《黑體輻射》PPT課件

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1、第十五章量子光學第十五章量子光學*在量子概念的提出中起關(guān)鍵性作用的物理效應黑體輻射(Black-bodyradiation)光電效應（photoelectriceffect）康普頓效應（Comptoneffect）一、熱輻射（heatradiation）實驗表明：一切物體均以電磁波的形式向外輻射能量。1、熱輻射：能量的輻射與溫度有關(guān)?！?5-1黑體輻射熱輻射的特點：①消耗物體的內(nèi)能而實現(xiàn)電磁波的輻射；②固體和液體在任何溫度下都可以進行熱輻射；③單位時間內(nèi)輻射的能量與波長、溫度以及物體的性質(zhì)有關(guān)；④

2、熱輻射的電磁波是連續(xù)的。例：金屬在熔煉過程中；碳在燃燒過程中溫度低于800k時，輻射能量分布在紅外長波區(qū)域。高于800k時，輻射能量增加，并向短波方向變化，逐漸進入到可見光區(qū)域。黑體輻射屬于熱輻射問題中的一部分?？梢姽庵皇禽椛潆姶挪ㄖ泻苷囊徊糠?。平衡熱輻射:輻射和吸收的能量恰好相等時，物體和輻射場就處于溫度一定的平衡態(tài)，平衡態(tài)下的輻射稱為平衡熱輻射。一個好的輻射體也是一個好的吸收體3、單色輻出度：2、輻出度：單位時間、單位表面積上所輻射出的，在波長附近單位波長間隔中的能量。此時輻射輻出度與單色輻

3、出度的關(guān)系為：為了描述物體熱輻射的規(guī)律引入輻出度和單色輻出度單位時間、單位表面積上所輻射出的各種波長的輻射總能量，用表示。二、黑體的輻射定律物體與物體之間存在輻射場，物體不僅能輻射電磁波，同時也能吸收照射到它表面的電磁波。當吸收能量和反射能量相等時，達到平衡。物體和輻射場處于同一溫度，這時物體和輻射場所處的狀態(tài)稱為平衡態(tài)。吸收比反（輻）射比對于非透明物體（1）、物體的吸收與反射實驗表明：不同的材料，輻射能力和吸收能力不同。輻射能力強的物體吸收能力也強。普適函數(shù)在熱平衡下，任何物體的單色輻出度與吸收

4、比之比應相同，是一個與材料和形狀無關(guān)，僅與波長和溫度有關(guān)的普適函數(shù)。可見，若某種物體的例不同材料、不同溫度的物體A1A2A3A1A2A3經(jīng)過長時間后，達到熱平衡，溫度相同。A1A2A3稱該種物體為絕對黑體，簡稱黑體對于黑體即黑體的單色輻出度，就是所要尋找的普適函數(shù)。用不透明材料制成的一空心容器，壁上開一小孔，可看成黑體。(2)黑體:能在任何溫度下完全吸收輻射在它表面上的電磁波的物體。稱為絕對黑體，簡稱黑體。小孔表面也向外輻射能量，因為空腔內(nèi)壁每一點都可以作為次波源發(fā)出電磁波，由于電磁波的傳播和反射

5、，會形成電磁駐波，其能量從小孔逸出，就形成黑體輻射。例如：a、窯爐開的小孔;b、高樓上的窗口。研究黑體輻射的目的就是為了找出黑體的單色輻出度，找出普適函數(shù)。在平衡態(tài)下，黑體輻射的能量僅是溫度和波長的函數(shù)，利用分光技術(shù)可測出一定溫度下的單色輻出度的曲線。（3）、黑體熱輻射的規(guī)律實驗裝置絕對黑體單色輻出度按波長分布實驗在一定溫度下，黑體的單色輻出度e0(λ,T)，僅是波長的函數(shù)，根據(jù)測量數(shù)據(jù)，可繪出單色輻出度e0(λ,T)與波長的變化曲線。黑體輻射譜分析儀黑體的輻出度1700k1500k1300k實驗

6、發(fā)現(xiàn)：當黑體的溫度升高時，單色輻出度最大值所對應的波長?m向短波方向移動。數(shù)值上等于曲線下的面積定量分析實驗曲線，得到兩條實驗規(guī)律：?m維恩位移定律斯忒藩?玻耳茲曼定律a、維恩位移定律在平衡態(tài)下黑體輻射單色輻出度的最大值所對應的波長與溫度之積是一常數(shù)。稱為維恩位移定律常數(shù)1700k1500k1300k?mb、斯忒藩(Stefan)?-玻耳茲曼定律Stefan根據(jù)實驗得稱為斯忒藩?-玻耳茲曼常數(shù)以上兩定律的應用（1）爐溫的測量。（2）地球輻射的電磁波、太陽溫度的測量（3）遙感的利用：進行資源、植被、

7、地質(zhì)等的測量例15-1由測量得到太陽輻射譜的峰值處在，計算太陽的表面溫度和單位表面積上所輻射的功率；如太陽的輻射是常數(shù)，其直徑，求太陽在一年內(nèi)由于輻射而損失的質(zhì)量。解：將太陽看作黑體由得太陽的表面溫度例：地球的表面溫度約為300k，算得λm約為10μm。處在紅外波段。由于紅外線不被大氣所吸收，所以利用遙感技術(shù)可對地球的表面進行遙測，分析植被、地質(zhì)等信息。太陽單位表面積上所輻射的功率即太陽輻出度一年內(nèi)輻射的能量由得太陽的質(zhì)量黑體輻射的理論研究涉及熱力學、統(tǒng)計物理學和電磁學，因而成為19世紀末物理學家

8、研究的中心問題之一。三、經(jīng)典物理遇到的困難許多物理學家都企圖從經(jīng)典理論導出黑體的單色輻出度的理論公式，但始終得不到滿意的結(jié)果。比較著名的成果有（1）維恩根據(jù)經(jīng)典熱力學得出：實驗曲線維恩理論值在短波區(qū)域與實驗值符合得很好維恩理論曲線（2）瑞利和金斯用能量均分定理和電磁理論得出：只適于長波，趨于短波時偏離較大。瑞利-金斯曲線維恩曲線實驗曲線T=1646k有所謂的“紫外災難”之說。德國物理學家普朗克為了解決上述問題，通過分析和深入研究發(fā)現(xiàn)問題所在，經(jīng)典理論不適用于原子性的微觀振動。普朗克