1、1,后來的事實證明，正是這兩朵烏云發(fā)展成為一場革命性的風(fēng)暴，烏云落地化作春雨，澆灌著兩朵鮮花。,量子力學(xué),相對論,2,教學(xué)基本要求,一 正確理解單色幅出度、幅出度的概念； 掌握斯忒藩波爾茲曼定律和維恩位移定律，并能應(yīng)用它們對問題進行簡單計算。,二 正確理解普朗克的量子假說及黑體輻射的普朗克公式。,三 正確理解光電效應(yīng)的實驗規(guī)律，掌握愛因斯坦光子假說及愛因斯坦光電效應(yīng)方程。,四 正確理解康普頓效應(yīng)，對其簡單問題會分析、計算。,五 正確理解光子的波粒二象性，掌握光子波粒二象性的基本關(guān)系及其應(yīng)用。,3,18-1 熱輻射 基爾霍夫定律,光是怎樣發(fā)射和吸收的？ 光的量度又是什么？,4,熱輻射現(xiàn)象：任何物

2、體在任何溫度下都要發(fā)射各種波長的電磁波，并且其輻射能量的大小及輻射能量按波長的分布都與溫度有關(guān)。,因輻射與溫度有關(guān)，故稱熱輻射。,一 熱輻射,5,紅外照相機拍攝的人的頭部的熱圖,熱的地方顯白色，冷的地方顯黑色,6,煉鋼的熱輻射,7,(3) 物體既會輻射能量，也會吸收能量。當(dāng)物體因輻射而失去的能量等于從外界吸收的輻射能時，這時物體的狀態(tài)可用一確定的溫度來描述，這種熱輻射稱為平衡熱輻射。反之稱為非平衡 熱輻射。,(1) 從經(jīng)典物理學(xué)看來熱輻射過程的實質(zhì)是物質(zhì)中的分子、原子受到熱激發(fā)后以電磁波的形式向外輻射能量的過程。其輻射的能量稱之為輻射能。,注意：,高溫物體發(fā)出的是紫外光。,熾熱物體發(fā)出的是可見

3、光，,(2) 熱輻射波譜是連續(xù)譜，各種波長(頻率)都有，但是強度不同。熱輻射強度按波長(頻率)的分布和溫度有關(guān)，溫度 短波長的電磁波的比例 。,低溫物體發(fā)出的是紅外光，,8,實驗表明：物體輻射能多少決定于物體的溫度(T)、輻射的波長、時間的長短和發(fā)射的面積。,二 輻出度和吸收比,1 單色輻出度（單色發(fā)射本領(lǐng)）,單位時間內(nèi)，溫度為T的物體上單位面積上發(fā)射波長在+d范圍內(nèi)的輻射能dE(T)與波長間隔d比值，用e(,)表示。,光源,顯然，它是波長和溫度的函數(shù)。,單位：,9,2 輻射出射度(輻出度),單位時間內(nèi)從物體單位面積上所輻射的各種波長的總的輻射能，用E(T)表示。,同樣，它是溫度的函數(shù)。,3

4、單色吸收率和單色反射率,實驗表明：吸收與反射的能量與物體溫度有關(guān)、與輻射能的波長范圍有關(guān)。,單位：,- 總發(fā)射本領(lǐng),10,E吸,定義：一束波長為+，強度為E入的電磁輻射入射到溫度為T的物體上時，若反射光的強度為E反(,T)，吸收光的強度為E吸(,T)，則定義：,單色吸收率：,單色反射率：,對不透明的物體：,11,三 黑體 (Black body),1 黑體：在任何溫度、對于任何波長的輻射的吸收率均為1 的物體，稱之為絕對黑體，簡稱黑體。,一次反射,二次反射,N次反射后,12,2）黑體是理想化的模型，實際中的物體的吸收率總是小于1。,拋光的銅鏡表面：,一般金屬表面：,煤煙：,3）一個開有小孔的內(nèi)

5、表面粗糙的空腔可近似看成理想的黑體。,如日光下的建筑物的窗戶,若室內(nèi)點燈,（自身輻射不很弱）,注意：1）黑體是對入射的輻射能全部吸收（不管什么波長）的 物體，也不反射。因此當(dāng)其自身的熱輻射很弱時，看上去是黑洞洞的。,13,四 基爾霍夫定律,室溫下，反射光,1100K，自身輻射光,一個黑白花盤子的兩張照片,實驗現(xiàn)象：(1)原來白底的地方吸收的少(反射的多)， 發(fā)射的光強也就弱； (2)原來黑花紋的部分吸收的多(反射的少)， 發(fā)射的光強也就強。,基爾霍夫(Gustav Robert Kirchhoff, 1824-1887)德國物理學(xué)家,14,真空,模型：,N個不同的物體置于一絕熱恒溫體內(nèi)，經(jīng)過熱

6、輻射交換能量，達到熱平衡態(tài)。 - 物體與容器具有相同溫度且保持不變。,要維持溫度不變，則物體吸收的輻射能必須等于輻射出去的能量。,因此要維持平衡熱輻射，只有輻射能量較多的物體吸收能量也多，反之亦然。,15,真空,為黑體的單色輻出度,為黑體的單色吸收率,基爾霍夫定律：任何物體的單色輻出度和單色吸收比之比，等于同溫度下絕對黑體的單色輻出度。,物理含義：好的吸收體 也是好的輻射體。,16,基爾霍夫定律：任何物體的單色輻出度和單色吸收比之比， 等于同溫度下絕對黑體的單色輻出度。,注意：,(1)溫度相同的甲乙兩物體，對于某一給定波長的輻射能，以單位時間單位表面積計，甲發(fā)射的比乙多，則甲吸收的也比乙多；若

7、存在丙物體不能發(fā)射某種波長的輻射能，則它也不能吸收該波長的輻射能 。,(2)對于任何波長的輻射能，在相同的溫度下，絕對黑體在單位時間單位面積上輻射出去的和吸收的能量比任何其它任何物體都多。,17,18-2 絕對黑體輻射的輻射定律,18,測量黑體輻射出射度實驗裝置,一 黑體輻射的實驗研究,準(zhǔn)直系統(tǒng),19,不同溫度下的黑體輻射曲線,20,二 黑體輻射的規(guī)律,含義：它說明對于黑體，溫度越高，輻出度EB(T)越大且隨T增高而迅速增大。,21,爐火純青,注意：(1)以上兩規(guī)律只適用于黑體，對非黑體只近似成立。,22,(2) 熱輻射規(guī)律在現(xiàn)代技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用 - 高溫測量、遙感、遙測、紅外跟蹤等。,測量

8、黑體溫度 - 光測高溫計,在實驗室或工廠的高溫爐子上開一小孔，小孔可看作黑體，由小孔的熱輻射特性，就可以確定爐內(nèi)的溫度。,調(diào)節(jié)R，當(dāng)燈絲溫度爐溫時，燈絲在爐孔像的背景上顯示出亮線。,當(dāng)燈絲溫度=爐溫時，燈絲在爐孔像的背景上消失。,由通過燈絲電流強度可算出爐溫T。,23,例1 (1)溫度為室溫200C的黑體，其單色輻出度的峰值所對應(yīng)的波長是多少？(2)若使一黑體單色輻出度的峰值所對應(yīng)的波長在紅色譜線范圍內(nèi)，其溫度應(yīng)為多少？(3)以上兩黑體輻出度之比為多少？,解：,(2)取,(1)由維恩位移定律,(3)由斯特藩-玻爾茲曼定律,24,例2 太陽的單色輻出度的峰值波長m=483nm，試由此估算 太陽表

9、面的溫度.,解：,由維恩位移定律：,對宇宙中其他發(fā)光星體的表面溫度也可用這種方法進行推測。,25,保暖內(nèi)衣一般靠三條途徑來實現(xiàn)保暖，一是改進紡織材料，隔絕空氣；二是加膜保暖；三是利用新技術(shù)，在纖維中加入特殊材料。“萊恩”“萊卡”纖維屬于第一種，這種纖維有類似空心的結(jié)構(gòu)，可以隔絕空氣，起到保暖作用，這和羊毛保暖的原理相同。1998年上市的第一代保暖內(nèi)衣采用的大多是第二種保暖方式，即在兩層面料間鍍反光膜。而現(xiàn)在我們聽得最多的、最不明白的“遠紅外”技術(shù)則屬于第三種保暖措施。它在紡織的時候?qū)⒔咏{米級別的氧化鋅或氧化鋯一類的陶瓷材料加入纖維中，由于這類陶瓷材料能激發(fā)人體血液微循環(huán)，所以可起到一定的升溫

10、作用。保暖內(nèi)衣做得再好，至多也只能使你的體溫增加2至3攝氏度，說頂幾件羊毛衫實在有點夸張。,遠紅外線的本質(zhì)是物質(zhì)的化學(xué)鍵振動和轉(zhuǎn)動過程中能量狀態(tài)變化的結(jié)果，因此絕對溫度零度以上的任何物質(zhì)均能發(fā)射出遠紅外線。遠紅外線是與人息息相關(guān)的，人每時每刻都在發(fā)射紅外線，也在吸收紅外線。紅外線可用于醫(yī)療保健如日光浴、遠紅外輻射燈、能量康復(fù)器、頻譜儀等。有促進血液循環(huán)、調(diào) 節(jié) 血 壓、改善關(guān)節(jié)疼痛、調(diào)節(jié)自律神經(jīng)等功效。,26,18-3 普朗克公式,27,一 熱輻射的經(jīng)典理論解釋,當(dāng)時經(jīng)典力學(xué)占統(tǒng)治地位，人們自然用經(jīng)典力學(xué)理論來解釋熱輻射并建立了兩個公式：,1 維恩公式（Wiens Formula）,1896年

11、，德國維恩（Wien）從熱力學(xué)普遍理論出發(fā)，將黑體諧振子能量按頻率分布類同于Maxwell速率分布，由經(jīng)典理論導(dǎo)出以下公式：,- 維恩公式,c1、c2需要實驗確定。,28,2 瑞利-瓊斯公式（Rayleigh-Jeans Formula）,1900年，瑞利和琴斯把分子物理學(xué)中的能量按自由度均分原理以及空腔中的駐波定理應(yīng)用到電磁輻射中，導(dǎo)出以下公式：,29,對于頻率為v的諧振子最小能量為,能量,二 普朗克假設(shè) 普朗克公式（1900 年）,1 普朗克假設(shè)(能量子假說)：輻射物體中包含著大量的帶電線性諧振子，他們與輻射黑體分子、原子的振動可看作諧振子，這些諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能。但是這些諧振子只

12、能處于某些分立的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，諧振子的能量并不象經(jīng)典物理學(xué)所允許的可具有任意值。相應(yīng)的能量是某一最小能量(稱為能量子)的整數(shù)倍，即： ，n為正整數(shù)，稱為量子數(shù)。,普朗克常量,30,2 普朗克公式（Plancks Formula）,h=6.6310-34Js - 稱為普朗克常數(shù),該公式與實驗數(shù)據(jù)符合得很好！,31,討論：,(1)當(dāng)hvkT（高頻段）,維恩公式,令：,32,(2)當(dāng)hvkT（低頻段）,瑞利-琴斯公式,33,例 一頻率為v=0.5HZ，振輻為A=10cm，勁度系數(shù)為K=3.0N/m的諧振子。,能量,若能量變化，一次減少一個能量子，一個能量子能量：,不連續(xù)變化的比率：,若每相差一

13、能量子畫一直線,宏觀看是連續(xù)的,34,由此可見可以把經(jīng)典物理看成是量子物理在量子數(shù)很大時的特殊情況（只有n很小時，能量的不連續(xù)才顯得很明顯）。,對應(yīng)原理：量子論對一個系統(tǒng)的描述，當(dāng)量子數(shù) 非常大時，即與經(jīng)典物理的描述一致。 （1929年波爾提出）,第一個認識到普朗克假說的偉大意義的是愛因斯坦。并于1905年提出了光量子的概念，正確的解釋了光電效應(yīng)，量子理論才逐漸為人們所接受。,35,在1918年4月普朗克六十歲生日慶祝會上，愛因斯坦說：,在科學(xué)的殿堂里有各種各樣的人：有人愛科學(xué)是為了滿足智力上的快感；有的人是為了純粹功利的目的。而普朗克熱愛科學(xué)是為了得到現(xiàn)象世界那些普遍的基本規(guī)律，這是他無窮的

14、毅力和耐心的源泉。 他成了一個以偉大的創(chuàng)造性觀念造福于世界的人。,36,注意：普朗克這一思想是完全背離經(jīng)典物理，并受到當(dāng)時許多人的懷疑和反對，包括當(dāng)時的物理學(xué)泰斗-洛倫茲。乃至當(dāng)時普朗克自已也想以某種方式來消除 這一關(guān)系式。它寫道：,“我試圖將hv納入經(jīng)典理論的范圍，但一切這樣的嘗試都失敗了，這個量非常頑固。后來他又說：,“在好幾年內(nèi)我花費了很大的勞動，徒勞地去嘗試如何將能量子引入到經(jīng)典理論中去。我的一些同事把這看成是悲劇。但我有自已的看法，因為我從這種深入剖析中獲得了極大的好處，起初我只是傾向于認為，而現(xiàn)在是確切地知道能量子將在物理中發(fā)揮出巨大作用”。,37,事實上正是這一理論導(dǎo)致了量子力學(xué)的誕生，普朗克也成為了量子力學(xué)的開山鼻祖，1918年他榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。 他的墓碑上只刻著他的姓名和,38,量子概念是 1900 年普朗克首先提出的，距今已有一百多年的歷史.其間，經(jīng)過愛因斯坦、玻爾、德布羅意、玻恩、海森伯、薛定諤、狄拉克等許多物理大師的創(chuàng)新努力，到 20 世紀(jì) 30 年代，就建立了一套完整的量子力學(xué)理論.,量子力學(xué),經(jīng)典力學(xué),現(xiàn)代物理的理論基礎(chǔ),量子力學(xué)相 對 論,量子力