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1、会计学1热辐射热辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设(jish)第一页，共36页。量子概念是 1900 年普朗克首先提出的，距今已有一百多年的历史.其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力，到 20 世纪 30 年代，就建立了一套完整的量子力学(lin z l xu)理论.量子力学(lin z l xu)宏观领域经典力学(jn din l xu)现代物理的理论基础量子力学相 对 论量子力学微观世界的理论起源于对波粒二相性的认识第1页/共36页第二页，共36页。一、何谓(hwi)热辐射？物体在任一温度(wnd)下发射从红外线、可见光到紫外线等电磁
2、波的现象。实验证明不同温度下物体能发出不同的电磁波，这种能量按频率(pnl)的分布随温度而不同的电磁辐射叫做热辐射。第2页/共36页第三页，共36页。火炉600度1000度400度因辐射(fsh)与温度有关，故称热辐射(fsh)1）从经典物理学看来热辐射过程(guchng)的实质是物质 以电磁波的形式向外辐射电磁波的过程(guchng)。其 辐射的能量称之为辐射能。注意(zh y)：第3页/共36页第四页，共36页。2）热辐射有平衡(pnghng)热辐射与非平衡(pnghng)热辐射：当物体(wt)因辐射而失去的能量等于从外界吸收的辐射能时，这时物体(wt)的状态可用一确定的温度来描述，这种热
3、辐射称为平衡热辐射。反之称为非平衡热辐射。二、单色辐出度、辐射(fsh)出射度、单色吸收率、单 色反射率 实验表明：物体辐射能多少决定于物体的温度（T）、辐射的波长、时间的长短、发射的面积。第4页/共36页第五页，共36页。1、单色辐出度（单色发射本领）单位时间内，温度为T的物体上单位面积上发射波长在 +d范围内的辐射能dM与波长间隔d比值，用M（）表示。光源(gungyun)S=1显然，它是波长(bchng)和温度的函数第5页/共36页第六页，共36页。光源(gungyun)S=1显然(xinrn)，它是温度的函数.2、辐射出射度（总发射(fsh)本领）单位时间内从物体单位面积上所辐射的各种
4、波长的总的辐射能，用M（T）表示。第6页/共36页第七页，共36页。o 2 4 6 8 10 1221210468太阳钨丝可见光区 太阳 钨丝钨丝(w s)和太阳的单色辐出度曲线第7页/共36页第八页，共36页。实验表明:吸收与反射的能量(nngling)与物体温度有关、与辐射能的波长范围有关.3、单色吸收率和单色反射率不透明介质A吸吸收I入射入射R反反第8页/共36页第九页，共36页。一束波长为+，强度(qingd)为I的电磁辐射入射到温度为T的物体上时，若反射光的强度(qingd)为R（T），吸收光的强度(qingd)为A（T），则定义：单色吸收率：单色反射率：不透明介质A吸吸收I入射入射
5、R反反第9页/共36页第十页，共36页。同除I：4、黑体(hit)（black body）在任何温度(wnd)下、对于任何波长的辐射的吸收率均为1的物体，称之为黑体。注意：1）黑体是对入射的辐射能全部吸收（不 管什么波长(bchng)）的物体，也不反射。因 此当其自身的热辐射很弱时，看上去 是黑洞洞的。对不透明的物体：第10页/共36页第十一页，共36页。2）黑体是理想化的模型，实际(shj)中的物体的吸收率 总是小于1。抛光的铜镜(tn jn)表面：一般(ybn)金属表面：煤烟：第11页/共36页第十二页，共36页。3）一个开有小孔的内表面粗糙的空腔可近似看成 理想(lxing)的黑体。如远
6、处(yun ch)不点灯的建筑物若室内(sh ni)点灯（自身辐射不很弱）第12页/共36页第十三页，共36页。第13页/共36页第十四页，共36页。绝热恒温体三、基尔霍夫定律(dngl)（Kirchhoffs Law）T=C一个(y)实验B1B2B3真空(zhnkng)N个不同的物体置于一绝热恒温体内，经过热辐射交换能量，达到热平衡态-物体与容器具有相同温度且保持不变。要维持温度不变，则物体吸收的辐射能必须等于辐射出去的能量。第14页/共36页第十五页，共36页。但不同物体的辐射出射度是不同的，即每个物体单位时间、单位面积辐射的能量是不同的。因此要维持(wich)平衡热辐射，只有辐射能量较多
7、的物体吸收能量也多，反之亦然。第15页/共36页第十六页，共36页。基尔霍夫定律(dngl)（Kirchhoffs Law）在同样的温度下，各种不同的物体对相同波长的单色辐出度与单色吸收率之比值都相等，且等于(dngy)在该温度下黑体对同一波长的单色辐出度。为黑体(hit)的单色辐出度为黑体的单色吸收率其中：绝热恒温体B1B2B3真空T=C第16页/共36页第十七页，共36页。物理(wl)意义：好的吸收体也是好的辐射体。研究热辐射的中心(zhngxn)问题是研究黑体的辐射问题.四、黑体(hit)辐射的实验研究1、实验装置AL1BPL2C黑体准直系统三棱镜测量系统第17页/共36页第十八页，共3
8、6页。2、黑体(hit)辐射的规律1.02.03.0 4.05.0203010405060(nm)2200K2000K1800K1600KA)斯忒蕃-玻尔兹曼 定律：黑体辐射出 射度与绝对温度有 如下(rxi)关系：斯忒蕃-玻尔兹曼常数(chngsh)物理意义：对于黑体，温度越高，辐出度 M0（T）越大且随T增高而迅速增大。第18页/共36页第十九页，共36页。2、黑体(hit)辐射的规律B)维恩位移定律(dngl)：黑体 温度增高时，其单色 辐出度的峰值波长向 短波方向传播，且有 如下关系：峰值(fn zh)波长T：绝对温度火炉1000度2000度800度炉火纯青1.02.03.0 4.05
9、.0203010405060(nm)2200K2000K1800K1600K第19页/共36页第二十页，共36页。注意(zh y)：1）以上两规律只适用于黑体，对非黑体只 近似成立。2）热辐射规律(gul)在现代技术中有广泛的应用：高温测量、遥感、遥测、红外跟踪等。第20页/共36页第二十一页，共36页。例：太阳可以看成黑体(hit)，地球上测出其峰值波长为 m=5100，则其表面温度和辐出度为多少？由解：第21页/共36页第二十二页，共36页。五、热辐射的理论解释、普朗克量子(lingz)假说 当时经典力学占统治地位，人们自然(zrn)用经典力学理论来解释热辐射并建立了两个公式：1、维恩公式
10、(gngsh)（Wiens formula）1896年德国维恩（Wien）从热力学普遍理论出发，将黑体谐振子能量按频率分布类同于Maxwell速度分布，由经典理论导出以下公式C1、C2须用实验确定。此公式在长波方面与实验数据不符。1.0 2.03.0 4.05.06.07.08.09.0(nm)第22页/共36页第二十三页，共36页。2、瑞利-金斯公式(gngsh)（Rayleigh-jeans formula）1900年瑞利-金斯利用经典电动力学和统计力学（将固体当作谐振子且能量按自由度均分(jn fn)原则及电磁辐射理论）得到一个公式：C为光速(un s)K=1.380658 10-23J
11、/K波尔兹曼常数第23页/共36页第二十四页，共36页。1.0 2.03.0 4.05.06.07.08.09.0(nm)C为光速(un s)K=1.380658 10-23J/K波尔兹曼常数(chngsh)此公式(gngsh)在短波区域明显与实验不符，而理论上却找不出错误-“紫外线灾难”,像乌 云遮住了物理学睛 朗的天空。热辐射实 验第24页/共36页第二十五页，共36页。3、普朗克公式(gngsh)（Plancks formula）1900年德国物理学家普朗克根据(gnj)实验数据拼凑了一个公式:“普朗克公式”C为光速(un s)k波尔兹曼常数h=6.63 10-34js称为普朗克恒量该公
12、式与实验数据符合得很好！(n m)1.02.03.04.0 5.06.07.0 8.09.0第25页/共36页第二十六页，共36页。讨论(toln)：1）当hkT（高频段(pn dun)）维恩公式(gngsh)令：第26页/共36页第二十七页，共36页。讨论(toln)：2）当hkT（低频(dpn)段）瑞利-金斯公式(gngsh)第27页/共36页第二十八页，共36页。普朗克注意到在过去的理论中，把黑体中的原子和分子都看成可以吸收或辐射电磁波的谐振子，且电磁波与谐振子交换能量时以任一大小的份额进行，（从0到大）。普朗克当时大胆地放弃了这一概念，提出了能量的吸收与辐射只能按不连续的一份一份能量进
13、行。第28页/共36页第二十九页，共36页。普朗克量子假设：辐射黑体是由带电谐振子组成，这些谐振子辐射电磁波并和周围电磁场交换能量，但这些谐振子只能处于某些特殊的状态。它们的能量只能是某些能量子的整数倍。为谐振子频率量子数第29页/共36页第三十页，共36页。具体讲：辐射(fsh)物体是由一些线性谐振子组成，对频率为的谐振子，它具有的最小能量是h，其它能量值是h的整数倍，因此它吸收与辐射(fsh)的能量也只能是h的整数倍。即能量只能是：注意：普朗克这一思想是完全背离经典物理，并受到当时许多人的怀疑和反对，包括当时的物理学泰斗-洛仑兹。乃至当时普朗克自已也想以某种方式来消除这一关系式。它写道：第
14、30页/共36页第三十一页，共36页。“我试图将h纳入经典理论的范围，但一切这样的尝试都失败了，这个量非常顽固。后来他又说：“在好几年内我花费了很大的劳动，徒劳地去尝试如何将作用量子引入到经典理论中去。我的一些同事把这看成是悲剧。但我有自已的看法，因为我从这种深入剖析中获得了极大的好处，起初我只是倾向于认为，而现在是确切地知道作用量子 将在物理中发挥出巨大作用”。事实上正是这一理论(lln)导致了量子力学的诞生，普朗克也成为了量子力学的开山鼻祖，1918年因此而获得诺贝尔物理学奖。第31页/共36页第三十二页，共36页。普朗克（1858-1947）德国理论物理学家，量子论的奠基人.1900年他
15、在德国物理学会上，宣读了以关于正常光谱中能量分布(fnb)定律的理论为题的 论文.劳厄称这一 天是“量子论的 诞生日”.量子论 和相对论构成了近代物理学的研究 基础.第32页/共36页第三十三页，共36页。例：一频率(pnl)为=0.5HZ，振幅为A=10cm，劲度系 数为K=3.0N/m的谐振子：其能量(nngling)若能量变化(binhu)，一次减少一个能量子，一个能量子能量：X不连续变化的比率：第33页/共36页第三十四页，共36页。若每相差(xin ch)一能量子画一直线E宏观(hnggun)看是连续的第34页/共36页第三十五页，共36页。E宏观看是连续的 由此可见：把经典物理看成是量子物理在量子数很大时的特殊情况(qngkung)（只有n很小时，能量的不连续才显得很明显）对应(duyng)原理：量子论对一个系统的描述，当量子数 非常大时，即与经典物理的描述一 致。（1929年波尔提出）事实上，第一个认识(rn shi)到普朗克假说的伟大意义的是爱因斯坦。第35页/共36页第三十六页，共36页。