21电磁辐射的量子理论PPT课件

M 11 ((T T))M 22((T T)) M 0(T)
某一物体吸收本领越强，发射本领也越强。
我们把能够百分之百吸收入射的电磁辐射的物体 叫绝对黑体（黑体）。
绝对黑体
BB
(、 T (、 T
) )
1 0
8
二 黑体辐射的规律
1, 黑体模型
不透明材料制成的空腔容 器上开的小孔。
设初次进入小孔的电磁辐射能量为1，
因此，对单个光子能量取决于频率，对光子 束来说，能量与频率和光子数目均有关。
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光子的质量、动量和能量：
光子： v cwenku.baidu.com
静质量： m0 0
静能： E00
动量： Pmc
总能： Em2c Pc质量：
m
E c2
h c2
Eh
且有：
P E h h c c
能 流 密 度 SN EN h 19
二 光的波粒二象性
4
1. 单色辐出度 M (T)
定义：物体表面单位面积单位时间内所辐出的波长在
+d范围内的辐射能dM与波长间隔d之比，
即:
M
(T)
dM
d
意义： 表示不同温度 T 下物体辐出的辐射能 M 按
波长 分布的情况
5
2.辐出度 M(T)
定义：物体表面单位面积单位
时间内辐出的各种波长的总 辐射能。即:
M(T) T
普朗克1918年获诺贝尔物理学奖
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§21－2 爱因斯坦光子理论
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一 爱因斯坦光子理论
一束光就是一束以光速运动的粒子流，这些粒子叫光
量子——光子。频率为 的光束，每一光子具有能量
h
按光子假设，频率为 的光束是由许多能量 均为h 的光子组成的光子流。
光强一定，频率越大，光子能量越大；
频率一定，光强越大，表示光子数目越多；
峰值波长m ）
MB
(T
)
T
4
T3
1m
随T的升高， 峰值波长m减小
T2
T1
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3，斯特藩-玻耳兹曼实验定律
1879年德国物理学家斯特藩从实验①得到， 1884年玻耳兹曼由光的电磁理论和热力学证实有如下结果：
MB(T)0 MB(T)dT4
=5.6705110-8 W/m2·K4 ——斯特藩常数
4，维恩位移实验定律
M(T) M(T)d M(T) 0
意义：反映了不同温度下物体单位面积辐出的辐射功
率的大小
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3.单色吸收比 单色反射比
当辐射能入射到不透明物体内时，一部分被吸收，一部 分被反射，入射到透明物体时，还有一部分将透射。
对不透明物体的辐射
(、 T ) (、 T ) 1
单色 吸收比
单色 反射比
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4.基尔霍夫定律
c2
可见，光具有波粒二象性，通过作用量子h联系起来
传播时——呈波动性
与物质作用时——呈粒子性
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§21－3 电磁辐射与物质相互作 用时的量子效应
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一 光电效应
物质材料在适当频率的光的照射下有光电子逸出的现象。 1.光电效应的实验规律
1893年德国物理学家维恩从实验②根据电磁理论和热力学理论到
mT b b=2.89775610-3 mK
b为常量。上式表明：当温度升高时，与曲线峰值相对应波
长m向短波方向移动。
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三 经典物理学所遇到的困难
19世纪末，物理学最引人注目的课题之一：
从理论上导出与实验相符的黑体单色辐出度表达式
维恩的半经验公式---假设黑体辐射能谱分布类似于麦克斯
6
5
* *普朗克公式的理论曲线
4 3 2 1
0
*
**
**T* 20**0 k* *0*实验值
1
2
* 3
*
*
/1014Hz
普朗克 黑体辐 射公式 与实验 符合得 很好。15
能量子假设不仅解释了黑体辐射，更重要的是 引发了二十世纪初物理学的一场深刻革命，逐渐发 展成现代物理学的两大支柱之一——量子理论。
第二十一章
电磁辐射的量子理论
1
本章作业
5，8，10， 12，14， 19，24，
2
§21－1 黑体辐射 普朗克能量子假设
3
一 热辐射
任何一物体在任何温度下都要向外辐射电磁波。这种 辐射与温度有关，称热辐射。
在向外热辐射的同时，物体也从周围吸收热辐射。 若任何时刻物体的辐射能与吸收能相等，物体的温 度就不变——称平衡热辐射。 热物体（如高炉）有热辐射，冷物体（如冰）也有 热辐射。只是温度越低，发射本领越弱，辐射的波 长越长。
电磁波理论虽然使光的波动说一度占领了光学领 域，但19世纪末，实践中遇到的光与物质相互作用的许 多 现象却无法解释，如黑体辐射、光的吸收与发射、 光电效应、光化学反应等。1905年，爱因斯坦发展了普 朗克的量子假说，在一种全新的物理意义上提出了光子 学说。
光在本质上是由一些具有确定能量和动量的物质微
器壁吸收率为，经n次反射后再由小
孔穿出的能量为
(1 ) n
小孔面积远小于器壁内表面的面积， n将很大，
(1)n 0
以致入射到小孔的辐射能很少有可能 从小孔逃逸出来。 9
2. 黑体单色辐出度实验曲线
实验现象：
①曲线随T升高而提高 曲线下面积 ----MB = 辐出度 随T升高而增大
②MB(T) =单色辐出度 随连续变化，每条曲 线有一峰值（--对应
----“紫外光灾难”
经典物理学的推导均与实验不符
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四，普朗克能量子假设
为了解释黑体辐射的实验结果，普朗克认为：黑体 辐射的能量只能取一些分立的、不连续的值，并且这些
能量有一个最小的单元： h ，称为能量子。
任何辐射的能量只能是该能量的 整数倍
6h
nh (n 1 ,2 ,3 , )
5h 4h
韦速率分布，推出
M B (T )
M B(T)c1 5ec2 T c1 5ec21T
c1, c2:实验确定的经验参数
----仅在短波段与实验曲线相符
维恩线
1911年维恩获诺贝尔物理学奖
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瑞利--金斯公式
——根据经典的能量均分原理导出
MB
2ckT 4
M B (T )
瑞利-金斯线
只适用于长波段
维恩线
粒——光量子或光子所组成，而光子的能量和动量的数
值，与一定的光的频率或波长相对应，即
Eh
p h c
爱因斯坦认为光子既是粒子、同时又是波。光在
与物质相互作用时粒子性明显，光在传播中则波动性突
出。光的这种粒子性和波动性相互对立又并存的性质，
叫做光的“波粒二象性”。
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粒子性
Eh P h
波动性
m h
3h
普朗克常量
2h
h6.626 0 1 7 0 3J45 s5
1h
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由能量子假设，普朗克从理论上导出:
MB(T)2h5 c2ehc/k1T1
MB(T)C51
1 eC2/T
1
----普朗克公式
C1和CM 2分别(T 为)第1 (一 9 0 和W 第二辐2/射H (常)m 数z )
瑞利 - 金斯公式