清华大学物理课件：量子物理

其中最典型的是维恩公式 和瑞利—金斯公式
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（1）维恩公式（非前面的维恩位移公式） 假定驻波能量按频率的分布类似于 麦克斯韦速度分布率（经典的）。
在长波段，维恩线明显偏离实验曲线！
（2）瑞利—金斯公式 假定驻波的平均能量为 kT
（经典的能量均分定理）
在紫外区(短波段)与实验明显不符， 短波极限为无限大—“紫外灾难”！
M(T ) T 4
其中常量 =5.67×10- 8 /m2K4
3．维恩位移定律（实验定律）
黑体辐射光谱中辐射最强 的波长与黑体温度T 之间 满足反比关系
m
m

b T
其中常量 b = 2.89×10-3 m·K
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维恩 (Wilhelm Wien 德国人 1864-1928)
热辐射定律的发现 1911年 诺贝尔物理学奖
M物体（T） M黑体（T）
例. 油毛毡（法向） 0.93 (200C) 氧化铜（法向） 0.60.7(500C)
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研究黑体辐射的实验装置示意图:
黑体
光栅光谱仪
热电偶(测 M(T))
T
实验结果
黑体单色辐出度 M(T)～曲线
m
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（1. 黑体） 2．斯特藩—玻耳兹曼定律（实验定律）
总辐出度M(T)与黑体温度的四次方成正比
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实验规律
Uc(V)
Cs Na Ca 电压 Uc与 入射光
频率 呈线性关系
Uc= K - U0
其中K 为普适常数
(1014Hz)
U0 与材料有关
直线与横坐标的交点 就是红限频率0.
0

U0 K
获得者
斯特藩—玻耳兹曼定律和 维恩位移律是测量高温、 遥感和红外追踪等技术的 物理基础。
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三.经典物理学所遇到的困难 ---- 如何解释黑体辐射曲线？
空腔壁产生的热辐射，想象 成空腔壁内有许多以壁为 节点的许多电磁驻波。
但是，
由经典理论导出的M(T)～ 公式都与实验结果不符合！
黑体内的驻波
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§6．1 光电效应
来自百度文库
金属及其化合物在电磁辐射照射下发射电子的 现象称为光电效应，所发射的电子称为光电子。
实验装置：
GD为光电管， 光通过石英窗口照射 阴极K，光电子从阴极 表面逸出。
光电子在电场加速下向 阳极A运动，形成光电流。
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实验规律
（1）用光强一定的某种频率的光照射，得 到的饱和光电流强度im是一定的，光强越 大，饱和光电流强度也越大。
第六章 量子物理
基础 (1)
1
引言 十九世纪末，经典物理已相当成熟， 对物理现象本质的认识似乎已经完成。 但在喜悦的气氛中，还有两朵 小小的令人不安的乌云：
？热辐射的 紫外灾难
跳出传统的物理学框架！
寻找以太的 零结果 热辐射的紫外灾难
相对论 量子论
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§6.10 黑体辐射和普朗克的能量子假说
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 (heat radiation)。
= h
其中 h = 6.626×10 - 3 4 J·s 称为普朗克常15数。
2.普朗克公式
能量不连续的概念与经典 物理学是完全不相容的！
但由此,普朗克导出了与实验结果极为符合 的普朗克公式：
2 c2h 1 M (T ) 5 ehc /kT 1
3．经典极限：h→0 h << kT，能量连续 (普朗克的排徊;1918 诺贝尔物理奖)

(T
)

dE dE
(吸收） (入射）
（T）…温度为T时,（单位时间内）入射 到物体（单位表面）的,波长在 →+ d间隔 内的电磁波的能量，被物体吸收的百分比。
以上这些物理量均与物体 种类及其表面情况有关。
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★平衡热辐射 物体辐射的能量等于在同一时间内所 吸收的能量时，热辐射过程达到热平衡， 称为平衡热辐射。 此时物体具有固定的温度。
热辐射的电磁波的能量对波长有一个分布。 温度不同，热辐射的电磁波的能量不同， 波长分布不同。
例如加热铁块，随着温度的升高: 开始不发光→ 暗红 → 橙色 → 黄白色
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一.描述热辐射的物理量
1．单色辐出度M(T)
温度为T时,单位时间内从物体单位表面发出的
波长在 附近单位波长间隔内的电磁波的能量，
称为单色辐出度M(T)
Μ
(T
)

dE
d
M的SI单位为W/m3
dE…温度为T时,单位时间内从物体单位表面 发出的波长在 → + d间隔内的电磁波的能量
M(T) …表示辐射能量按波长的分布。 4
2.总辐出度M(T)

(T ) (T )d
0
M 的单位为W/m2
3.单色吸收率(T)
黑体的吸收本领最大，辐射本领也最大
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研究热辐射本身的规律，应利用辐射本领 M 只与温度有关，而和材料及表面状态无关的 物体。
而黑体的热辐射正好与空腔的形状、材料及 ‘表面状态’ 都无关。
对各种具体物体的总辐出度，可以通过实验
定出的“黑度系数”(有“机电手册”可查)
来得出。
物体的黑度系数
以下只讨论平衡热辐射的情况。
二.黑体和黑体辐射的基本规律
1.黑体:能完全吸收照射到它上面的各种 波长的电磁波的物体，称为黑体。
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黑体的单色吸收率 (T)=1----‘理想模型’。
维恩设计的黑体：不透明材料的空腔 开一个小孔。
黑体
实验表明： 辐射本领大的物体， 吸收本领也大。 （演示）。
黑体能吸收各种波长的电磁波，也能辐射 各种波长的电磁波。
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MλB
实验值
紫 外 灾
难
瑞利--金斯
维恩
o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 λ (1μ4 m)
四.普朗克的能量子假说和黑体热辐射公式 1.普朗克假设（1900年） (普朗克与鲁本斯)。 对于频率为 的电磁辐射， 物体只能以 h为单位发射 或吸收它。 即物体发射或吸收电磁辐射 只能以“量子”方式进行，每 个能量子的能量为
i im2
im1
I2
I
1
光强 I2>I1
当电压 U=0 时，光电流 并不为零；只有当两极间 加了反向电压 U =－Uc < 0 时，光电流 i 才为零。
-
U
Uc
截止电压。
Uc
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这表明：从阴极逸出的光电子必有初动能。
设 um 为光电子的最大初动能，则有
1 2
m
u
2 m

eUc
（2）相同频率但强度大小不同的光照射， 截止电压Uc是相同的。 （这与经典电磁波的概念完全不同） 截止电压Uc与频率的具体实验规律如下：