1、作业 15.18,量子物理,力学：牛顿运动三定律和万有引力定律 热学：热力学定律与统计理论 电学（电磁学和光学）：麦克斯韦方程组,物理学的大厦已经落成。,引 言,十九世纪末，经典物理已发展得相当成熟，,人们认为，对物理现象本质的认识已经完成。,然而在人类即将跨入20世纪的时候，,了某些无法用经典理论解释的实验现象 ,却发现,MM实验“零结果”,和热辐射“紫外灾难”。,晴朗的物理学天空中出现的“两朵乌云”。,“Two clouds”（两朵乌云）on the horizon of 20th century physics: black body radiation contradicts pred
2、ictions of thermodynamics. Michelson-Morley experiment contradicts Newtonian relativity.,牛顿或伽利略相对性原理,MM实验 相对论黑体辐射 量子论,提高照明效率 研究高温测量 测星体表面温度 电磁波谱的研究,1 黑体辐射（Black-body radiation）,热辐射理论发展的背景, 科技发展的需要：, 理论上出现了矛盾：,“紫外灾难”,这种与温度有关的辐射称为,热辐射,一、热辐射,热辐射是热能转化为电磁能的过程,红外辐射热象图,红外夜视仪,红外夜视仪拍的照片,钢水温度测量,定性图述,炽热状态,定义,e
3、,(,),T,该物体对波长 的,l,单色辐出度,为,且与物体的材料及表面情况有关。,e,(,),T,单色辐出度,从物体单位表面上辐射的各种波长的总辐射功率为,称为物体的总辐出度。,其单位为,瓦,米,W,m,即,2,2,其单位为,瓦,米,单位时间的辐射能,单位面积 单位波长,e,(,),T,d,E,l,d,l,二、黑体辐射,（随物而异）,（故亦随物而异）,（随物而异）,黑体,二、黑体辐射,（随物而异）,（随物而异）,（故亦随物而异）,二、黑体辐射,吸收系数：吸收能量与入射总能量的比值。,单色吸收系数 ： 在温度 T 和波长 附近单位波长间隔内的吸收系数。,反射系数：反射能量与入射总能量的比值。,
4、单色反射系数 ： 在温度 T 和波长 附近单位波长间隔内的反射系数。,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，物体达到热平衡，称为平衡热辐射。此时物体具有固定的温度。,黑体：能够完全吸收外来辐射而没有反射的物体。,对于 不透明物体：,研究结果表明：对于任何物体，单色吸收系数高，其单色辐出度亦大，两者比值为一恒量，与物体性质无关，仅与波长和温度有关。,这表明：,1）黑体光谱辐出度最大,2）好的辐射体也是好的吸收体,在平衡热辐射时，有规律：,利用黑体可撇开材料的具体性质，来普遍,与材料无关,地研究热辐射本身的规律。,3）若 已知，则,基尔霍夫辐射定律：在相同温度下，单色辐出度与单
5、色吸收率的比值对于所有物体都相同，是一个只取决于温度 T 和波长的函数。,好的辐射体也是好的吸收体,定理成立的条件：仅适用于平衡热辐射，因此时才有确定温度T。以下说法是否正确：温度相同两物体B1和B2 ，对指定波长的辐射能量：若B1比B2 对此波长所辐射的能量多，则相应吸收亦多；反之亦然。若物体不能辐射某波长能量，亦不能吸收此波长能量。在相同波长、温度条件下，绝对黑体比非绝对黑体单色辐射本领和单色吸收系数都大。,黑体实验模型,黑体辐射测量,黑体辐射规律,s = 5.6710 Wm K,- 2,- 8,- 4,斯特藩-玻耳兹曼定律,b = 2.89810-3 mK,黑体辐射实验规律,维恩位移定律
6、, = 5.6710-8 W/m2K4,斯特藩 - 玻耳兹曼定律,重要应用： 遥感和红外追踪 高温比色测温仪 估算表面温度 非典时：测温仪,红外测温仪,红色：26003600K； 黄色：50006000K； 白色：770011500K； 蓝色：12000K以上。,shn xi,红超巨星,蓝超巨星,由维恩位移定律,对宇宙中其他发光星体的表面温度也可用 这种方法进行推测,（2）取,（1）由维恩位移定律,（3）由斯特藩玻尔兹曼定律,黑体辐射测量,黑体辐射规律,s = 5.6710 Wm K,- 2,- 8,- 4,斯特藩-玻耳兹曼定律,但沿用经典物理概念（如经典电磁辐射理论和能量均分定理）去推导一个
7、符合实验规律的黑体单色辐出度函数 均遇到困难。其中一个著名的推导结果是,2,4,l,p,c,k,T,（瑞利金斯公式）,l,0,当,时，即波长向短波（紫外）方向不断变短时，,则,8,经典物理概念竟然得出如此荒唐的结论，物理学史上称之为 “ 紫外灾难 ” 。,黑体辐射问题所处的困境成为十九世,末“物理学太空中的一朵乌云”，但它却孕育着一个新物理概念的诞生。,瑞利-金斯公式 (平衡热辐射理论加上能均分定理):,维恩公式：(把辐射体的原子看成是带电谐振子):,l,0,当,时，即波长向短波（紫外）方向不断变短时，,则,8,三、普朗克公式及能量子假说,c,光在真空中的速率,k,玻耳兹曼常量,h,普朗克常量,并很快被检验与实验结果相符。,理论曲线,单色辐出度函数及曲线线,普朗克的黑体,能量子假设,普朗克公式,由普朗克公式可导出其他所有热辐射公式：,讨论：,（1） 在长波段情况下,（瑞利 - 金斯公式）,（2） 在短波段情况下,（维恩公式 ）,爱因斯坦评价：,“这一发现成为 20 世纪整个物理研究的基础，从那时起，几乎完全决定了物理学的发展。”,1918年诺贝尔物理学奖获得者 普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck）,德国人,1858 1947,发现能量子,
