4.1普朗克黑体辐射理论-2021-2022学年高二物理精品课件（2019人教版选择性必修第三册）

第四章 原子结构和波粒二象性 4.1普朗克黑体辐射理论 晓峰物理 量子论使人们认识了微观世界的运动规律，并发展了一系列对原子、分子等微观粒子进行有效操控和测量的技术。图为利用扫描隧道显微镜将48个铁原子排成的“原子围栏”。那么，人们认识量子规律的第一步是怎样迈出的？ 情景引入 1、热辐射 ⑴定义 任何物体在任何温度下都会辐射电磁波的现象。（热传递的三种方式之一） ⑵原因 物体分子无规则运动，辐射电磁波。 ⑶特点 物体温度高，辐射能量本领强，电磁波的短波成份多，长波成份少。（各种波长都有） 2、实际热辐射的复杂性 T T 外来各种波长的辐射能 反射某些波长的辐射能 （随物而异） 吸收某些波长的辐射能 （随物而异） （故也随物而异） 发射各种波长的热辐射能 对热辐射规律的研究显得较复杂 不透明体 度 于 某 一 温 处 温故知新 一、黑体与黑体辐射 T T 外来各种波长的辐射能 无任何反射 能全部吸收各种波长的辐射能 发射各种波长的热辐射能 不透明体 度 于 某 一 温 处 假设有这样一种物体 这种假设的物体称为黑体 不透明体 1、黑体 如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长（不仅是可见光）的电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。 ----理想模型 绝对的黑体是不存在的，但它是研究热辐射的重要理论模型。 值得注意的是实验室常用的黑体经典模型。 一、黑体与黑体辐射 2、黑体的实验模型 对空腔加热 至某热平衡温度 对空腔加热 至某热平衡温度 T T 通过小孔进入腔内的辐射能反射回小孔出射的机会极小，几乎全部被腔壁吸收。 不透明材料空腔 开一小孔 小孔表面好比黑体 （吸收全部入射的辐射能而无反射） 从小孔表面出射的就是处于某一热平衡温度T的实验黑体的辐射能，进而探索其能谱分布规律。 一、黑体与黑体辐射 3、黑体辐射测量系统示意图 黑体（小孔表面） T 集光透镜 平行光管 分光元件 会聚透镜及探头 分光元件（如棱镜或光栅等）将不同波长的辐射按一定的角度关系分开，转动探测系统测量不同波长辐射的强度分布。再推算出黑体单色辐出度按波长的分布。 二、黑体辐射的实验规律 1、黑体辐射实验规律 辐射强度:单位时间内从物体单位面积上所发射的各种波长的总辐射能，称为辐射强度。 发现：随温度的升高 ⑴各种波长的辐射强度都在增加； ⑵辐射强度的最大值向短波方向移动 二、黑体辐射的实验规律 ⑴短波符合；长波不符合。 ⑵长波符合；短波荒唐----紫外灾难。 德国物理学家维恩根据经典热力学，在1896年提出了一个辐射强度随波长及温度变化的半经验公式，维恩公式，得出曲线。 根据经典热力学与电磁学，物理学家瑞利在1900年也提出了一个理论公式，后经金斯改进，合称瑞利-金斯公式，得出曲线。 2、黑体辐射两种经典解释 维恩线 瑞利-金斯线 在紫外线一端，当波长趋于0时，辐射本领将趋于无穷大．这种情况被人们称为“紫外灾难”。 二、黑体辐射的实验规律 3、普朗克对黑体辐射理论解释 普朗克公式 普朗克找到了一个数学公式，它与实验吻合得非常完美。 维恩公式和瑞利——金斯公式，其实就是普朗克公式的特殊情况。 普朗克尝试从电磁学、力学、统计物理学等物理学的基本理论出发，把这个公式推导出来。 普朗克最终在1900年底发现，如果想推导出这个公式，就必须假定：组成黑体的振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍。 三、能量子 不可再分的最小能量值ε叫作能量子。 其中：ν是电磁波的频率 h是一个常量：普朗克常量 h＝ 6.62607015×10-34 J·s 1、能量子 表达式： ε＝hν 微观粒子的能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立的。 2、分立和连续 连续的 分立的、量子化的 1 2 3 4 5 6 7 三、能量子 3、宏观世界能量的连续性 宏观世界能量的连续性与微观粒子的能量的量子化，这是宏观世界与微观物理规律最重要的差别之一。 弹簧振子振动能量可以连续变化（振幅可以取任意值），即振动能量的连续性。 例如 阻尼振动的振动能量的连续变化 普朗克1900年的假设第一次为人们揭开了微观世界物理规律面纱的一角。从此，物理学进入了一个新的纪元。普朗克本人因此获得了1918年的诺贝尔物理学奖。 【例题1】(多选)关于对黑体的认识，下列说法正确的是（ ） A.黑体只吸收电磁波，不反射电磁波，看上去是黑的 B.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关 C.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，与材料的种类及表