普通高中物理选择性必修三 第四章第1节 普朗克黑体辐射理论

这是一篇关于“普朗克的黑体辐射理论“的思维导图，主要内容包括：黑体与黑体辐射、黑体辐射的实验规律、能量子。作为备课参考。

• 普通高中物理选择性必修三 第四章第1节 普朗克黑体辐射理论
• 内容来源|普通高中教科书 物理 选择性必修第三册 人民教育出版社 软件|亿图脑图MindMaster
• 科学的历史不仅是一连串事实、规则和随之而来的数学描述，它也是一部概念的历史。当我们进入一个新的领域时，常常需要新的概念。——普朗克
• 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”。
• 黑体与黑体辐射
• 黑体
  • 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。
  • 在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会发生多次反射和吸收，最终不能从空腔射出。这个带小孔的空腔就可以近似为一个绝对黑体。
• 19世纪，由于冶金、星体测温等需求，人们对热辐射进行了大量的研究。当时物体学家已有能力对热辐射的强度随波长的分布进行比较准确的测量。
  • 一般材料的物体
    • 辐射电磁波的情况除了与温度有关，还与材料的种类及表面状态有关。
  • 黑体
    • 黑体虽然不反射电磁波，却可以向外辐射电磁波，这样的辐射叫作黑体辐射。
    • 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。
      • 这可能反映了某种具有普遍意义的客观规律，人们因此对黑体辐射进行了深入的实验及理论研究。
• 黑体辐射的实验规律
• 利用分光技术和热电偶等设备，可以测出黑体辐射电磁的强度按波长分布的情况。
• 四种温度下黑体辐射的强度与波长的关系
  • • 随着温度升高
      • 各种波长的辐射强度都有增加。
      • 辐射强度的最大值向波长较短的方向移动。
      • 规律与日常经验一致。
• 黑体辐射实验规律 的解释
  • 按照当时物理学的认识，每个带电微粒的振动都产生变化的电磁场，从而产生电磁辐射。于是，人们很自然地依据热学和电磁学的知识寻求黑体辐射的理论解释。
    • 1896年，德国物理学家维恩
    • 1900年，英国物理学家瑞利
    • 提出辐射强度按波长分布的理论公式。
      • 维恩公式在短波区与实验非常接近，在长波区则与实验偏离较大。
      • 瑞利公式在长波区与实验基本一致，但在短波区与实验严重不符。
• 普朗克公式
  • 为了得出同全部实验相符的黑体辐射公式，德国物理学家普朗克做了多种尝试。1900年10月，普朗克找到了一个数学公式，它与实验吻合得非常完美。
    • • 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。
• 能量子
• 普朗克最终在1900年底发现，如果想推导出黑体辐射公式，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e的整数倍。
  • 普朗克把这个不可再分的最小能量值e 叫作能量子。
    • • n是带电微粒的振动频率，也即带电微粒吸收或辐射电磁波的频率。
      • h是常量，后人称之为普朗克常量。
  • 普朗克对微观带电微粒能量取值的假设和宏观世界中我们对能量的认识有很大不同。
    • 宏观世界中物体（例如弹簧振子）的能量是连续的。
    • 普朗克的假设则认为微观粒子的能量是量子化的，即微观粒子的能量是分立的。
      • 这是微观与宏观世界物理规律最重要的差别之一。
      • 微观世界中的物理系统，如原子、分子和离子等，其能量正如普朗克所假设的那样，只可能取某些特定的值。
  • 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的一角，从此，物理学进入了一个新的纪元。
  • 普朗克本人因黑体辐射理论获得了1918年的诺贝尔物理学奖。
• 科学漫步 普朗克
  • 普朗克1858年生于德国基尔。他在慕尼黑大学学习时选择物理作为学习的专业。
  • 普朗克先后师从亥姆霍兹、基尔霍夫等热学和辐射问题的名家。1879年，普朗克获得博士学位，博士论文题目是关于热力学第二定律的。
  • 普朗克在物理学方面最重要的成就，毫无疑问就是他在1900年创立的黑体辐射理论。在此之前，他已经在黑体辐射问题方面进行了6年左右的研究，并历经曲折。
  • 普朗克1900年的划时代突破，正是建立在他从大学时代开始多年的严格专业训练和辛勤研究的基础之上的。
  • 普朗克曾努力把自己提出的能量子假说纳入已有的经典物理学框架，但后来物理学的发展表明，能量量子化和经典物理并不相容，它是原子、分子等微观系统所遵循的独有的物理规律——量子规律的体现。
  • 由于普朗克巨大的成就，他从1920年左右开始成为德国科学界的领军人物之一。他在1930年当选威廉皇家学会主席，成了德国科学界的最高权威。后来，为抗议希特勒，他辞去了这个职务，二战后，为了纪念普朗克，威廉皇家学会改名为马克斯 × 普朗克学会。
• 亿图脑图MindMaster