吉林大学光电子学(二)chp1-4.ppt

* §1－4 黑体辐射 第一章 光与物质相互作用基础 绝对黑体： 在任何温度下都能把照到其上的任何频率的辐射完全吸收（吸收比都等于1)的物体，简称黑体.研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。 空腔辐射体 一个带小孔的空腔可视为黑体。它几乎完全吸收入射幅射。通过小孔进去的光线碰到内表面时部分吸收，部分漫反射，反射光线再次被部分吸收和部分漫反射……，只有很小部分入射光有机会再从小孔中出来。 一、空腔热辐射 实验曲线 绝对黑体的辐出度按波长分布曲线 将一个空腔的腔壁加热，使其保持一恒定的温度T; 小孔射出的辐射相当于从面积等于小孔孔面，温度为T的绝对黑体表面所射出; 把各种辐射波长的单色辐出度记录下来，就能得出绝对黑体的单色辐出度按波长的分布情况。 黑体的辐出度与黑体的绝对温度四次方成正比： 1、 斯特藩-玻耳兹曼定律 根据实验得出黑体辐射的三条定律： 热辐射的功率随着温度的升高而迅速增加。 斯特藩常数 对于给定温度T ，黑体的单色辐出度有一最大值,其对应波长为 。 热辐射的峰值波长随着温度的增加而向着短波方向移动。 2、 维恩位移定律 3、绝对黑体辐射出射度分布曲线的峰值定律 辐射出射度的峰值与绝对温度的5次方成正比。 如何从理论上找到符合实验曲线的函数式 1、维恩经验公式 实验曲线波长短处符合得很好， 但在波长很长处与实验曲线相差较大。 2、瑞利--金斯经验公式 这个公式在波长很长处与实验曲线比较相近，但在短波区，按此公式，能量将随波长趋向于零而趋向无穷大的荒谬结果，即“紫外灾难”。 维恩公式和瑞利-金斯公式都是用经典物理学的方法来研究热辐射所得的结果，都与实验结果不符，明显地暴露了经典物理学的缺陷。 1911年，奥地利物理学家埃伦费斯特用 “紫外灾难”来形容经典理论的困境。 二十世纪末，物理学晴朗天空中的两朵乌云 第一朵乌云—— 迈克耳逊－莫雷实验与“以太”说破灭 最终导致了相对论的诞生 第二朵乌云——黑体辐射与“紫外灾难” 它使物理学家们最终建立了量子力学 这两朵乌云的存在，正在开始动摇经典物理学的基础，从而引发物理学史上一场伟大的革命． 开尔文在一次演讲中说道：“动力学理论断言，热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了……(The beauty and clearness of the dynamical theory, which asserts heat and light to be modes of motion, is at present obscured by two clouds)” 量子力学之父 马克斯-卡尔-恩斯特-路德维希-普朗克 为了解释黑体辐射现象，他提出粒子能量永远是 h? 的整数倍，? = n h? ，其中?是辐射频率，h为新的物理常数，后人称为普朗克常数(h=6.626×10-34 J·s) (１９００年１２月１４日 ) ； 这一创造性的工作使他成为量子理论的奠基者，在物理学发展史上具有划时代的意义； 他第一次提出辐射能量的不连续性，著名科学家爱因斯坦接受并补充了这一理论，以此发展自己的相对论，波尔也曾用这一理论解释原子结构。 虽然他对此理论后来的发展没有起什么作用，但他所做的起始突破非常重要，使人们在思想上摆脱了先前的错误概念。他因发现能量量子而对物理学的进展做出了重要贡献，获得1918年诺贝尔物理学奖。 The Nobel Prize in Physics 1918 for their theories, developed independently, concerning the course of chemical reactions Max Karl Ernst Ludwig Planck  Germany  Berlin University Berlin, Germany 1858 - 1947 普朗克 *