朗克公式的理论曲线实验值实验值*实实验验值值与与普

34、普朗朗克克公公式式理理论论曲曲线线比比较较T=2 000 K但但与实验结果在全波段惊人符合与实验结果在全波段惊人符合的理论计算式，的理论计算式，必须基于量子假设才能成立！必须基于量子假设才能成立！第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版38问题练习问题练习第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版39 普朗克普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck，1858 1947）德国理论物理德国理论物理学家，

35、量子论的奠基人学家，量子论的奠基人.1900年年12月月14日他宣读了以日他宣读了以关于正常光谱关于正常光谱中能量分布定律的理论中能量分布定律的理论为题的论为题的论文，提出能量量子化的假设，并导文，提出能量量子化的假设，并导出黑体辐射能量分布公式出黑体辐射能量分布公式.劳厄称劳厄称这一天是这一天是“量子论的诞生日量子论的诞生日”.1905年年爱因斯坦爱因斯坦在能量量子化的启发下提出了在能量量子化的启发下提出了光光量子量子的假设的假设,并成功解释了光电效应并成功解释了光电效应.第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五

36、版第五版40量子观念在量子观念在“非难非难”中得到发展中得到发展.普朗克晚年对自己工作的评论普朗克晚年对自己工作的评论:“我徒劳无益的使基本量子论我徒劳无益的使基本量子论和经典理论一致的企图继续了许多和经典理论一致的企图继续了许多年花了我极大的精力，我的同行中年花了我极大的精力，我的同行中的许多人几乎把这看成悲剧，但我的许多人几乎把这看成悲剧，但我对他的看法是不同的，因为我从这对他的看法是不同的，因为我从这工作中得到的对我的想法的深刻的工作中得到的对我的想法的深刻的澄清，对我有极大的价值澄清，对我有极大的价值.现在我现在我的确知道，作用量子的基本意义比的确知道，作用量子的基本意义比我原来所想象

37、的的要大得多我原来所想象的的要大得多.”诚实、严谨诚实、严谨的科学态度的科学态度第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版41 黑体中的分子、原子的振动可看作谐振子，这黑体中的分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子的能量状态是分立的，相应的能量是某一些谐振子的能量状态是分立的，相应的能量是某一最小能量的整数倍最小能量的整数倍,即即，2 ，3，n,称为称为能量子，能量子，n 为量子数为量子数.2 普朗克量子假设普朗克量子假设(1900年年)321(,nnhn经典经典“谐振子谐振子”的概念的概念（1900190

38、0年以前年以前)经典经典能量能量量子量子 因此因此,普朗克量子假设是量子力学的里程碑普朗克量子假设是量子力学的里程碑.谐振子的能量由振幅决定，谐振子的能量由振幅决定，物体发物体发射或吸收电磁辐射是取连续值的射或吸收电磁辐射是取连续值的.第十五章第十五章 量子物理量子物理物理学物理学第五版第五版42本章目录本章目录选择进入下一节：选择进入下一节：15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设15-4 15-4 氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论15-3 15-3 康普顿效应康普顿效应15-2 15-2 光电效应光电效应 光的波粒二象性光的波粒二象性15-015-0 教学基本

39、要求教学基本要求*15-5 15-5 弗兰克弗兰克-赫兹实验赫兹实验第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版43四四 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1 普朗克黑体辐射公式普朗克黑体辐射公式 普朗克利用内插法，将经典理论基础上得出普朗克利用内插法，将经典理论基础上得出适用于适用于短波的维恩公式短波的维恩公式和和适用于长波的瑞利适用于长波的瑞利-金斯公式金斯公式相接起相接起来，提出了一个新的公式，这个来，提出了一个新的公式，这个公式公式与实验结果吻合的与实验结果吻合的相当好！相当好！

40、第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版441ed2d)(/52TkhchcTM04d)()(TTMTM例例2 利用普朗克公式利用普朗克公式进行积分得进行积分得 其中其中 为一常量为一常量.式中式中M(T)M(T)的物理意义是的物理意义是 .答：答：在一定温度下在一定温度下,单位时间内从绝对黑体单位时间内从绝对黑体表面单位面积上所辐射的各波长的总能量表面单位面积上所辐射的各波长的总能量.第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版

41、第五版45 （2）当量子数由当量子数由 增加到增加到 时，振幅的变时，振幅的变化是多少？化是多少？n1n 例例4 设一音叉尖端质量为设一音叉尖端质量为 0.050 kg，将其频率调，将其频率调到到 ，振幅，振幅 .求求mm 0.1AHz 480（1）尖端振动的量子数；尖端振动的量子数；解解（1）)1(J 227.0)2(21212222AmAmE问题练习问题练习nhE 291013.7hEn若基元能量若基元能量J1018.331h按量子论按量子论第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版46（2）)2(22)

42、1(2222mnhmEA得由nhE)3(d2d2)2(2nmhAA式微分2)2()3(AnnA得m1001.734 A 因此，在宏观范围内，能量量子化的效应是极不明因此，在宏观范围内，能量量子化的效应是极不明显的，即宏观物体的能量完全可视作是连续的显的，即宏观物体的能量完全可视作是连续的.代入和1nn第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版47nm 890 9nm29310898.231mTb解解（1）由维恩位移定律由维恩位移定律 例例1（1）温度为温度为 的黑体，其单色辐的黑体，其单色辐出度的峰值所对应的

43、波长是多少？出度的峰值所对应的波长是多少？(2)太阳的太阳的单色辐出度的峰值波长单色辐出度的峰值波长 ，试由，试由此估算太阳表面的温度此估算太阳表面的温度.（3）以上两辐出度以上两辐出度之比为多少？之比为多少？C20nm 483m第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版485412121076.1)()()(TTTMTM（2）（3）由由斯特藩斯特藩 -玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律K 000 6K1048310898.293m2bT由维恩位移定律由维恩位移定律第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1

44、黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版49例例3 宇宙大爆炸遗留在宇宙空间的各向同性的均匀背景宇宙大爆炸遗留在宇宙空间的各向同性的均匀背景辐射相当于辐射相当于3K的黑体辐射的黑体辐射.求求(1)此辐射的光谱辐射出射度极大值所对应的频率；此辐射的光谱辐射出射度极大值所对应的频率；(2)地球表面接受此辐射的功率地球表面接受此辐射的功率.(地球半径地球半径RE=6.37106m)解解:m=b/T=9.6610 4 mm=c/m=c/(b/T)=3.111011HzP=M(T)S=T44 RE2=2.34109W第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1

45、黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版50热辐射热辐射分子的热运动使物体辐射的电磁波分子的热运动使物体辐射的电磁波例如：加热铁块例如：加热铁块,颜色颜色:暗红色暗红色 青白色青白色基本性质基本性质温度温度 发射的能量发射的能量 电磁波电磁波的短波的短波成分成分 平衡热辐射平衡热辐射物辐射的能量等于在同物辐射的能量等于在同一时间内所一时间内所吸收的能量吸收的能量一一 黑体黑体 黑体辐射黑体辐射1 热辐射的基本概念热辐射的基本概念辐射能辐射能 是波长自是波长自远红外远红外延伸到延伸到紫外紫外的的连续能谱连续能谱(3)(3)量子理论首先是从黑体辐射问题上突破的量子

46、理论首先是从黑体辐射问题上突破的.第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版51第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版52学习现代物理学发展史的学习现代物理学发展史的重大意义重大意义：1）科学家如何抓住机遇，克服困难，勇于突破）科学家如何抓住机遇，克服困难，勇于突破传统观念束缚的创新思想和锲而不舍的探索精神，以传统观念束缚的创新思想和锲而不舍的探索精神，以及作为一个成功者所具有的高尚品德及作为一个成功者所具有的高尚品德.

47、2）科学发展不是一帆风顺的，有成功也有失败，）科学发展不是一帆风顺的，有成功也有失败，而且科学争论永远不断，正是不同学术观点之间的科而且科学争论永远不断，正是不同学术观点之间的科学争论的不断产生和解决推动着人类科学认识的不断学争论的不断产生和解决推动着人类科学认识的不断深入和发展深入和发展.科学对于人类事务的影响有两种方式：科学对于人类事务的影响有两种方式：第第一一种方种方式是大家熟知的：科学直接的并在更大程度上间接地式是大家熟知的：科学直接的并在更大程度上间接地产生出完全改变人类生活的工具；第产生出完全改变人类生活的工具；第二二种方式是教育种方式是教育的性质的性质它作用于心灵它作用于心灵.爱因斯坦爱因斯坦第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版53G:热电偶热电偶,可测出不同波长的辐射可测出不同波长的辐射功率功率(即单位时间内入射于热电偶即单位时间内入射于热电偶的能量）的能量）.分析分析黑体辐射黑体辐射实验规律实验规律,可得可得到两个定律到两个定律实验装置图：实验装置图：第十五章第十五章 量子物理量子物理15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设物理学物理学第五版第五版540.390.76(m)I蓝光蓝光