黑体辐射的实验规律.pptx
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1、黑体辐射的实验规律黑体辐射的实验规律第十五章第十五章第十五章第十五章量子物理基础量子物理基础 热辐射热辐射 普朗克得量子假设普朗克得量子假设光电效应光电效应 爱因斯坦得光子理论爱因斯坦得光子理论康普顿效应康普顿效应波尔氢原子理论波尔氢原子理论实物粒子得波粒二象性实物粒子得波粒二象性不确定关系不确定关系波函数波函数 薛定谔方程薛定谔方程一维定态问题一维定态问题2024/5/1 2024/5/1 周三周三量子理论得三大先驱量子理论得三大先驱 玻尔玻尔爱因斯坦爱因斯坦普朗克普朗克1905年年1913年年1900年年量子概念量子概念2024/5/1 2024/5/1 周三周三?热辐射热辐射实实 验验量
2、子概念得诞生量子概念得诞生 问题问题:2024/5/1 2024/5/1 周三周三何谓热辐射何谓热辐射 物体在任一温度下发射从红外线、可见光到物体在任一温度下发射从红外线、可见光到紫外线得紫外线得连续连续得电磁波。得电磁波。2024/5/1 2024/5/1 周三周三何谓热辐射何谓热辐射 物体在任一温度下发射从红外线、可见光到物体在任一温度下发射从红外线、可见光到紫外线得紫外线得连续连续得电磁波。得电磁波。0 0、6mm6mm760nm760nm之间得电磁波称为之间得电磁波称为之间得电磁波称为之间得电磁波称为红外线红外线760nm760nm400nm400nm之间得电磁波称为之间得电磁波称为之
3、间得电磁波称为之间得电磁波称为可见光可见光(可见光在整个电磁波谱中所占得波段最窄可见光在整个电磁波谱中所占得波段最窄可见光在整个电磁波谱中所占得波段最窄可见光在整个电磁波谱中所占得波段最窄)400nm400nm5nm5nm之间得电磁波称为之间得电磁波称为之间得电磁波称为之间得电磁波称为紫外线紫外线她们都就是由原子得外层电子自发辐射产生得、她们都就是由原子得外层电子自发辐射产生得、她们都就是由原子得外层电子自发辐射产生得、她们都就是由原子得外层电子自发辐射产生得、2024/5/1 2024/5/1 周三周三何谓热辐射何谓热辐射火火炉炉600度度1000度度400度度因辐射与温度有关因辐射与温度有
4、关,故称故称热辐射热辐射固体在温度升高时颜色得变化固体在温度升高时颜色得变化固体在温度升高时颜色得变化固体在温度升高时颜色得变化1400 K800 K1000 K1200 K2024/5/1 2024/5/1 周三周三辐射能量辐射能量 与与 T T、有规律吗?有规律吗?成为成为19世纪末炼钢、电灯照明世纪末炼钢、电灯照明急待解决得课题急待解决得课题2024/5/1 2024/5/1 周三周三不能一个物体一个物体分别来研究不能一个物体一个物体分别来研究不能一个物体一个物体分别来研究不能一个物体一个物体分别来研究辐射能量辐射能量 与与 T T、得规律得规律绝对黑体绝对黑体基尔霍夫基尔霍夫理想模型:
5、理想模型:绝对黑体绝对黑体 在任何温度、对于任何波长得外来辐射得在任何温度、对于任何波长得外来辐射得 吸收率均为吸收率均为 1 得物体。得物体。2024/5/1 2024/5/1 周三周三绝对黑体绝对黑体注意注意:一个开有小孔得内表面一个开有小孔得内表面粗糙得空腔可近似看成粗糙得空腔可近似看成理想得黑体。理想得黑体。一般物体一般物体吸收吸收 反射反射 透射透射绝对黑体绝对黑体吸收吸收 辐射辐射2024/5/1 2024/5/1 周三周三大家学习辛苦了,还是要坚持继续保持安静继续保持安静继续保持安静继续保持安静好得吸收体也就是好得辐射体好得吸收体也就是好得辐射体绝对黑体绝对黑体如远处不点灯得建筑
6、物如远处不点灯得建筑物若室内点灯若室内点灯(自身辐射较强)(自身辐射较强)注意注意:黑体当其自身得热辐射很弱时黑体当其自身得热辐射很弱时黑体当其自身得热辐射很弱时黑体当其自身得热辐射很弱时,看上去就是黑洞洞得。看上去就是黑洞洞得。看上去就是黑洞洞得。看上去就是黑洞洞得。2024/5/1 2024/5/1 周三周三绝对黑体绝对黑体注意注意:一个开有小孔得内表面一个开有小孔得内表面粗糙得空腔可近似看成粗糙得空腔可近似看成理想得黑体。理想得黑体。一般物体一般物体吸收吸收 反射反射 透射透射绝对黑体绝对黑体吸收吸收 辐射辐射整个整个热辐射热辐射研究可简化为研究可简化为黑体辐射黑体辐射得研究得研究202
7、4/5/1 2024/5/1 周三周三1000度度热辐射得热辐射得实验规律实验规律火火炉炉2000度度800度度炉火纯青炉火纯青22002200KK20002000KK18001800KK16001600KK热辐射得实验曲线热辐射得实验曲线1.01.02.02.03.03.0 4.04.05.05.0202030301010404050506060 2024/5/1 2024/5/1 周三周三实验规律实验规律找到了找到了实验曲线实验曲线画出来了画出来了下一步下一步要上升到理论要上升到理论:从理论上找到符合实验曲线从理论上找到符合实验曲线得得函数式函数式热辐射规律得理论解释热辐射规律得理论解释2
8、024/5/1 2024/5/1 周三周三热辐射得热辐射得理论解释理论解释 当时经典物理占统治地位当时经典物理占统治地位,人们自然用经典学理人们自然用经典学理论来解释热辐射并建立了两个公式论来解释热辐射并建立了两个公式:1)维恩公式维恩公式(Wiens formula)1896年德国维恩年德国维恩(Wien)从从热力学热力学普遍理论普遍理论出发导出出发导出1.02.03.04.05.06.07.08.09.0 维恩公式在长波维恩公式在长波方面与实验不符方面与实验不符热辐射规律得理论解释热辐射规律得理论解释2024/5/1 2024/5/1 周三周三1.02.0 3.04.05.0 6.0 7.
9、08.0 9.0 2)瑞利瑞利-金斯公式金斯公式(Rayleigh-jeans formula)1900、6年瑞利年瑞利-金斯利从金斯利从电动力学电动力学和和统计力学统计力学出发导出出发导出 公式在短波区域公式在短波区域明显与实验不符明显与实验不符,而而理论上却找不出错理论上却找不出错误误 紫外灾难紫外灾难热辐射规律得理论解释热辐射规律得理论解释2024/5/1 2024/5/1 周三周三新实验新实验经典物理经典物理尖锐矛盾尖锐矛盾紫外灾难紫外灾难0 结果结果 量子论量子论 相对论相对论2024/5/1 2024/5/1 周三周三普朗克公式普朗克公式(Plancks formula)19001
10、900、1010、1919年德国物理学家普朗克根据实验数据拼凑了年德国物理学家普朗克根据实验数据拼凑了年德国物理学家普朗克根据实验数据拼凑了年德国物理学家普朗克根据实验数据拼凑了一个公式一个公式一个公式一个公式:“:“普朗克公式普朗克公式普朗克公式普朗克公式”该公式与实验数据符合得很好!该公式与实验数据符合得很好!1.02.0 3.04.0 5.0 6.07.0 8.0 9.0普朗克公式曲线普朗克公式曲线普朗克公式曲线普朗克公式曲线量子概念得诞生量子概念得诞生普朗克普朗克2024/5/1 2024/5/1 周三周三能量不连续能量不连续,只能取某一最小能量得整只能取某一最小能量得整数倍数倍!普朗
11、克量子假说普朗克量子假说1900190019001900年年年年12121212月月月月14141414日日日日量子概念得诞生量子概念得诞生量子数量子数h=6、63 10-34Js 称为普朗克恒量称为普朗克恒量2024/5/1 2024/5/1 周三周三量子理论带来了出人意料得量子理论带来了出人意料得科学上科学上技术上技术上社会上社会上哲学上哲学上得多种多样得新鲜成果得多种多样得新鲜成果也逐渐成了也逐渐成了20世纪物理学中得世纪物理学中得“唯一思想模式唯一思想模式”量子概念得诞生量子概念得诞生2024/5/1 2024/5/1 周三周三量子概念得诞生量子概念得诞生 普朗克诞辰普朗克诞辰普朗克诞
12、辰普朗克诞辰100100100100周年德国发行得周年德国发行得周年德国发行得周年德国发行得2 2 2 2马克面值得纪念硬币马克面值得纪念硬币马克面值得纪念硬币马克面值得纪念硬币哥庭根市公墓:哥庭根市公墓:哥庭根市公墓:哥庭根市公墓:h=6.63 10-34Js “这一发现成为这一发现成为2020世纪整个物理研究得基础世纪整个物理研究得基础,从从那时起那时起,几乎完全决定了物理学得发展几乎完全决定了物理学得发展”。爱因斯坦爱因斯坦 事实上正就是这一理论导致了量子力学得诞生事实上正就是这一理论导致了量子力学得诞生,1918年因此而获得诺贝尔奖。年因此而获得诺贝尔奖。2024/5/1 2024/5
13、/1 周三周三 “我试图将我试图将h 纳入经典理论的范围,但一切纳入经典理论的范围,但一切这样的尝试都失败了,这个量非常顽固这样的尝试都失败了,这个量非常顽固”。后来。后来他又说:他又说:“在好几年内我花费了很大的劳动,徒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。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,起初我只是倾向于认为,而现在是确切地知道作用量
14、子作用量子 将在物理中发挥出巨大作用将在物理中发挥出巨大作用”。量子概念得诞生量子概念得诞生注意:普朗克这一思想是完全背离经典物理,并注意: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,包括当时的物理受到当时许多人的怀疑和反对,包括当时的物理学泰斗学泰斗-洛仑兹。乃至当时普朗克自已也想以某洛仑兹。乃至当时普朗克自已也想以某种方式来消除种方式来消除这一关系式。它写道:这一关系式。它写道:2024/5/1 2024/5/1 周三周三 量子论这个精灵蹦跳在时代得最前缘量子论这个精灵蹦跳在时代得最前缘,她她需要最有锐气得头脑和最富有创见得思想来激需要最有锐气得头脑和最富有创见得思想来
15、激活她得灵气。活她得灵气。20 20世纪初世纪初,物理学得天空中已就是黑云压物理学得天空中已就是黑云压城城,每一升空气似乎都在激烈地对流和振荡。每一升空气似乎都在激烈地对流和振荡。一个伟大得时代需要伟大得人物一个伟大得时代需要伟大得人物,有史以有史以来最出色和最富激情得来最出色和最富激情得 “黄金一代黄金一代”物理物理学家便在这乱世得前夕成长起来。学家便在这乱世得前夕成长起来。量子概念得诞生量子概念得诞生2024/5/1 2024/5/1 周三周三量子理论得三大先驱量子理论得三大先驱 玻尔玻尔15爱因斯坦爱因斯坦21普朗克普朗克421905年年1900年年量子概念量子概念2024/5/1 20
16、24/5/1 周三周三 问题问题:2、什么就是什么就是光电效应光电效应?2024/5/1 2024/5/1 周三周三1 1、存在红限频率。存在红限频率。存在红限频率。存在红限频率。2 2、光照到金属表面光电流立即产生。光照到金属表面光电流立即产生。光照到金属表面光电流立即产生。光照到金属表面光电流立即产生。3 3、光得最大动能只与光得频率有关光得最大动能只与光得频率有关光得最大动能只与光得频率有关光得最大动能只与光得频率有关,与光强无关。与光强无关。与光强无关。与光强无关。4 4、存在饱和光电流。存在饱和光电流。存在饱和光电流。存在饱和光电流。金属金属金属金属光电子光电子光电子光电子爱因斯坦爱
17、因斯坦光量子理论光量子理论19051905年年 光电效应光电效应光得微粒说光得微粒说光得微粒说光得微粒说爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦2024/5/1 2024/5/1 周三周三爱因斯坦光量子假说爱因斯坦光量子假说(1905)(1905)(1905)(1905)1 1 1 1)光束光束光束光束粒子流粒子流粒子流粒子流光子光子光子光子(光量子光量子光量子光量子)流流流流2 2 2 2)光子的能量)光子的能量)光子的能量)光子的能量3 3 3 3)单色光的强度)单色光的强度)单色光的强度)单色光的强度爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程逸出功逸出功逸出功逸出功 光电效应光电效应光得微粒说光得
18、微粒说光得微粒说光得微粒说爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦2024/5/1 2024/5/1 周三周三 但她研究得初衷不就是去证明爱因斯坦得光但她研究得初衷不就是去证明爱因斯坦得光但她研究得初衷不就是去证明爱因斯坦得光但她研究得初衷不就是去证明爱因斯坦得光电效应公式电效应公式电效应公式电效应公式,而就是要推翻爱因斯坦得公式。而就是要推翻爱因斯坦得公式。而就是要推翻爱因斯坦得公式。而就是要推翻爱因斯坦得公式。1916 1916 1916 1916年年年年,密立根得实验结果完全肯定了爱因斯坦得光密立根得实验结果完全肯定了爱因斯坦得光密立根得实验结果完全肯定了爱因斯坦得光密立根得实验结果完全肯定了爱
19、因斯坦得光电效应方程电效应方程电效应方程电效应方程,并且测出当时最好得普朗克常数并且测出当时最好得普朗克常数并且测出当时最好得普朗克常数并且测出当时最好得普朗克常数h h h h得值。得值。得值。得值。密立根密立根密立根密立根 1923 1923 1923 1923 年年年年获获获获诺诺诺诺贝贝贝贝尔尔尔尔物物物物理理理理学学学学奖奖奖奖,以以以以表表表表彰彰彰彰他他他他对对对对基基基基本本本本电荷和光电效应的工作。电荷和光电效应的工作。电荷和光电效应的工作。电荷和光电效应的工作。1923192319231923 光电效应光电效应光得微粒说光得微粒说光得微粒说光得微粒说爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦
20、爱因斯坦2024/5/1 2024/5/1 周三周三光得本性就是什么?光得本性就是什么?粒子粒子?!牛顿牛顿 波粒二象性!波粒二象性!爱因斯坦爱因斯坦 问题问题:反射反射、折射折射、干涉干涉、衍射衍射、偏振偏振波?!波?!2024/5/1 2024/5/1 周三周三光得光得“波粒二象性波粒二象性”1)1)1)1)光在传播过程中光在传播过程中光在传播过程中光在传播过程中波动性波动性波动性波动性2)2)2)2)光在与物质相互作用时光在与物质相互作用时光在与物质相互作用时光在与物质相互作用时粒子性粒子性粒子性粒子性光具有光具有光具有光具有“波粒二象性波粒二象性波粒二象性波粒二象性”爱因斯坦爱因斯坦爱
21、因斯坦爱因斯坦 19211921年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。光子得能量、质量与动量光子得能量、质量与动量光子光子2024/5/1 2024/5/1 周三周三 康普顿正在操纵康普顿正在操纵康普顿正在操纵康普顿正在操纵X X射线光谱仪射线光谱仪射线光谱仪射线光谱仪 康普顿研究康普顿研究康普顿研究康普顿研究了了了了X X射线经物射线经物射线经物射线经物质散射得实验质散射得实验质散射得实验质散射得实验 进一步证实了进一步证实了进一步证实了进一步证实了爱因斯坦得光爱因斯坦得光爱因斯坦得光爱因斯坦得光子概念。子概念。子概念。子概念。1923年年康普顿效应康普顿效应光得微
22、粒说光得微粒说光得微粒说光得微粒说2024/5/1 2024/5/1 周三周三康普顿效应康普顿效应光得微粒说光得微粒说光得微粒说光得微粒说2024/5/1 2024/5/1 周三周三自由电子自由电子自由电子自由电子0(1)(1)(1)(1)入射光子与外层电子弹性碰撞入射光子与外层电子弹性碰撞入射光子与外层电子弹性碰撞入射光子与外层电子弹性碰撞 外层电子受原子核束缚较弱外层电子受原子核束缚较弱外层电子受原子核束缚较弱外层电子受原子核束缚较弱,近似自由近似自由近似自由近似自由、碰撞时光子损失能量碰撞时光子损失能量碰撞时光子损失能量碰撞时光子损失能量,波长改变波长改变波长改变波长改变、康普顿效应得康
23、普顿效应得量子解释量子解释量子解释量子解释康普顿效应得量子解释康普顿效应得量子解释康普顿效应得量子解释康普顿效应得量子解释:能量、动量守恒能量、动量守恒2024/5/1 2024/5/1 周三周三光子质量远小于原子光子质量远小于原子光子质量远小于原子光子质量远小于原子,碰撞时光子不损失能量碰撞时光子不损失能量碰撞时光子不损失能量碰撞时光子不损失能量,波长不变。波长不变。波长不变。波长不变。00内层电子被紧束缚内层电子被紧束缚内层电子被紧束缚内层电子被紧束缚,光子相当于和整个原子发生碰撞。光子相当于和整个原子发生碰撞。光子相当于和整个原子发生碰撞。光子相当于和整个原子发生碰撞。原子原子原子原子康
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