第六章黑体辐射与光的量子性
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λ, nm
以频率分布表示的黑体辐射定律
E( υ,T) , mW/cm2s
1.40E-008 1.20E-008
6000K
1.00E-008
8.00E-009
5000K
6.00E-009 4.00E-009
4000K
2.00E-009 3000K
0.00E+000 0.00E+000
5.00E+014
• 后来又把惠更斯和菲涅耳所建立的光学也 纳入了电动力学的范畴。
开尔文的演讲
• Nineteenth-Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light （1900）
• The beauty and clearness of the dynamical theory, which asserts heat and light to be modes of motion, is at present obscured by two clouds.
Lord Kelvin
• The first came into existence with the undulatory theory of light, and was dealt with by Fresnel and Dr. Thomas Young; it involved the question, how could the earth move through an elastic solid, such as essentially is the luminiferous ether?
• 物体以电磁波的形式向外辐射能 量，或吸收辐照到其表面的能量
• 分子(含有带电粒子)的热运动使物 体辐射电磁波。这种辐射与温度 有关，称为热辐射。
辐射场
• 辐射的电磁波形成一个波场，即辐射场。 • 辐射场与波长（频率）、温度、方向等有关。 • 辐射场的物理参数：温度T，波长λ或频率ν，
辐射场的能量密度，辐射场的谱密度 u （ T ，λ，θ ），辐射通量，辐射通量的谱密 度，辐射照度，辐射照度的谱密度，等
辐射谱密度、辐射本领：温度为T 时，频率 ν附近单位频率间隔内的辐射能量，亦称单 色辐出度。
E(ν ,T )
辐射通量：温度为T时，频率ν附近dν频率间隔 内的辐射能量。
dΦ(ν ,T ) = E(ν ,T )dν
• 吸收本领、吸收比：照射到物体上的通量
dΦ(ν ,T )
其中被物体吸收的通量 dΦ′(ν ,T )
• 其次，通过克劳修斯、玻耳兹曼和吉布斯 等人的巨大努力，建立了体系完整而又严 密的热力学和统计力学，并且应用越来越 广泛。
• 由安培、法拉第和麦克斯韦等人对电磁现 象进行的深入而系统的研究，为电动力学 奠定了坚实的基础，特别是由麦克斯韦的 电磁场方程组预言了电磁波的存在，随即 被赫兹的实验所证实。
f (ν ,T ) 是普适函数，与物质无关 应当通过实验测量 f (ν ,T )
必须同时测量 E(ν ,T )和A(ν ,T )
如果让 A(ν ,T ) ≡ 1 则 f (ν ,T ) ≡ E(ν ,T )
A(ν ,T ) ≡ 1的物体，称为绝对黑体
绝对黑体
• 一个开有小孔的空腔，对射入其中的光几
Jeans
1、Stefan-Boltzmann定律
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
λ, nm
E( λ,T) , mW/cm2nm
实验测量的结果
10000
8000
6000K
6000
5500K
4000
5000K
2000
0 0
4000K 3000K
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
1.00E+015
1.50E+015 2.00E+015
υ, Hz
6.2 黑体辐射的定律
• 1、Stefan-Boltzmann定律（1879年、1884年） • 2、Wien位移定律（1893年） • 3、Rayleigh-Jeans定律（1900年，1905年）
Stefan
Wien
Rayleigh
• 经过一个过程后，所有物体的 温度相同，达到热平衡
• 热平衡时，每一个物体辐射的 能量等于其吸收的能量
• 热平衡状态下，吸收本领大， 辐射本领也大
• 基尔霍夫热辐射定律：热平衡 状态下物体的辐射本领与吸收 本领成正比，比值只与T，ν有 关。
E(ν ,T ) = f (ν ,T ) 吸收大，辐射也大。 A(ν ,T )
A(ν ,T ) = dΦ′(ν ,T ) dΦ(ν ,T )
称为吸收本领或吸收比
物体间的热交换
• 与外界隔绝的几个物体，起 初温度各不相同
• 假设相互间只能以热辐射的 形式交换能量
• 每一个物体向外辐射能量， 也吸收其它物体辐射到其表 面的能量
• 温度低的，辐射小，吸收大； 温度高的，辐射大，吸收小
第六章 黑体辐射与光的量子性
6.1 黑体辐射 6.2 黑体辐射的实验定律 6.3 光量子模型 6.4 光电效应 6.4 康普顿散射 6.5 激光
物理世界上空的乌云
历史回顾
• 十九世纪末期，物理学各个分支的发展都 已日臻完善，并不断取得新的成就。
• 首先在牛顿力学基础上，哈密顿和拉格朗 日等人建立起来的分析力学，几乎达到无 懈可击的地步，海王星的发现充分表明了 牛顿力学是完美无缺的。
乎可以全部吸收
• 等效于绝对黑体
测量空腔开口处的
辐射本领 E(ν ,T )
• 即可以得到
f (ν ,T ) = E(ν ,T )
测量黑体辐射的实验装置
光谱仪
E( λ,T) , mW/cm2nm
10000 8000 6000 4000
6000K 5500Kຫໍສະໝຸດ Baidu5000K
2000
0 0
4000K 3000K
Michelson
Morley
• The second is the Maxwell–Boltzmann doctrine regarding the partition of energy.
Maxwell
Boltzmann
6.1 黑体辐射
• 物体的温度与环境温度有差异时， 两者之间将有能量交换，热辐射 是能量交换的一种方式。
以频率分布表示的黑体辐射定律
E( υ,T) , mW/cm2s
1.40E-008 1.20E-008
6000K
1.00E-008
8.00E-009
5000K
6.00E-009 4.00E-009
4000K
2.00E-009 3000K
0.00E+000 0.00E+000
5.00E+014
• 后来又把惠更斯和菲涅耳所建立的光学也 纳入了电动力学的范畴。
开尔文的演讲
• Nineteenth-Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light （1900）
• The beauty and clearness of the dynamical theory, which asserts heat and light to be modes of motion, is at present obscured by two clouds.
Lord Kelvin
• The first came into existence with the undulatory theory of light, and was dealt with by Fresnel and Dr. Thomas Young; it involved the question, how could the earth move through an elastic solid, such as essentially is the luminiferous ether?
• 物体以电磁波的形式向外辐射能 量，或吸收辐照到其表面的能量
• 分子(含有带电粒子)的热运动使物 体辐射电磁波。这种辐射与温度 有关，称为热辐射。
辐射场
• 辐射的电磁波形成一个波场，即辐射场。 • 辐射场与波长（频率）、温度、方向等有关。 • 辐射场的物理参数：温度T，波长λ或频率ν，
辐射场的能量密度，辐射场的谱密度 u （ T ，λ，θ ），辐射通量，辐射通量的谱密 度，辐射照度，辐射照度的谱密度，等
辐射谱密度、辐射本领：温度为T 时，频率 ν附近单位频率间隔内的辐射能量，亦称单 色辐出度。
E(ν ,T )
辐射通量：温度为T时，频率ν附近dν频率间隔 内的辐射能量。
dΦ(ν ,T ) = E(ν ,T )dν
• 吸收本领、吸收比：照射到物体上的通量
dΦ(ν ,T )
其中被物体吸收的通量 dΦ′(ν ,T )
• 其次，通过克劳修斯、玻耳兹曼和吉布斯 等人的巨大努力，建立了体系完整而又严 密的热力学和统计力学，并且应用越来越 广泛。
• 由安培、法拉第和麦克斯韦等人对电磁现 象进行的深入而系统的研究，为电动力学 奠定了坚实的基础，特别是由麦克斯韦的 电磁场方程组预言了电磁波的存在，随即 被赫兹的实验所证实。
f (ν ,T ) 是普适函数，与物质无关 应当通过实验测量 f (ν ,T )
必须同时测量 E(ν ,T )和A(ν ,T )
如果让 A(ν ,T ) ≡ 1 则 f (ν ,T ) ≡ E(ν ,T )
A(ν ,T ) ≡ 1的物体，称为绝对黑体
绝对黑体
• 一个开有小孔的空腔，对射入其中的光几
Jeans
1、Stefan-Boltzmann定律
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
λ, nm
E( λ,T) , mW/cm2nm
实验测量的结果
10000
8000
6000K
6000
5500K
4000
5000K
2000
0 0
4000K 3000K
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
1.00E+015
1.50E+015 2.00E+015
υ, Hz
6.2 黑体辐射的定律
• 1、Stefan-Boltzmann定律（1879年、1884年） • 2、Wien位移定律（1893年） • 3、Rayleigh-Jeans定律（1900年，1905年）
Stefan
Wien
Rayleigh
• 经过一个过程后，所有物体的 温度相同，达到热平衡
• 热平衡时，每一个物体辐射的 能量等于其吸收的能量
• 热平衡状态下，吸收本领大， 辐射本领也大
• 基尔霍夫热辐射定律：热平衡 状态下物体的辐射本领与吸收 本领成正比，比值只与T，ν有 关。
E(ν ,T ) = f (ν ,T ) 吸收大，辐射也大。 A(ν ,T )
A(ν ,T ) = dΦ′(ν ,T ) dΦ(ν ,T )
称为吸收本领或吸收比
物体间的热交换
• 与外界隔绝的几个物体，起 初温度各不相同
• 假设相互间只能以热辐射的 形式交换能量
• 每一个物体向外辐射能量， 也吸收其它物体辐射到其表 面的能量
• 温度低的，辐射小，吸收大； 温度高的，辐射大，吸收小
第六章 黑体辐射与光的量子性
6.1 黑体辐射 6.2 黑体辐射的实验定律 6.3 光量子模型 6.4 光电效应 6.4 康普顿散射 6.5 激光
物理世界上空的乌云
历史回顾
• 十九世纪末期，物理学各个分支的发展都 已日臻完善，并不断取得新的成就。
• 首先在牛顿力学基础上，哈密顿和拉格朗 日等人建立起来的分析力学，几乎达到无 懈可击的地步，海王星的发现充分表明了 牛顿力学是完美无缺的。
乎可以全部吸收
• 等效于绝对黑体
测量空腔开口处的
辐射本领 E(ν ,T )
• 即可以得到
f (ν ,T ) = E(ν ,T )
测量黑体辐射的实验装置
光谱仪
E( λ,T) , mW/cm2nm
10000 8000 6000 4000
6000K 5500Kຫໍສະໝຸດ Baidu5000K
2000
0 0
4000K 3000K
Michelson
Morley
• The second is the Maxwell–Boltzmann doctrine regarding the partition of energy.
Maxwell
Boltzmann
6.1 黑体辐射
• 物体的温度与环境温度有差异时， 两者之间将有能量交换，热辐射 是能量交换的一种方式。