第16章量子1要点分析.ppt

第16章 量子物理基础 大学物理A教案 第16章 量子物理基础 第6篇 近代物理基础 (量子1) 量子力学是近代物理理论体系的两大支柱之一，是研究物质微观结构、相互作用、运动和转化规律的学科。 量子物理的发展经历了旧量子论和量子力学两个阶段 旧量子论发展的三个标志： 1900年 普朗克提出能量子假设，成功解释了黑体辐射的问题。 1905年 爱因斯坦提出光量子假设，成功解释了光电效应。 1913年 玻尔提出氢原子理论，建立了量子化定态的概念和定态之间跃迁的频率法则，成功解释了氢原子光谱的规律性。 量子力学的诞生： 1924年 德布罗意提出物质波假设，指出实物粒子也有波粒二象性，在物质波的基础上，薛定谔、海森伯建立了波动力学即量子力学。从而导致了近代量子物理的诞生和发展。 量子力学的基本概念、规律和方法与经典物理截然不同。本篇介绍有关量子力学的基本知识。 康普顿散射进一步证实了光的波粒二象性。 1、热辐射 根据经典电磁理论，带电粒子的加速运动将向外辐射电磁波。 一切物体都以电磁波的形式向外辐射能量（辐射能）。 §16.1 量子概念的诞生 热辐射和普朗 克量子假设 火 炉 600度 1000度 400度 一定时间内，辐射能的多少，以及辐射能按波长的分布都与温度有关，故称这种辐射为热辐射。 例如加热一个物体，开始时物体是暗淡的，温度升高，物体的颜色将由红变黄，再由黄变白，温度极高时，变为青白色。 物体辐射的总能也随温度的升高而增加。 * 单色辐出度（单色发射本领） 单色辐出度 若在单位时间内从物体表面单位面积上辐射的、波长 在λ → 范围内的能量为 ，则 * 辐出度(总辐射能） W/m2 单位时间内从物体表面单位面积上所辐射的各种波长的总辐射能量（单位面积上的辐射功率），称为该物体的 辐出度 , 用 E表示。 2、描述热辐射的物理量 与物体的温度和所取定的波长都有关，是 和T的函数。 单色辐出度反映了在不同温度下辐射能按波长分布的情况。 w/m3 物体辐射能量的同时，也吸收周围其它物体的辐射能量。为了描写物体的吸收和反射能力, 还有“吸收率”和“反射率”的概念,它们都是温度和波长的函数。 很多物体都具有选择性吸收的特性，即对某些波长的电磁辐射吸收本领特别大，对于不透明的物体，单色吸收率和单色反射率的总和等于1。 黑体模型 有一类物体，能全部吸收所有波长的入射辐射能，即无反射，吸收率为 1 。这类物体称为“黑体” 黑体的例子： （1）建筑物的窗口 （2）冶炼炉上开的小孔 注意：黑体是一种理想模型，类似质点、刚体、理想气体等模型一样。 3、黑体辐射的实验定律 利用黑体模型（开有小孔的空腔），用实验方法可以测出黑体的单色辐出度随波长变化的关系 实验装置图： A L1 B P L2 C 黑体 准直系统 三棱镜 测量系统 从黑体A的小孔上发出的辐射，经透镜和平行光管成为平行光束而入射于棱镜P上，不同波长的射线有不同的偏向角，平行光管L2对准某一方向，这一方向的射线将聚焦在热电偶C上，因而可测出这一波长射线的功率（单位时间入射于热电偶的能量）调节测量系统的方向，即可测出不同波长的功率。 （1） 斯忒潘 （Stefan)— 波尔兹曼(Boltzmann)定律 温度升高，面积迅速增大。 斯忒藩常量 分析曲线得出两条实验规律： 0 1 2 3 4 5 1700K 1500K 1300K 1100K 每条曲线下的面积等于黑体在该温度下的总辐射能 实验结果 每条曲线反映了在一定温度下，黑体的单色辐出度随波长分布的情况。 （1） 斯忒潘 — 波尔兹曼定律 （2） 维恩位移定律 维恩常量 0 1 2 3 4 5 1700K 1500K 1300K 1100K 每条曲线的峰值叫最大单色辐射强度，与峰值对应的波长用 表示。 向短波方向移动， 与T 的关系 这两个定律反映出热辐射的量值随温度的升高而迅速增加,而且热辐射的峰值波长也随温度的升高而向短波方向移动。 热辐射的规律在现代科学技术上的应用很广泛，它是测高温、遥感、红外追踪等技术的物理基础。 例1 实验测得太阳辐射谱的峰值波长为 490nm ，将太阳视为黑体，试计算太阳的辐射功率和地球每秒内接收到的太阳能。（已知太阳半径 R = 6.96×108 m ，地球半径 r = 6.37×106 m ，日地距离 d = 1.496×1011 m ） 解 由维恩位移定律计算太阳表面温度 由斯忒潘 — 波尔兹曼定律得 太阳辐射