普朗克定律.ppt
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1、黑体辐射实验黑体辐射实验 大学物理实验大学物理实验 一、实验目的一、实验目的一、实验目的一、实验目的 1、了解和掌握黑体辐射的光谱分布、了解和掌握黑体辐射的光谱分布普朗克辐射普朗克辐射 定律定律 2 2、了解和掌握黑体辐射的积分辐射、了解和掌握黑体辐射的积分辐射斯忒藩玻尔斯忒藩玻尔 兹曼定律兹曼定律 3、了解和掌握维恩位移定律、了解和掌握维恩位移定律 难点:通过实验掌握黑体辐射的光谱分布规律难点:通过实验掌握黑体辐射的光谱分布规律 重点:重点:WGH10黑体实验仪的原理和使用方法黑体实验仪的原理和使用方法 固体或液体,在任何温度下都在发射各种波长固体或液体,在任何温度下都在发射各种波长的电磁波
2、,这种由于物体中的分子、原子受到激发的电磁波,这种由于物体中的分子、原子受到激发而发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的而发射电磁波的现象称为热辐射。所辐射电磁波的特征仅与温度有关。特征仅与温度有关。固体在温度升高时颜色的变化固体在温度升高时颜色的变化1400K物体辐射总能量及能量按波长分布都决定于温度。物体辐射总能量及能量按波长分布都决定于温度。800K1000K1200K1.1.热辐射现象热辐射现象二、实验原理二、实验原理二、实验原理二、实验原理 绝对黑体绝对黑体:若物体在任何温度下若物体在任何温度下,对任何波长的辐射能的吸对任何波长的辐射能的吸收比都等于收比都等于1,1,则称该物体为
3、绝对黑体则称该物体为绝对黑体,简称黑体。简称黑体。2.2.黑体辐射实验规律黑体辐射实验规律 不透明的材料制成带小孔的的空腔不透明的材料制成带小孔的的空腔,可近似看作可近似看作黑体黑体。研究黑体辐射的规研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐律是了解一般物体热辐射性质的基础。射性质的基础。测定黑体辐出度的实验简图测定黑体辐出度的实验简图PL2B2AL1B1CA为黑体为黑体B1PB2为分光系统为分光系统C为热电偶为热电偶1700K1500K1300K1100K0 1 2 3 4 5 绝对黑体的辐出度按波长分布曲线绝对黑体的辐出度按波长分布曲线实验曲线实验曲线维恩经验公式维恩经验公式维恩经验公式维恩经验
4、公式问题:如何从理论上找到符合实验曲线的函数式问题:如何从理论上找到符合实验曲线的函数式3.3.普朗克量子假设普朗克量子假设 这个公式与实验曲线波长短处符合得很好,但在波长这个公式与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。很长处与实验曲线相差较大。瑞利瑞利瑞利瑞利-金斯经验公式金斯经验公式金斯经验公式金斯经验公式 这个公式在波长很长处与实验曲线比较相近,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,但在短波区,按此公式,将随波长趋向于零而趋将随波长趋向于零而趋向无穷大的荒谬结果,即向无穷大的荒谬结果,即“紫外灾难紫外灾难”。维恩公式和瑞利维恩公式和瑞利-金
5、斯公式都是用经典物理学的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,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。黑体辐射实验是明显地暴露了经典物理学的缺陷。黑体辐射实验是物理学晴朗天空中物理学晴朗天空中一朵令人不安的乌云。一朵令人不安的乌云。为了解决上述困难,普朗克利用内插法将适为了解决上述困难,普朗克利用内插法将适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利-金斯公金斯公式衔接式衔接 起来,提出了一个新的公式:起来,提出了一个新的公式:普朗克常数普朗克常数 这一公式称为这一公式称为普朗克公式。普朗克公式。
6、它与实验结果符它与实验结果符合得很好。合得很好。o实验值/m维恩线维恩线瑞利瑞利-金斯线金斯线紫紫外外灾灾难难普普朗朗克克线线12345678普朗克公式还可以用频率表示为:普朗克公式还可以用频率表示为:普朗克得到上述公式后意识到,如果仅仅是一个普朗克得到上述公式后意识到,如果仅仅是一个侥幸揣测出来的内插公式,其价值只能是有限的。侥幸揣测出来的内插公式,其价值只能是有限的。必须寻找这个公式的理论根据。他经过深入研究后必须寻找这个公式的理论根据。他经过深入研究后发现:必须使谐振子的能量取分立值,才能得到上发现:必须使谐振子的能量取分立值,才能得到上述普朗克公式。述普朗克公式。能量子假说:能量子假说
7、:辐射黑体分子、原子的振动可看作辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子,这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些谐振子,这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些谐振子只能处于某些分立的状态,在这些状态中,谐振谐振子只能处于某些分立的状态,在这些状态中,谐振子的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相子的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相应的能量是某一最小能量应的能量是某一最小能量(称为能量子)的整数倍,称为能量子)的整数倍,即:即:,1,2,3,.n.n为正整数,称为量子数。为正整数,称为量子数。对于频率为对于频率为的谐振子最小能量为的谐振子最小能量为能量能量量子量子经典经典 振子
8、在辐射或吸收能量时,从一个状态跃迁到振子在辐射或吸收能量时,从一个状态跃迁到另一个状态。在能量子假说基础上,普朗克由玻另一个状态。在能量子假说基础上,普朗克由玻尔兹曼分布律和经典电动力学理论,得到黑体的尔兹曼分布律和经典电动力学理论,得到黑体的单色辐出度,即普朗克公式单色辐出度,即普朗克公式。能量子的概念是非常新奇的,它冲破了传统能量子的概念是非常新奇的,它冲破了传统的概念,揭示了微观世界中一个重要规律,开创的概念,揭示了微观世界中一个重要规律,开创了物理学的一个全新领域。由于普朗克发现了能了物理学的一个全新领域。由于普朗克发现了能量子,对建立量子理论作出了卓越贡献,获量子,对建立量子理论作出
9、了卓越贡献,获1918年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。黑体的辐出度与黑体的绝对温度四次方成正黑体的辐出度与黑体的绝对温度四次方成正比:比:(1)斯特藩斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律根据实验得出黑体辐射的两条定律:根据实验得出黑体辐射的两条定律:热辐射的功率随着温度的升高而迅速增加。热辐射的功率随着温度的升高而迅速增加。斯特藩常数斯特藩常数 对于给定温度对于给定温度T T,黑体的单色辐出度黑体的单色辐出度 有一有一最大值最大值,其对应波长为其对应波长为 。热辐射的峰值波长随着温度的增加而向着热辐射的峰值波长随着温度的增加而向着短波方向移动。短波方向移动。(2 2)维恩位移定律维恩位移定律例
10、例 试从普朗克公式推导斯特藩试从普朗克公式推导斯特藩-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 及维恩位移定律。及维恩位移定律。解:解:在普朗克公式中,为简便起见,引入在普朗克公式中,为简便起见,引入则则 黑体的总辐出度:黑体的总辐出度:其中:其中:普朗克公式可改写为:普朗克公式可改写为:由由分部积分法可计算:分部积分法可计算:所以所以 可见由普朗克公式可以推导出斯特藩可见由普朗克公式可以推导出斯特藩-玻尔兹曼玻尔兹曼定律。定律。为了求出最大辐射值对应的波长为了求出最大辐射值对应的波长 ,可以由普朗,可以由普朗克公式得到克公式得到 满足:满足:经经整理得到整理得到令令有有这个方程通过迭代法解得这个方程通过迭代
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