复旦大学《大学物理》课件-量子物理(1).pdf

量子物理量子物理Quantum Physics 黑体辐射黑体辐射Black-body Radiation 普普朗朗克克能能量量子子假假设设 Fundamental Law of Electromagnetic Induction 到到 19 世纪末和世纪末和 20 世纪初世纪初，经典物理学理论已经系统、完整地建立，经典物理学理论已经系统、完整地建立，其中包括其中包括经典力学、热力学、统计物理学、经典电动力学、波动光学经典力学、热力学、统计物理学、经典电动力学、波动光学。经典物理学辉煌的科学大厦建立了经典物理学辉煌的科学大厦建立了。19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。英国著名物理学家英国著名物理学家 W汤姆生汤姆生(开尔文男爵开尔文男爵)发表了新年发表了新年祝词，他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大祝词，他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作；同时，他在展望厦已经落成，所剩只是一些修饰工作；同时，他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“物理学晴物理学晴朗的天空上，朗的天空上，飘着两朵令人不安的乌云飘着两朵令人不安的乌云”黑体辐射黑体辐射迈克尔逊迈克尔逊莫雷实验莫雷实验光电效应光电效应氢原子光谱氢原子光谱 康普顿康普顿效应效应量子力学的诞生与发展普朗克普朗克能量子假说能量子假说1918 诺贝尔奖诺贝尔奖爱因斯坦爱因斯坦光量子假说光量子假说1921诺贝尔奖诺贝尔奖 量子概念的形成量子概念的形成1922诺贝尔奖诺贝尔奖波尔波尔原子结构原子结构康普顿康普顿康普顿效应康普顿效应1927诺贝尔奖诺贝尔奖量子力学的诞生与发展量子力学的诞生量子力学的诞生 量子概念是普朗克首先提出，其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、量子概念是普朗克首先提出，其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力，到玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力，到20世纪世纪30年代，就建立了一套完整的量子力学理论。年代，就建立了一套完整的量子力学理论。海森堡海森堡1932 诺贝尔奖诺贝尔奖1933 诺贝尔奖诺贝尔奖 薛定谔薛定谔 狄拉克狄拉克 波恩波恩1954 诺贝尔奖诺贝尔奖德布罗意德布罗意1929 诺贝尔奖诺贝尔奖2001-8-6All Rights Reserved20普普朗朗克克（1858-1947）量量子子假假设设德德国国理理论论物物理理学学家家，量量子子论论奠奠基基人人。1900年年12月月14日日他他在在德德国国物物理理学学会会上上，宣宣读读了了关关于于正正常常光光谱谱中中能能量量分分布布定定律律的的理理论论的的 论论文文。劳劳厄厄称称这这一一天天是是“量量子子论论的的诞诞生生日日”。Max Planck 一、热辐射一、热辐射 Heat Radiation量子世界的大门是在黑体辐射问题的研究中开启的。量子世界的大门是在黑体辐射问题的研究中开启的。任何物体在任何物体在任何温度任何温度下都在不断地下都在不断地向外辐射各种波长的电磁波向外辐射各种波长的电磁波的现象称为的现象称为热辐射热辐射。1、热辐射、热辐射逐渐升温逐渐升温T不同，辐射能量集中的波长范围不同不同，辐射能量集中的波长范围不同一、热辐射一、热辐射 Heat Radiation2 2、描述热辐射的物理量描述热辐射的物理量1 1）单色辐出度）单色辐出度 M (T)2 2）辐出度）辐出度 M(T)ddMTM)(dTMTM0)()(,dMd 间隔，辐射能 在一定温度在一定温度 T 下下，单位时间单位时间内，从物体表面内，从物体表面单位面积单位面积上辐射出的上辐射出的单位波长单位波长间隔内的能量。间隔内的能量。在一定温度在一定温度 T 下下，单位时间单位时间内，从物体表面内，从物体表面单位面积单位面积上发出的上发出的所有波长所有波长的电磁波的总能量。的电磁波的总能量。),(),(TMTM一、热辐射一、热辐射 Heat Radiation2 2、描述热辐射的物理量描述热辐射的物理量反Q入Q吸Q透Q单色吸收比单色吸收比 (T)：在波长在波长 到到 范围内吸收的范围内吸收的能量与入射的能量之比。能量与入射的能量之比。d单色反射比单色反射比 r(T)：对于不透明物体：对于不透明物体：(T)+r(T)=13 3）单色吸收比单色吸收比和和单色反射比单色反射比 在波长在波长 到到 范围内反射的范围内反射的能量与入射的能量之比。能量与入射的能量之比。d二、绝对黑体和黑体辐射的基本规律二、绝对黑体和黑体辐射的基本规律1 1、绝对黑体绝对黑体 Black Body不不透透明明物物体体入射的各种波长辐射能入射的各种波长辐射能反射的辐射能反射的辐射能吸收的辐射能吸收的辐射能发射各种波长发射各种波长的热辐射能的热辐射能绝对黑体绝对黑体单色吸收比单色吸收比：(T)=1不不透透明明物物体体入射的各种波长辐射能入射的各种波长辐射能能全部吸收入射能全部吸收入射各种波长的辐射能各种波长的辐射能无任何反射无任何反射发射各种波长发射各种波长 的辐射能的辐射能绝对黑体是理想模型绝对黑体是理想模型 重要理论模型重要理论模型能能完全吸收各种波长电磁波完全吸收各种波长电磁波而而无反射和透射无反射和透射的物体的物体称为称为绝对黑体绝对黑体，简称，简称黑体黑体。二、绝对黑体和黑体辐射的基本规律二、绝对黑体和黑体辐射的基本规律1 1、绝对黑体绝对黑体 Black Body不透明空腔不透明空腔开一小孔开一小孔对空腔加热对空腔加热至某热平衡温度至某热平衡温度T绝对黑体绝对黑体单色吸收比单色吸收比：(T)=1绝对黑体是理想模型绝对黑体是理想模型 重要理论模型重要理论模型能能完全吸收各种波长电磁波完全吸收各种波长电磁波而而无反射和透射无反射和透射的物体的物体称为称为绝对黑体绝对黑体，简称，简称黑体黑体。二、绝对黑体和黑体辐射的基本规律二、绝对黑体和黑体辐射的基本规律1 1、绝对黑体绝对黑体 Black Body绝对黑体绝对黑体单色吸收比单色吸收比：(T)=1绝对黑体是理想模型绝对黑体是理想模型 重要理论模型重要理论模型能能完全吸收各种波长电磁波完全吸收各种波长电磁波而而无反射和透射无反射和透射的物体的物体称为称为绝对黑体绝对黑体，简称，简称黑体黑体。向远处观察向远处观察打开的窗子打开的窗子近似黑体近似黑体二、绝对黑体和黑体辐射的基本规律二、绝对黑体和黑体辐射的基本规律2 2、基尔霍夫定律基尔霍夫定律 Kirchhoffs Law 在在同一温度同一温度 T 下，任何物体下，任何物体单色辐出度单色辐出度 M(T)和和单色吸单色吸收比收比(T)之比值都相等，等于之比值都相等，等于该温度该温度 T 下的的绝对黑体绝对黑体对同一对同一波长的单色辐出度波长的单色辐出度MB(T),即：即：)()()()()(B2211TMTTMTTM 1859年，德国物理学家基尔霍夫根据封闭容器内几个物年，德国物理学家基尔霍夫根据封闭容器内几个物体处于热平衡时的特征，得出：体处于热平衡时的特征，得出：表明：表明：2 2）好的吸收体也是好的辐射体）好的吸收体也是好的辐射体;3 3）黑体是完全的吸收体因此也是理想的辐射体。）黑体是完全的吸收体因此也是理想的辐射体。确定黑体的单色辐出度成为研究热辐射的中心问题。确定黑体的单色辐出度成为研究热辐射的中心问题。1 1）若）若MB(T)已知，则：已知，则：)()()(BTMTTMii二、绝对黑体和黑体辐射的基本规律二、绝对黑体和黑体辐射的基本规律3 3、黑体辐射的实验定律黑体辐射的实验定律黑体的单色辐出度黑体的单色辐出度0)(BTM2 0 0 0 K1 7 5 0 K1 5 0 0 K实验实验规律：规律：MB (T)2000K1750K1500K1000K2)2)维恩位移定律维恩位移定律T m=bb=2.89775610-3 mK1)1)斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律M(T)=T 4 =5.67 10-8 W/m2K4 m二、绝对黑体和黑体辐射的基本规律二、绝对黑体和黑体辐射的基本规律3 3、黑体辐射的实验定律黑体辐射的实验定律18791879年，斯特藩实验总结出、年，斯特藩实验总结出、18841884年年玻耳兹曼由经典理论导出黑体辐出度玻耳兹曼由经典理论导出黑体辐出度与温度的关系：与温度的关系：能谱分布曲线的峰值对能谱分布曲线的峰值对应的波长应的波长 m与温度与温度T的的乘积为一常量乘积为一常量.二、绝对黑体和黑体辐射的基本规律二、绝对黑体和黑体辐射的基本规律3 3、黑体辐射的实验定律黑体辐射的实验定律重要应用：红外传感温度仪、夜视仪（军事、侦察）、报警器、重要应用：红外传感温度仪、夜视仪（军事、侦察）、报警器、卫星遥感仪、导弹寻踪传感仪卫星遥感仪、导弹寻踪传感仪1）炉温的测量）炉温的测量2）地球辐射的电磁波、太阳温度的测量）地球辐射的电磁波、太阳温度的测量3）遥感的利用：进行资源、植被、地质等的测量）遥感的利用：进行资源、植被、地质等的测量例：例：地球的表面温度约为地球的表面温度约为300K，算得，算得m约为约为10m,处在红外处在红外 波段。由于红外线不被大气所吸收，所以利用遥感技术可波段。由于红外线不被大气所吸收，所以利用遥感技术可 对地球的表面进行遥测，分析植被、地质等信息。对地球的表面进行遥测，分析植被、地质等信息。以上两定律的应用以上两定律的应用二、绝对黑体和黑体辐射的基本规律二、绝对黑体和黑体辐射的基本规律3 3、黑体辐射的实验定律黑体辐射的实验定律 1965年，年，3K微波背微波背景辐射景辐射的发现，是大爆的发现，是大爆炸理论的有力论据。两炸理论的有力论据。两位发现者：位发现者：彭齐亚斯彭齐亚斯和和威尔逊威尔逊因此获得了因此获得了1978年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。1989年，利用卫星年，利用卫星(COBE，Cosmic Background Explorer)进一步测得了进一步测得了宇宙背景温度为：宇宙背景温度为：T=2.726K以上两定律的应用以上两定律的应用解：解：例例15-1:1）温度为温度为 的黑体，其单色辐出度的峰值所对应的波长是多少？的黑体，其单色辐出度的峰值所对应的波长是多少？2)太阳的单色辐出度的峰值波长太阳的单色辐出度的峰值波长 ，估算太阳表面的温度，估算太阳表面的温度.3）以上两辐出度之比为多少？以上两辐出度之比为多少？C20nm 483m1mTb由维恩位移定律：由维恩位移定律：2）m2bT 1）T m=b 由斯特藩由斯特藩-玻耳兹曼定律：玻耳兹曼定律：3）M(T)=T 45412121076.1)()(TTTMTMnm 890 929310898.23K 000 6K1048310898.293 例例15-2:在加热黑体的过程中，其单色辐出度的峰值波长由在加热黑体的过程中，其单色辐出度的峰值波长由0.69m变化变化 到到0.50m，求辐出度改变为原来的多少倍？，求辐出度改变为原来的多少倍？解：解：维恩位移定律：维恩位移定律：T m=b 斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律：玻耳兹曼定律：M(T)=T 441212)()(TTTMTM421mm62.3m0.50m0.694三、经典物理遇到的困难三、经典物理遇到的困难1 1、维恩公式维恩公式(1896)(1896)黑体辐射的理论研究涉及热力学、统计物理学和电磁学，因而黑体辐射的理论研究涉及热力学、统计物理学和电磁学，因而成为成为19世纪末物理学家研究的中心问题之一。世纪末物理学家研究的中心问题之一。BM 许多物理学家都企图从经典理论导出黑体的单色辐出度的理论许多物理学家都企图从经典理论导出黑体的单色辐出度的理论公式，但始终得不到满意的结果。公式，但始终得不到满意的结果。TCBeCTM251)(短波方向与实验符合较好，短波方向与实验符合较好，在长波范围内与实验不符在长波范围内与实验不符三、经典物理遇到的困难三、经典物理遇到的困难2 2、瑞利瑞利金斯公式金斯公式 (