高中物理-能量量子化

1.测量黑体温度
在实验室或工厂的高温炉子上开一小孔，小孔可看作 黑体，由小孔的热辐射特性，就可以确定炉内的温度。
2.光学高温计----光测高温
•由通过灯丝电流 高温炉 强度可算出炉温T。
•调节R，当灯丝温度> 聚焦透镜
炉温时，灯丝在炉孔像 的背景上显示出亮线。
灯丝
目镜
•当灯丝温度=炉温时，灯丝在炉孔像的背景上消失。
•当灯丝温度<炉温时，灯丝在炉孔像的背景上显示出暗 线。
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普朗克由于提出能量子假设，为此获1918年诺贝 尔物理学奖。
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例：已经证明，1S内进入眼睛的光，若波长 556nm,当光子数达到57个时能引起眼睛的视觉。 设某点光源发Βιβλιοθήκη Baidu的光波长为556nm，功率为2W， 若不计途中损失，眼睛最远在多大距离能观察 到这个光源？（设瞳孔在暗处的直径为4nm）
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四、黑体辐射的应用
琼斯公式.
T=1646k
瑞利—琼斯公式在长波部分与实验结果比较吻合。
但在紫外区竟算得单色辐出度为无穷大—所谓的“紫
外灾难”。
利用经典理论无法解释黑体辐射现象。正如1900
年开耳文指出的晴朗的物理学理论大厦上空，飞来
“两朵乌云”之一，它动摇了经典物理的基础。
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1900年德国物理学家普朗克在维恩位移定律和瑞 利--琼斯公式之间用内插法建立了一个普遍公式.
第十七章
能量量子化：物理学新纪元
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量子物理引言
到十九世纪末期，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，特别是十九世纪中期，海王 星的发现充分表明了牛顿力学是完美无缺的。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。
②.空腔壁上带电振子所吸收或发射的能量是 h 的整数
倍。
E nh (n 1,2,3 )
普朗克常数 h 6.626 10 34 J s
*能量是分立的，不是连续的。存在着能量的最小单 元（能量子=h)； * 振子只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量。
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根据普朗克能量子假设，很容易从理论上推导出 普朗克公式。
热电偶
实验中将开有小孔的空腔视为黑体，使其恒温，
测量从小孔中辐射出来的电磁波强度按波长的分布情 况。
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实验规律：
e0 (,T )
1700 K
1）随着温度的升高，黑体 的辐射强度都有增加；
2）随着温度的升高，辐射 强度的极大值向波长较短方
1500 K 1100 K
向移动。
o
如何从理论上推导出符合实验结果的函数表达式 就成为当时物理学中引入注目的问题之一。
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事实上还有第三朵小小的乌云，这就是放射性现象的 发现，它有力地表明了原子不是构成物质的基本单元， 原子也是可以分割的。
所有这些实验结果都是经典物理学无法解释的， 它们使经典物理处于十分困难境地，为摆脱这种困境， 有一些思想敏锐而又不受旧观念束缚的物理学家纷纷 重新思考研究，在二十世纪初期，建立起了近代物理 的两大支柱------量子论和相对论，并在这个基础上 又建立起以研究原子的结构、性质及其运动规律为目 的的原子物理学，后来又进一步发展，相继建立起原 子核物理学和基本粒子物理学，这些内容统称为量子 物理学。
• 维恩根据经典热力学得出一个半经验公式：维恩公式
e0 (,T )
c1
5
c2
e T
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c1 3.70 1016焦耳 米2 / 秒 c2 1.43102米开
维恩公式在短波部分
实验
与实验结果吻合得很好， M0(,T )
但长波却不行。
瑞利-琼斯
•• 瑞利和琼斯用能量均分 定理和电磁理论得出瑞利—
维恩理论值
普朗克公式
该公式与实验结果相符合。
M 0 (,T )
实验
瑞利-琼斯
普朗克理论值
维恩理论值
T=1646k
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三、普朗克的能量子假设
为了能够从理论上推导出这个公式，普朗克提出 了一个与经典物理学概念截然不同的“能量子”假 设①：.金属空腔壁中电子的振动可视振子。这些振子可以 吸收或辐射能量。对频率为的振子，它具有的最小 能量是h，能具有的其它能量值是h的整数倍。
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黑体与黑体辐射
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一、热辐射现象
任何物体在任何温度下都要发射各种波长的电磁
波，并且其辐射能量的大小及辐射能量按波长的分 布都与温度有关。
这种由于物质中的分子、原子受到热激发而发射 电磁波的现象称为热辐射。
①.物体在任何温度下都会辐射能量。
注 意
②.物体既会辐射能量，也会吸收能量。物体在某 个频率范围内发射电磁波能力越大，则它吸收该
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。后来又把牛顿、惠更 斯和菲涅耳所建立的光学也纳入了电动力学的范畴， 更是一项辉煌的成就。
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因此当时许多著名的物理学家都认为物理学的基 本规律都已被发现，今后的任务只是把物理学的基本 规律应用到各种具体问题上，并用来说明各种新的实 验事实而已。就连当时赫赫有名对物理学各方面都做 出过重要贡献的权威人物开耳文在一篇于1900年发表 的瞻望二十世纪物理学发展的文章中也说：“在已经 基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只需要做一些 零星的修补工作就行了”，不过接着又指出：“但是 在物理晴朗天空的远处，还有两朵小小令人不安的乌 云”，即运用当时的物理学理论所无法正确解释的两 个实验现象，一个是热辐射现象中的紫外灾难，另一 个是否定绝对时空观的迈克尔逊--莫雷实验。正是这 两朵小小的乌云，冲破了经典物理学的束缚，打消了 当时绝大多数物理学家的盲目乐观情绪，为后来建立 近代物理学的理论基础作出了贡献。
频率范围内电磁波能力也越大。
辐射和吸收的能量恰相等时称为热平衡。此时温 度恒定不变。
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实验表明：物体辐射能多少决定于物体的温度（T）、 辐射的波长、时间的长短和发射的面积。
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二、黑体与黑体辐射 1.黑体
物体具有向四周辐射能量的本领，又有吸收外界 辐射来的能量。
黑体是指在任何温度下，全部吸收任何波长的辐射 的物体。
对于任意温度或波长，绝对黑体的吸收比都恒为1。
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二、黑体与黑体辐射
根据基尔霍夫定律，黑体既是完全的吸收体， 也是理想的发射体。
黑体是一种理想的模型，在自然界中并不存 在完全理想的黑体。
可把一个开小孔的不透光空腔看成黑体。
如远处不点灯 的建筑物。
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２.黑体辐射的实验规律 实验装置
S T
L 平行光管 三棱镜