2022-2023学年高二物理竞赛课件：黑体辐射与普朗克量子论

黑体辐射与普朗克量子论 黑体辐射与普朗克量子论 热辐射: 物体在任何温度，都以电磁波的形式向外辐射能量。 经典物理学的成功与困难 1.经典物理学的成功 17世纪，牛顿力学：宏观物体的机械运动 牛顿，Isaac Newton 开普勒行星运动三大定理，万有引力，天体运动 开普勒，Johannes Kepler 电动力学： 无处不在的电磁相互作用，包括光的传播规律。 热力学： 结合牛顿力学，电磁学和化学， 热力学三大定律，解释日常生活中的热现象。 统计物理： 经典方法结合统计规律 解释了由大量粒子组成的宏观物体的物理性质。 19世纪经典物理取得巨大成功！ 牛顿力学和麦克斯韦电磁理论的成功 粒子理论和波动理论的成功 2.经典物理学遇到的困难 物理大厦缺少重要的主干支体！ 量子物理 典型问题： 黑体辐射 光电效应，康普顿散射 低温固体比热容 原子光谱 一、热辐射现象 1.热辐射(heat radiation) 定义: 分子的热运动使物体辐射电磁波 例如: 火焰温度, 加热铁块 基本性质: 温度 发射的能量 电磁波 平衡热辐射: 物体辐射的能量等于在同一时间内 的短波成分 所吸收的能量 火 炉 600度 1000度 400度 显然, 它是波长和温度的函数 光源 S=1 3.单色辐出度(monochromatic radiation power)M(T) 温度为T 的物体, 单位时间内,单位表面积上所发射的 波长在  →+d 范围内的辐射能 dM(T) 与波长间隔 d成正比, dM(T)与d的比值称为单色辐出度: 温度为T 的物体,单位时间内从物体单位表面积上所发射的各种波长的总辐射能M(T)，它只是温度的函数。 2.辐出度(radiation power) M(T) 2.理论与实验的对比 (1)维恩公式: (2)瑞利-金斯公式: 紫外灾难！ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 (nm) 维恩线 瑞利-金斯线 实验数据 由经典热力学和麦氏速率分布导出 由经典电磁学和能量均分定理导出 二、黑体辐射 1.黑体: 全吸收无反射，全辐射 黑体模型 普朗克把代表短波波段的维恩公式和代表长波波段的瑞利-金斯公式结合起来，并利用数学上的内插法，很快找到一个经验公式 普朗克的公式在全部波长范围内与实验曲线惊人符合，这个公式成功激发他去揭示公式中所蕴藏着的重要科学原理。 3. 普朗克公式 能量密度 图12-3 黑体辐射公式与实验曲线 λ/μm 普朗克线 由经典理论导出的维恩公式和瑞利—金斯公式均不能完全解释黑体辐射的实验结果。 经典热力学 和麦氏分布 维恩公式 经典电磁学 和能量均分 “紫外灾难” 瑞利-金斯公式 $