细品教材
我们周围的一切物体都在辐射电磁波,这种辐射与物体的温度有关,所以叫做热辐射.除了辐射之外,物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波.如果物体能够吸收外界射来的各种波长的电磁波而不发生反射,这种物体叫做黑体.关于黑体辐射问题的研究引发了新一轮的物理学革命.
高温黑体辐射源
一、黑体与黑体辐射
情景再现
常温的铁块不发光.将铁块放在火炉中加热,铁块的温度升高,随之发出暗红色的光.随着温度的不断升高,铁块依次呈现赤红、橘红等颜色,直至最后发出耀眼的黄白光.我们知道光是一种电磁波,被加热的铁块发光颜色不同,说明辐射出的电磁波的频率和强度不同,那么物体辐射电磁波与其温度间有什么必然联系呢？
知识详解
1.热辐射
(1)定义:一切物体都在辐射电磁波,物体的温度不同,所辐射的电磁波的频率和强度不同,所以在物理学中把这种现象叫做热辐射.
(2)特点:热辐射的强度按波长的分布情况随物体的温度而有所不同.
(3)热辐射现象:通过实验观察热辐射现象,可以发现热辐射的光谱是连续光谱,并且辐射光谱的性质与温度有关.在室温下,大多数物体辐射不可见的红外线.但当物体被加热到500 ℃左右时,开始发出暗红色的可见光.随着温度的不断上升,辉光逐渐亮起来,而且波长较短的辐射越来越多.大约在1 500 ℃时就变成明亮的白炽光.这说明同一物体在一定温度下所辐射的能量,在不同光谱区域的分布是不均匀的,而且温度越高光谱中与能量最大的辐射相对应的频率也越高.
在实验中还发现在一定温度下,不同物体所辐射的光谱成分有显著的不同,例如:将钢加热到约800 ℃时,就可观察到明亮的红色光,但在同一温度下,熔化的水晶却不辐射可见光.
热辐射不一定需要高温,任何温度的物体都发生一定的热辐射.
2.黑体
(1)定义:如果某物体在任何温度下能够完全吸收各种波长的电磁波而不发生反射,这样的物体叫做绝对黑体,简称黑体.
知识拓展
黑体是一个理想模型,如果做一个闭合空腔,在空腔的表面开一个小孔,小孔的表面就可以当作一个黑体,如图17-1-1所示.因为从外面射来的各种波长的电磁波经小孔进入空腔,在空腔的内壁经多次反射后几乎被完全吸收,能够在小孔辐射出的电磁波极少.在实验室中,通常用绕有电热丝的空腔上开一个小孔来实现,如图17-1-2所示.
图17-1-1
图17-1-2
(2)黑体的辐射特性:黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关.
(3)黑体辐射的实验规律及其解释
19世纪末,人们从实验和理论两个方面研究了各种温度下的黑体辐射,测量了黑体的辐射强度按波长分布情况,得出如图17-1-3所示的实验曲线.
图17-1-3
①黑体辐射的实验规律:在一定温度下,黑体辐射的各种波长的电磁波强度是一定的,且各种波长的电磁波强度不同,有一种波长的电磁波强度最大;随着温度的升高,黑体辐射的各种电磁波的强度迅速增加,并且辐射强度的极大值向波长较短的方向移动.
②对黑体辐射的两种理论解释
图17-1-4
二、能量子:超越牛顿的发现
情景再现
将足球以速度v踢出时,其动能为E.稍微提高足球的速度,其动能就会增加一些,如可达到1.1E或1.2E,再提高足球的速度,其动能还会增加,例如可达到2.4E或3.5E等数值.总之,只要足球有合适的速度值,足球的动能可以是连续的任意数值.然而,这个在宏观世界人们认为是平常不过的事情,在微观世界却是不可能的.为解释黑体辐射的实验规律,需认为粒子的能量是不连续的,只能是一些分立的值.
图17-1-5
知识详解
1.能量子:振动的带电粒子的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍,例如,可能是ε或2ε、3ε…带电粒子辐射或吸收能量时,也是以这个最小能量为单位一份一份地辐射或吸收,这个不可再分的能量最小值ε叫做能量子.
2.能量子公式:能量子的能量为ε=hν,其中ν是电磁波的频率,h是一个常数,叫做普朗克恒量,其值为h=6.26×10-34J·s.
3.能量量子化:在微观世界中,能量是不连续的,只能取一些分立的值,这种现象叫做能量量子化.
知识拓展
带电粒子在发射或吸收能量时,粒子只能从这些状态之一跃迁到其他任何一个状态,而不能停留在不符合这些能量的任何中间状态,因此带电粒子辐射或吸收的能量只能是最小能量ε的整数倍.
4.普朗克能量量子化假设对黑体辐射的合理解释
在能量量子化假设的基础上,普朗克得出了黑体辐射的强度按照波长分布的公式,根据公式得出的理论结果与实验结果完全相符.如图17-1-6所示,曲线是根据普朗克公式得出黑体辐射强度按照波长分布的函数图象,小圆圈代表黑体辐射的实验值.从图象看出,两者符合性令人“击掌叫绝”.
图17-1-6
5.普朗克量子化的意义:普朗克的量子化假设把人类对微观世界的认识推到了一个新的高度,对现代物理学的发展产生了革命性的影响.普朗克常量h是自然界中最基本的常量之一,它从一个侧面展现了微观世界的基本特征.
【示例】某激光器发出的红光波长为635 nm,求该红光能量子的值.
解析：设该波长的红光频率为ν,则
那么红光能量子的值为
.
答案：3.13×10-19J
梳理整合
本节通过讲述用经典理论无法解释黑体辐射定律,从而引进普朗克的量子假设,进而提出普朗克公式;再用普朗克公式成功解释黑体辐射定律.在学习过程中,注意理解黑体辐射实验的规律,学会用普朗克的量子假设去解释它.
思维感悟
1.黑体辐射的电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关,一般物体的辐射除与温度有关外,还与物体的材料、表面状况等因素有关.
2.在解释黑体辐射实验规律时,维恩和瑞利分别在不同的波段解释了黑体辐射的实验规律,但是不能完全合理解释黑体辐射的规律.普朗克在能量量子化假设的基础上,对黑体辐射的实验规律作出了完全合理的解释.从而使人类对微观世界有了一个全新的认识.
3.能量子公式ε=hν.
疑难突破
对黑体和黑体辐射的理解
任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领.辐射出去的电磁波在各个波段是不同的,也就是具有一定的谱分布.这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关,因而被称之为热辐射.为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律,物理学家们定义了一种理想物体——黑体,以此作为热辐射研究的标准物体.所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收,既没有反射,也没有透射的物体(但黑体仍然要向外辐射).显然自然界不存在真正的黑体,但许多物质是较好的黑体近似(在某些波段上).
科技物理
普朗克与量子理论
普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck,1858～1947)德国理论物理学家,量子论的奠基人之一.1858年4月23日生于基尔,少年时代在慕尼黑度过.在中学时他热爱劳动,责任心强,聪慧勤奋,成绩单上的评语是“尽管在班里年龄最小,但头脑非常清醒而逻辑性又强”.有条不紊、一丝不苟是他的作风.1874年进入慕尼黑大学,1878年毕业,次年获该校哲学博士学位.1880～1885年在慕尼黑大学任教.1885～1888年任基尔大学理论物理教授.由于1900年他在黑体辐射研究中引入能量量子,荣获1918年诺贝尔物理学奖.
普朗克早年的科学研究领域主要是热力学.他以热力学的观点对物质聚集态的变化、气体和溶液理论等进行了研究.可是不久,他了解到美国物理学家吉布斯早已做过这方面的工作.于是,便把注意力转向黑体辐射问题.1893～1896年维恩发表了他的对黑体辐射的研究成果,提出一个辐射密度ρ的分布公式,即维恩公式.此结果为当时实验所证实,但只有波长较短、温度较低时才适合,而且立论的根据是通过与麦克斯韦分子速率几率分布律类比而得的,不能完全令人信服.普朗克从1896年开始研究热辐射的能量分布问题.