大学物理量子物理1.ppt

第十五章 量子物理 * 十九世纪末，经典物理已发展的相当完善，物理学家认为，物理学的基本规律已经被完全揭示出来，“未来的物理学真理将不得不在小数点后第六位去寻找”。但迈克耳逊实验，黑体辐射的紫外灾难等，接二连三冲击经典物理，并由此产生了相对论、量子物理，开创了物理学中一场深刻革命。 （第一讲） 作业：P390 15-9 15-10 15-11 15-12 15-1 黑体辐射 普朗克能量子假设 一、黑体、黑体辐射 任何物体在任何温度下都向外辐射电磁波。 辐射具有连续的辐射能谱： T2 ?：紫外?红外 研究内容：辐射能与辐射体温度关系。 (2) 辐射体 T ? ，辐射波从长波向短波移。 ? E 0 T1 (1) 辐射体 T ? ，单位时间辐射出的能量? 。 T3 物体在辐射的同时，也从周围吸收电磁波。 若物体辐射的能量等于吸收的能量，物体的温度保持不变。 ——平衡热辐射 电荷电量是量子化的，一切微观带电粒子的电荷量只能是电子电量的整数倍。但这并未引起人们的足够重视，先验地认为，微观世界能量等物理量是连续的，直到普朗克提出能量子的概念。 物体通过辐射和吸收过程与辐射场交换能量，最后达到平衡。 实验表明： 1．单色辐出度M? 在单位时间内,从物体表面单位面积上所发射的波长在?～?+d? 内的辐射能dM? ? d? 定义： ? M?(T) 0 T T′ M?——M?(T) 、 M (? ,T) ——物体在单位时间内、从单位表面积上、在?附近每单位波长间隔内的辐射能。 单位：W/m3 2．辐出度M(T) 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。 (15-1) ? ?+d? —曲线下的总面积。 单位：W/m2 描述辐射的变量： 理想模型绝对黑体： 在任何T下，对入射的任何?的辐射能，均有 ?B(?,T)=1 rB(?,T)=0 (全吸收) (不反射) 说明： 1) 绝对黑体是一个理想模型。 设吸收系数为?， 初始能量为W 经n次反射， 辐射出能量为 (1??)n W n?? W(1??)n ?0 可视小孔为绝对黑体。 2) 研究绝对黑体的意义。 隔绝了反射。不同材料组成的黑体，在相同温度下，辐射能按波长的分布规律都相同。 由黑体的辐射规律 ? 一般物体热辐射的大致规律。 不同物体在一定频率(波长)范围内辐射、吸收电磁波的能力不同。 实验及理论分析：每一物体的辐射本领与吸收本领成正比，比值只与? （?） 、? 有关，与材料无关。?? 基尔霍夫定律(1859) 物体吸收的辐射能量占全部入射辐射能的份额??吸收比(系数) ? 同理有反射比(系数) r 二．黑体辐射实验定律 ?绝对黑体的能谱曲线 实验装置： 黑体 A L1 B1 B2 G C 1．固定温度T=1500 K M?0(T) 0 ? ?m 2) 1) M?(T) 随?变。 M?(T)d?=dM? 曲线下总“面积” ? dM? =M(T) 2．改变温度 T1=1800K T2=2000K 1) T?，曲线下“面积”增大， ? M(T) ? 2) T?，曲线顶点左移，?辐射峰值波长?m? P 1．斯忒藩-玻尔兹曼定律 M?(T) 0 ? ?m 实验测得： =?T 4 (15-2) ? =5.67?10?8W·m-2 K-4 2．维恩位移定律 实验测得： T?m =b (15-3) b=2.897?10?3 m·K 辐射体温度越高，最强辐射的波长越短。 例1.若把工作时的白炽灯看成黑体，一个发光功率为100W的灯泡，灯丝表面积为0.53cm2，其温度为多少？ 解： 辐出度 ——单位表面积发出的功率 (W/m2 ) =??=1.89?106W·m?2 =??=2.40?103K M(T) =（ ? dM?） 二．黑体辐射实验定律 例2．实验测得太阳辐射波谱的?m= 490nm,若把太阳视为黑体,试计算(1)太阳每单位表面积所发射的功率,(2)地球表面阳光直射的单位面积接受的辐射功率,(3)地球每秒内接受的太阳辐射能.(已知太阳半径为RS =6.96?108m，地球半径RE=6.37?106m，地球到太阳的距离为d =1.496?1011m) 解：(1) 由维恩位移定律，得太阳表面温度 =??=5.8?103K (内部～1.5?107K) 太阳单位表面积发出的辐射功率 M0=?T4 =??=6.87?107 W/m2 太阳发出辐射的总功率 =??= 4.2?1026 W (2)地球单位面积接受到的辐射功率 =??=1.49?103 W/m2 (3)地球接受到的总辐射功率 =??=1.90?1017 W 相当于大约二亿座106千瓦的大型火力发电厂发出的电功率。 一个氚和一个氘可聚变成一个氦核 和一个中子 氚和氘