第二章 波和粒子 2.1 拨开黑体辐射的疑云 19世纪末，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面获得巨大成就。在热学方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。在电磁学方面，建立了能推断一切电磁现象的麦克斯韦方程。另外还找到了力、电、光、声--等都遵循的规律：能量转化与守恒定律。当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到头了。 材料鉴赏: 1900年，在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言: “科学的大厦已经基本完成， 后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。” --开尔文-- 也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈科学家只要把做过的实验再精确一下，在实验数据的小数点后面再加几位罢了！ 但开尔文毕竟是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到： “但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，--” 这两朵乌云是指什么呢？ 黑体辐射实验 光的速度 后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。 普朗克量子力学的诞生 相对论问世 这两朵乌云到底是什么回事呢？ 经典力学 量子力学 相对论 微观领域 高速领域 思考与讨论 1，在炉火旁边有什么感觉？ 2，投在炉中的铁块一开始是什么颜色？过一会儿又是什么颜色？ 800 K 1000 K 1200 K 1400 K 固体在温度升高时颜色的变化： 热辐射现象：一切物体在任何温度下都在辐射电磁波，这种辐射与物体的温度有关，所以叫做热辐射。 辐射规律： 1.辐射的电磁波中包含各种波长的电磁波，不同波长，辐射强度不同。 2. 温度升高，辐射强度增大，同时辐射电磁波的频率和波长也在变化。 问题：如何研究物体的热辐射规律？ 注意：除了热辐射外，物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波， 例如：常温下我们看到的物体颜色就是物体反射了该频率的电磁波，吸收了其他频率的电磁波。一些物体看起来很黑，其实是它吸收所有电磁波，反射的电磁波很弱。 那么：在研究物体热辐射中，应如何避免反射电磁波的影响？ 一，黑体及黑体辐射 理想的热辐射体是“绝对黑体”，简称“黑 体”。它在任何温度下都能全部吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射。 在空腔壁上开一个很小的孔，射入小孔的电磁波在空腔中会发生多次反射和吸收，最终不能从空腔射出。这个小孔就可以看成一个绝对黑体。 德国物理学家基尔霍夫首先提出了绝对黑体的模型。 说明： ①黑体是个理想化的模型。例：开孔的空腔，远处的窗口等可近似看作黑体。 ②实验表明：对于一般材料的物体，辐射 电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的 种类及表面状况有关，而黑体辐射电磁波的 规律只与黑体的温度有关，因而可以反映某种具有普通意义的客观规律。于是，在研究热辐射的规律时．人们特别注意对黑体辐射的研究。 0 1 2 3 4 5 6 λ (μm) 1700K 1500K 1300K 1100K 二：黑体辐射的实验规律 随着温度的升高： 1，各种波长的辐射强度都有增加； 2，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。 你能由图找到黑体辐射的实验规律吗？ 瑞利公式在长波部分与实验结果比较吻合。但在紫外区(波长范围在紫外线附近)竟算得辐射强度为无穷大，这个荒谬的结论被认为是物理学理论的灾难，当时称为“紫外灾难”。 瑞利理论值 维恩理论值 实验 T=1646k 维恩公式在短波部分与实验结果吻合得很好，但长波却不行。 三、能量子 超越牛顿的发现 微观世界的某些规律，在我们宏观世弄看来可能非常奇怪。 ? 普朗克能量子理论 *微观粒子的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍，E=nε （n=1,2,…），这个不可再分的最小能量值ε叫能量子。n为正整数，称为量子数。 * 带电微粒吸收 ... ...
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