1、 19世紀末頁，牛頓定律在各個領域里都取得了世紀末頁，牛頓定律在各個領域里都取得了很大的成功：在機械運動方面不用說，在分子物很大的成功：在機械運動方面不用說，在分子物理方面，成功地解釋了溫度、壓強、氣體的內能。理方面，成功地解釋了溫度、壓強、氣體的內能。第四章第四章 奇妙的有色和無色世界奇妙的有色和無色世界 光與物質的相互作用光與物質的相互作用引言：引言： 在電磁學方面，建立了一個能推斷一切電磁在電磁學方面，建立了一個能推斷一切電磁現象的現象的 Maxwell方程。方程。 另外還找到了力、電、光、聲另外還找到了力、電、光、聲-等都遵循的規等都遵循的規律律-能量轉化與守恒定律。能量轉化與守恒定律

2、。 當時許多物理學家都沉醉于這些成績和勝利之當時許多物理學家都沉醉于這些成績和勝利之中。他們認為物理學已經發展到頭了。中。他們認為物理學已經發展到頭了。于是于是1900年英國物理學家開爾文在瞻望年英國物理學家開爾文在瞻望20世紀物世紀物理學的發展的文章中說到：理學的發展的文章中說到：也就是說：物理學已經沒有什么新東西了，后也就是說：物理學已經沒有什么新東西了，后一輩只要把做過的實驗再做一做，在實驗數據一輩只要把做過的實驗再做一做，在實驗數據的小數點后面在加幾位罷了！的小數點后面在加幾位罷了！ 但開爾文畢盡是一位重視現實和有眼力的科但開爾文畢盡是一位重視現實和有眼力的科學家，就在上面提到的文章中

3、他還講到：學家，就在上面提到的文章中他還講到： “在已經基本建成的科學大廈中，在已經基本建成的科學大廈中，后輩的物理學家只要做一些零碎后輩的物理學家只要做一些零碎的修補工作就行了。的修補工作就行了。” -開爾文開爾文-黑體輻射實驗黑體輻射實驗邁克爾遜邁克爾遜-莫雷實驗莫雷實驗后來的事實證明，正是這兩朵烏云發展成為后來的事實證明，正是這兩朵烏云發展成為一埸革命的風暴，烏云落地化為一埸春雨，一埸革命的風暴，烏云落地化為一埸春雨，澆灌著兩朵鮮花。澆灌著兩朵鮮花。 “在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵令在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵令人不安的烏云，人不安的烏云，-”普朗克量子力學的誕生普朗克量子力學的

4、誕生相對論問世相對論問世經典力學經典力學量子力學量子力學相對論相對論微觀領域微觀領域高速領域高速領域一、一、 熱輻射熱輻射 物體在任一溫度下發射從紅外線、可見光到物體在任一溫度下發射從紅外線、可見光到紫外線的現象。紫外線的現象。火火爐爐600度度1000度度400度度因輻射與溫度有因輻射與溫度有關，故稱熱輻射關，故稱熱輻射4-0 黑體輻射黑體輻射乾乾隆隆通通寶寶乾乾隆隆通通寶寶乾乾隆隆通通寶寶火火爐爐1000度度1）從經典物理學看來）從經典物理學看來熱輻射過程的實質是熱輻射過程的實質是 物質物質 以電磁波的形式向外輻射能量的過程。其輻以電磁波的形式向外輻射能量的過程。其輻 射的能量稱之為射的能

5、量稱之為輻射能輻射能。2）熱輻射有平衡熱輻射與非平衡熱輻射：）熱輻射有平衡熱輻射與非平衡熱輻射：當物體因輻射而失去的能量等于從外界吸收當物體因輻射而失去的能量等于從外界吸收的輻射能時，這時物體的狀態可用一確定的的輻射能時，這時物體的狀態可用一確定的溫度來描述，這種熱輻射稱為溫度來描述，這種熱輻射稱為平衡熱輻射平衡熱輻射。反之稱為反之稱為非平衡非平衡 熱輻射熱輻射。1、注意：、注意：2、單色輻出度、輻射出射度、單色吸收率、單、單色輻出度、輻射出射度、單色吸收率、單 色反射率色反射率實驗表明：物體輻射能多少決定于物體的溫度實驗表明：物體輻射能多少決定于物體的溫度（T）、輻射的波長、時間的長短、發射

6、的面積）、輻射的波長、時間的長短、發射的面積1）單色輻出度）單色輻出度（單色發射本領）（單色發射本領）單位時間內，溫度為單位時間內，溫度為T的物體上單位面積上發的物體上單位面積上發射波長在射波長在 +d 范圍內的輻射能范圍內的輻射能dE 與波長與波長間隔間隔d 比值，用比值，用e( ,T)表示。表示。光源光源S=1顯然，它是波長和溫度的函數顯然，它是波長和溫度的函數2）輻射出射度（總發射本領）輻射出射度（總發射本領）單位時間內從物體單位面積上所輻射的各種單位時間內從物體單位面積上所輻射的各種波長的總的輻射能，用波長的總的輻射能，用E（T）表示。）表示。),(TdEd).(3mWdTdETe),

7、(),(光源光源S=1顯然，它是溫度的函數顯然，它是溫度的函數實驗表明實驗表明:吸收與反射吸收與反射的能量與的能量與物體溫度物體溫度有有關、與輻射能的關、與輻射能的波長波長范圍范圍有關有關.3)單色吸收率單色吸收率 單色反射率單色反射率)(TE不透明介質不透明介質E吸吸吸收吸收E入入射射入入射射E反反反反).(2mW0),()(dTeTE定義：定義：一束波長為一束波長為+，強度為強度為E入入的電磁輻射入射到溫的電磁輻射入射到溫度為度為T的物體上時，若反射光的的物體上時，若反射光的強度為強度為E反反( ,T)，吸收光的強度，吸收光的強度為為E吸吸（ ，T），則定義：，則定義：單色吸收率：單色吸收

8、率：單色反射率：單色反射率：),(),(),(TETET入吸）（）（）（入反TETETr,顯然，對不透明的物體：顯然，對不透明的物體：），（），（），（吸反入TETETE不透明介質不透明介質E吸吸吸收吸收E入入射射入入射射E反反反反1),(),(TT同除同除E入入（ ，T ）：）：二、二、 黑體（黑體（black body）在任何溫度、對于任何波長的輻射的吸收率均在任何溫度、對于任何波長的輻射的吸收率均為為1的物體，稱之為黑體。的物體，稱之為黑體。注意：注意：1）黑體是對入射的輻射能全部吸收（不）黑體是對入射的輻射能全部吸收（不 管什么波長）的物體，也不反射。因管什么波長）的物體，也不反射。因

9、 此當其自身的熱輻射很弱時，看上去此當其自身的熱輻射很弱時，看上去 是黑洞洞的。是黑洞洞的。1B0),( TB 2）黑體是理想化的模型，實際中的物體的吸收率）黑體是理想化的模型，實際中的物體的吸收率 總是小于總是小于1。拋光的銅鏡表面：拋光的銅鏡表面：一般金屬表面：一般金屬表面：煤煙：煤煙：02. 08 . 06 . 098. 095. 03）一個開有小孔的內表面粗糙的空腔可近似看成）一個開有小孔的內表面粗糙的空腔可近似看成 理想的黑體。理想的黑體。如遠處不點燈如遠處不點燈的建筑物的建筑物若室內點燈若室內點燈（自身輻射不很弱）（自身輻射不很弱）絕熱恒溫體絕熱恒溫體三、基爾霍夫定律（三、基爾霍夫

10、定律（Kirchhoffs Law）T=C一個實驗一個實驗M1M2B真空真空N個不同的物體置于一絕熱個不同的物體置于一絕熱恒溫體內，經過熱輻射交換恒溫體內，經過熱輻射交換能量，達到熱平衡態能量，達到熱平衡態-物體物體與容器具有相同溫度且保持與容器具有相同溫度且保持不變。不變。 但不同物體的輻射出射度但不同物體的輻射出射度是不同的，即每個物體單位是不同的，即每個物體單位時間、單位面積輻射的能量時間、單位面積輻射的能量 要維持溫度不變，則要維持溫度不變，則物體吸收的輻射能必須等于物體吸收的輻射能必須等于輻射出去的能量輻射出去的能量是不同的。因此要維持平衡熱輻射，只有輻射能是不同的。因此要維持平衡熱

11、輻射，只有輻射能量較多的物體吸收能量也多，反之亦然。量較多的物體吸收能量也多，反之亦然。基爾霍夫定律（基爾霍夫定律（Kirchhoffs Law） 在同樣的溫度下，各種不同在同樣的溫度下，各種不同的物體對相同波長的單色輻出的物體對相同波長的單色輻出度與單色吸收率之比值都相等度與單色吸收率之比值都相等，且等于在該溫度下黑體對同，且等于在該溫度下黑體對同一波長的單色輻出度。一波長的單色輻出度。),(TB),(TeB為黑體的單色輻出度為黑體的單色輻出度為黑體的單色吸收率為黑體的單色吸收率其中：其中：物理含義：好的吸收體也是好的輻射體。物理含義：好的吸收體也是好的輻射體。絕熱恒溫體絕熱恒溫體M1M2B

12、真空真空T=C),(),(),(),(),(),(),(2211TeTTeTTeTTeBBB研究熱輻射的中心問題是研究黑體的輻射問題研究熱輻射的中心問題是研究黑體的輻射問題四、黑體輻射的實驗研究四、黑體輻射的實驗研究1、實驗裝置、實驗裝置AL1BPL2C黑體黑體準直系統準直系統三棱鏡三棱鏡測量系統測量系統2、黑體輻射的規律、黑體輻射的規律1.02.03.0 4.05.0203010405060 (nm).)(,(11mcmwTeB2200K2000K1800K1600K1）斯忒蕃）斯忒蕃-玻爾茲曼玻爾茲曼 定律：黑體輻射出定律：黑體輻射出 射度與絕對溫度有射度與絕對溫度有 如下關系：如下關系：

13、4)(TTEBmKw/1067. 58斯忒蕃斯忒蕃-玻爾茲曼常數玻爾茲曼常數含義：它說明對于黑體，溫度越高，輻出度含義：它說明對于黑體，溫度越高，輻出度 EB(T)越大且隨越大且隨T增高而迅速增大。增高而迅速增大。2)維恩位移定律：黑體維恩位移定律：黑體 溫度增高時，其單色溫度增高時，其單色 輻出度的峰值波長向輻出度的峰值波長向 短波方向傳播，且有短波方向傳播，且有 如下關系：如下關系：bTmKmb.10898. 23m峰值波長峰值波長T：絕對溫度：絕對溫度火火爐爐1000度度2000度度800度度爐火純青爐火純青注意：注意：1）以上兩規律只適用于黑體，對非黑體只）以上兩規律只適用于黑體，對非

14、黑體只 近似成立。近似成立。1.02.03.0 4.05.0203010405060 (nm).)(,(11mcmwTeB2200K2000K1800K1600K2）熱輻射規律在現代技術中有廣泛的應用）熱輻射規律在現代技術中有廣泛的應用 -高溫測量、遙感、遙測、紅外跟蹤等。高溫測量、遙感、遙測、紅外跟蹤等。例：例：太陽可以看成黑體，地球上測出其峰值波長太陽可以看成黑體，地球上測出其峰值波長為為 m m=5100=5100，則其表面溫度和輻出度為多少？，則其表面溫度和輻出度為多少？由由bTm)(570010510010898. 2103KbTm484)5700(1067. 5)(TTE27/10

15、00. 6mw解：解：五、熱輻射的理論解釋、普朗克量子假說五、熱輻射的理論解釋、普朗克量子假說 當時經典力學占統治地位，人們自然用經典力當時經典力學占統治地位，人們自然用經典力學理論來解釋熱輻射并建立了兩個公式：學理論來解釋熱輻射并建立了兩個公式：1、維恩公式（、維恩公式（Wiens formula）1896年德國維恩（年德國維恩（Wien）從熱力學普遍理論）從熱力學普遍理論出發，將黑體諧振子能量按頻率分布類同于出發，將黑體諧振子能量按頻率分布類同于Maxwell速度分布，由經典理論導出以下公式速度分布，由經典理論導出以下公式TcBecTe251),(維恩公式維恩公式C1、C2須用實驗確定。須

16、用實驗確定。此公式在長波方面此公式在長波方面與實驗數據不符。與實驗數據不符。1.02.03.04.05.06.07.08.09.0),(TeB (nm).(11mcmw1.02.03.04.05.06.07.08.09.0),(TeB (nm).(11mcmw2瑞利瑞利瓊斯公式（瓊斯公式（Rayleigh-jeans formula）1900年瑞利年瑞利-瓊斯利用經典電動力學和統計力學瓊斯利用經典電動力學和統計力學（將固體當作諧振子且能量按自由度均分原則及（將固體當作諧振子且能量按自由度均分原則及電磁輻射理論）得到一個公式：電磁輻射理論）得到一個公式：C為光速為光速K=1.380658 10-

17、23J/K波爾茲曼常數波爾茲曼常數 此公式在短波區此公式在短波區域明顯與實驗不符，域明顯與實驗不符，而理論上卻找不出而理論上卻找不出錯誤錯誤-“紫外線災紫外線災難難” ,像烏云遮住了像烏云遮住了物理學睛朗的天空。物理學睛朗的天空。 熱輻射熱輻射實實 驗驗42),(CKTTeB112),(52TkhCBehCTe3、普朗克公式（、普朗克公式（Plancks formula）11252kThehCC為光速為光速k波爾茲曼常數波爾茲曼常數e為自然對數底為自然對數底h=6.63 10-34js稱為普朗克恒量稱為普朗克恒量該公式與實驗數據符合得很好！該公式與實驗數據符合得很好！),(TeB (n m)1

18、.02.0 3.04.0 5.0 6.07.0 8.0 9.0).(11mcmw112),(52TkhCBehCTe討論：討論：1）當）當h kT（高頻段）（高頻段）1TkhCTkhCBehCTe522),(TCBecTe251),(維恩公式維恩公式khCc2212 hcc令：令：2）當）當h kT（低頻段）（低頻段）1TkhCTkhChCTeB/2),(5242),(CkTTeB瑞利瑞利瓊斯公式瓊斯公式普朗克注意到在過去的理論中，把黑普朗克注意到在過去的理論中，把黑體中的原子和分子都看成可以吸收體中的原子和分子都看成可以吸收 或或輻射電磁波的諧振子，且電磁波與諧輻射電磁波的諧振子，且電磁波與

19、諧振子交換能量時可以以任一大小的分振子交換能量時可以以任一大小的分額進行，（從額進行，（從0到到 大）。普朗克當時大）。普朗克當時大膽地放棄了這一概念，提出了能量大膽地放棄了這一概念，提出了能量的吸收與輻射只能按不連續的一份一份能量進行。的吸收與輻射只能按不連續的一份一份能量進行。具體講：輻射物體是由一些線性諧振子組成，對具體講：輻射物體是由一些線性諧振子組成，對頻率為頻率為 的諧振子，它具有的最小能量是的諧振子，它具有的最小能量是h ，諧振，諧振子具有子具有的其它能量值是的其它能量值是h 的整數倍，因此它吸收的整數倍，因此它吸收與輻射的能量也只能是與輻射的能量也只能是h 的整數倍。即能量只能是：的整數倍。即能量只能是：hh2h3 輻射黑體是由帶電諧振子組成，這些諧振子輻輻射黑體是由帶電諧振子組成，這些諧振子輻射電磁波并和周圍電磁場交換能量，但這些諧振射電磁波并和周圍電磁場交換能量，但這些諧振子只能處于某些特殊的狀態。它們的能量只能是子只能處于某些特殊的狀態。它們的能量只能是某些能量子某些能量子 的整數倍。的整數倍。nEnh3.2.1nsjh341063. 6 為為諧振諧振子頻率子頻率普朗克量子假設：普朗克量子假設：量子數量子數注意：普朗克這一思想是完全背離經典物理，并注意：普朗克這一思想是完全背離經典物理，并受到當