人教版选修三 4.1普朗克黑体辐射理论 课件（38张PPT）

(共41张PPT)
第四章 原子结构和波粒二象性
4.1 普朗克黑体辐射理论
人教版（2019）高中物理选择性必修第二册
量子论使人们认识了微观世界的运动规律，并发展了一系列对原子、分子等微观粒子进行有效操控和测量的技术。图为利用扫描隧道显微镜将48个铁原子排成的“原子围栏”。那么，人们认识量子规律的第一步是怎样迈出的？
新课导入
01
热 辐 射
原子结构和波粒二象性
1、热辐射
⑴定义
任何物体在任何温度下都会辐射电磁波的现象。（热传递的三种方式之一）
⑵原因
物体分子无规则运动，辐射电磁波。
⑶特点
物体温度高，辐射能量本领强，电磁波的短波成份多，长波成份少。（各种波长都有）
（这种辐射是由物体的原子、分子受激发产生的，与温度有关，故称为热辐射）
投在炉中的铁块
800K
1000K
1200K
1400K
不发光→
暗红→
赤红→
橘红→
黄白色
例如，铁块随着温度升高：
注意： 激光、日光灯发光不是热辐射
2、实际热辐射的复杂性
T
T
外来各种波长的辐射能
反射某些波长的辐射能
（随物而异）
吸收某些波长的辐射能
（随物而异）
（故也随物而异）
发射各种波长的热辐射能
对热辐射规律的研究显得较复杂
不透明体
度
于
某
一
温
处
热平衡状态：物体的温度恒定时，物体所吸收的能量等于在同一时间内辐射的能量，这时得到的辐射称为平衡热辐射。
热辐射的应用：
红外测温仪
利用红外成像探测铀矿
红外夜视仪
　
　
　
02
黑体与黑体辐射
原子结构和波粒二象性
T
T
外来各种波长的辐射能
无任何反射
能全部吸收各种波长的辐射能
发射各种波长的热辐射能
不透明体
度
于
某
一
温
处
假设有这样一种物体
这种假设的物体称为黑体
不透明体
1、黑体
如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长（不仅是可见光）的电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体。
----理想模型
（1）黑体辐射的特征：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。(一般物体的辐射与温度、材料、表面状况有关，)
不透明材料制成的带小孔的空腔
（2）对黑体的理解：绝对的黑体实际上是不存在的，但可以用某装置近似地代替。如图所示，如果在一个空腔壁上开一个小孔，那么射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收，最终不能从空腔射出，这个小孔就成了一个绝对黑体。
2、黑体的实验模型
对空腔加热
至某热平衡温度
对空腔加热
至某热平衡温度
T
T
通过小孔进入腔内的辐射能反射回小孔出射的机会极小，几乎全部被腔壁吸收。
不透明材料空腔
开一小孔
小孔表面好比黑体
（吸收全部入射的辐射能而无反射）
从小孔表面出射的就是处于某一热平衡温度T的实验黑体的辐射能，进而探索其能谱分布规律。
3、黑体辐射测量系统示意图
黑体（小孔表面）
T
集光透镜
平行光管
分光元件
会聚透镜及探头
分光元件（如棱镜或光栅等）将不同波长的辐射按一定的角度关系分开，转动探测系统测量不同波长辐射的强度分布。再推算出黑体单色辐出度按波长的分布。
4、一般物体与黑体的比较
热辐射特点 吸收、反射特点
一般 物体 辐射电磁波的情况与温度有关，与材料的种类及表面状况有关 既吸收，又反射，其能力与材料的种类及入射光波长等因素有关
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 完全吸收各种入射电磁波，不反射
(1)热辐射不一定要高温，任何温度的物体都发出一定的热辐射，只是温度低时辐射弱，温度高时辐射强。
(2)黑体是一个理想化的物理模型，实际不存在。
(3)黑体看上去不是一定是黑的，只有当自身辐射的可见光非常微弱时看上去才是黑的；有些可看作黑体的物体由于有较强的辐射，看起来还会很明亮，例如：炼钢炉口上的小孔。一些发光的物体(如太阳、白炽灯灯丝)也被看作黑体来处理。
5、特别提醒：
03
黑体辐射的实验规律
原子结构和波粒二象性
想一想：为什么要研究黑体辐射？
一般材料的物体的辐射：除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关。黑体辐射规律只与黑体的温度有关。所以，研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。
测量黑体辐射的实验原理：
加热空腔使其温度升高，空腔就成了不同温度下的黑体，从小孔向外的辐射就是黑体辐射。
1、黑体辐射实验规律
辐射强度:单位时间内从物体单位面积上所发射的各种波长的总辐射能，称为辐射强度。
黑体辐射的实验规律：
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，如图所示。
(1)温度一定时，黑体辐射强度随波长的分布有一个极大值。
(2)温度升高，各种波长的辐射强度都增加；
(3)温度升高，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。
有经验的炼钢工人，通过观察炼钢炉内的颜色，就可以估计出炉内的大体温度，这是根据黑体辐射与温度有关
+
-
+
-
+
-
黑体辐射的理论解释
带电微粒→震动→变化的电磁场
物体中存在带电微粒
直接找规律有点儿困难，科学家打算结合理论来寻找这个公式。
⑴短波符合；长波不符合。
⑵长波符合；短波荒唐----紫外灾难。
德国物理学家维恩根据经典热力学，在1896年提出了一个辐射强度随波长及温度变化的半经验公式，维恩公式，得出曲线。
根据经典热力学与电磁学，物理学家瑞利在1900年也提出了一个理论公式，后经金斯改进，合称瑞利-金斯公式，得出曲线。
2、黑体辐射两种经典解释
维恩线
瑞利-金斯线
在紫外线一端，当波长趋于0时，辐射本领将趋于无穷大．这种情况被人们称为“紫外灾难”。
3、普朗克对黑体辐射理论解释
普朗克公式
普朗克找到了一个数学公式，它与实验吻合得非常完美。
维恩公式和瑞利——金斯公式，其实就是普朗克公式的特殊情况。
普朗克尝试从电磁学、力学、统计物理学等物理学的基本理论出发，把这个公式推导出来。
普朗克最终在1900年底发现，如果想推导出这个公式，就必须假定：组成黑体的振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍。
04
能 量 子
原子结构和波粒二象性
　
　
　
　
普朗克认为，带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍，当带电微粒辐射或吸收能量时，也是以这个最小能量值为单位一份一份地辐射或吸收的，这个不可再分的最小能量值ε叫做能量子。
1、定义
能量子（普朗克能量子假说）——超越牛顿的发现
能量子（energy quantum）理解
宏观世界中：
能量可以是任意值，可以连续变化。
例如：物体的重力势能，弹簧振子的弹性势能。
微观世界中：
微观粒子的能量只能是一个一个的特定值，不能连续变化。（能量量子）
例如：物体的带电量，电子绕原子核运动的轨道半径。
经典
量子
连续
分立
宏观世界能量的连续性.例如
宏观世界能量的连续性与微观粒子的能量的量子化，这是宏观世界与微观物理规律最重要的差别之一。
弹簧振子振动能量可以连续变化（振幅可以取任意值），即振动能量的连续性。
阻尼振动的振动能量的连续变化
普朗克1900年的假设第一次为人们揭开了微观世界物理规律面纱的一角。从此，物理学进入了一个新的纪元。普朗克本人因此获得了1918年的诺贝尔物理学奖。
物体热辐射所发出的电磁波是通过内部的带电谐振子向外辐射的，谐振子的能量是不连续的，只能是hν的整数倍
(1)辐射物体中包含大量振动着的带电微粒，它们的能量是某一最小能量的整数倍
E= nε n=1,2,…
ε叫能量子，简称量子，n为量子数，它只取正整数——能量量子化
(2)谐振子只能一份一份按不连续方式辐射或吸收能量。
对于频率为 的谐振子，最小能量为： ε= h 称为一个能量子，
①其中ν是电磁波的频率，波长λ=vT=v/ν,光在真空中λ=c /ν
②h称为普朗克常量，h＝6.626×10－34 J·s(一般取h＝6.63×10－34J·s)。
能量
量子
经典
2．能量子大小
　
　
　
　
普朗克的能量子假设，使人类对微观世界的本质有了全新的认识，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，它体现了微观世界的基本特征。
能量子、物体辐射或吸收能量只能一份一份地按不连续的方式这种假说不仅成功地解决了热辐射中的难题，而且开创物理学研究新局面，标志着人类对自然规律的认识已经从从宏观领域进入微观领域，为量子力学的诞生奠定了基础。
比喻：电磁波就好象是机关枪发射子弹，子弹是一颗一颗向前运动的，每一颗子弹就好象是一份电磁波。
3、量子化假设的意义
基于能量子假说，1900 年德国物理学家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-金斯公式衔接起来，提出了一个新的公式：
普朗克提出的公式与实验符合之好令人击掌叫绝，把能量子引进物理学，正确地破除了“能量连续变化”的传统观念，成为新物理学思想的基石之一。
爱因斯坦
洛伦兹
居里夫人
普朗克
薛定谔
康普顿
泡利
海森堡
波恩
玻尔
德布罗意
狄拉克
普朗克
量子说
康普顿
康普顿效应
1922
1900
1905
1906
1912
爱因斯坦
光子说
爱因斯坦
量子理论引入固体比热问题
玻尔
量子理论引入原子结构
05
典例分析
原子结构和波粒二象性
『判一判』
(1)只有高温的物体才会热辐射。 (　　)
(2)热辐射的辐射强度按波长的分布情况随温度的变化而有所不同。 (　　)
(3)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。 (　　)
(4)能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比。 (　　)
×　
√　
√　
√　
(5)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应。 (　　)
(6)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。 (　　)
(7)入射光照射到金属表面上时，光电子几乎是瞬时发射的。 (　　)
(8)光子发生散射时，其动量大小发生变化，但光子的频率不发生变化。 (　　)
(9)光子发生散射后，其波长变大。 (　　)
×　
×　
√　
×　
√　
【例题1】(多选)关于对黑体的认识，下列说法正确的是（ ）
A.黑体只吸收电磁波，不反射电磁波，看上去是黑的
B.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关
C.黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与温度有关，与材料的种类及表面状况无关
D.如果在一个空腔壁上开一个很小的孔，射入小孔的电磁波在空腔内表面经多次反射和吸收，最终不能从空腔射出，这个带小孔的空腔就近似为一个黑体
解析：
黑体自身辐射电磁波，看起来还会很明亮（如太阳），所以黑体不一定是黑的，A项错误；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，与材料的种类及表面状况无关，B错误，C正确；电磁波最终不能从空腔射出，因此这个带小孔的空腔就近似为一个黑体（严格意义上应该是小孔），D正确。
CD
【例题2】下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中，符合黑体辐射实验规律的是（ ）
解析：
随着温度的升高，黑体辐射的强度与波长的关系：一方面，各种波长的辐射强度都有增加，另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。由此规律可知选项A正确。
A
【例题3】(多选)1900年德国物理学家普朗克在研究黑体辐射时提出了一个大胆的假说，即能量子假说，下列说法属于能量子假说内容的是（ ）
A.物质发射(或吸收)能量时，能量不是连续的，而是一份一份进行的
B.能量子假说中将每一份能量单位，称为“能量子”
C.能量子假说中的能量子的能量ε＝hν，ν为带电微粒的振动频率，h为普朗克常量
D.能量子假说认为能量是连续的，是不可分割的
解析：
能量子假说认为，物质发射(或吸收)能量时，能量不是连续的，而是一份一份进行的，每一份能量单位，称为“能量子”，能量子的能量ε＝hν，ν为带电微粒的振动频率，h为普朗克常量，A、B、C正确。
ABC
1、下列宏观概念中，是“量子化”的有（ ）
A.人的身高 B.物体的质量
C.汽车的速度 D.大象的头数
能一份份地选取，且只能取整数，不能取小数的量均可以看作“量子化”，如大象的头数，学生个数等，故选项D正确。
D
小试牛刀
2、(多选)下列有关黑体和黑体辐射的说法正确的是（ ）
A.黑体能够吸收照射到它上面的全部辐射而无反射
B.黑体的温度升高时可以辐射出任何频率的电磁波(包括可见光和不可见光)
C.黑体辐射的实验规律可以利用经典物理学的理论来解释
D.黑体辐射的实验规律无法用经典物理学的理论解释
如果某种物体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射，这种物体就是绝对黑体，简称黑体，故A正确；黑体的温度升高时，一方面，各种波长的辐射强度都有增加(包括可见光和不可见光)，另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动，故B正确；黑体辐射的实验规律无法用经典物理学的理论解释，普朗克提出能量量子理论对黑体辐射的实验规律进行了解释，故C错误，D正确。
ABD
小试牛刀
3、多选)关于对普朗克能量子假说的认识，下列说法正确的是（ ）
A.振动着的带电微粒的能量只能是某一能量值ε
B.带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍
C.能量子与电磁波的频率成正比
D.这一假说与现实世界相矛盾，因而是错误的
由普朗克能量子假说可知带电微粒辐射或吸收的能量只能是某一最小能量值的整数倍，A、D错误，B正确；能量子ε＝hν，与电磁波的频率ν成正比，C正确。
BC
小试牛刀
【答案】AC　解析：由图可知，随温度的升高，相同波长的光辐射强度都会增大；同时最大辐射强度向左侧移动，即向波长较短的方向移动．由上分析可知，A、C正确，B、D错误．
小试牛刀