因為是複習筆記所以可能存在錯誤,希望大家多多批評指正。

(沒想到講義和課本一開頭就是不一樣,講義裡面是先大致介紹量子力學的內容·,波動力學和矩陣力學等等,我覺得後面的沒必要在前面講,畢竟這個是複習才記下的)

首先,物體一般會吸收外界的熱輻射(一部分是被反射,一部分是被吸收),同時向外界輻射自己的電磁波,這裡面有能量的交換。

注意這裡區分四種能量

:外界輻射進來的,自己吸收外界的,外界被反射掉的,自身向外界輻射的。

比如,燒紅的鐵塊從暗紅色慢慢變成亮紅色,就是一個吸收火源的熱輻射,並向外界輻射自身的紅色的電磁波的過程。

那麼這裡就引出了兩個概念:

黑體:

如果一個物體吸收外界的熱輻射的時候不會反射,即全部都可以吸收,我們就稱作黑體。我們知道生活中不存在絕對的黑體,但是書上那個經典的圖,對於小孔的位置來說,就是一個相當理想的絕對黑體:

反斗星學量子力學 1.1黑體輻射與光電效應

這個經典的圖真的是看過無數次了,從高中開始就有。

當熱輻射照進小孔,在內壁多次反射後才能出來,而在這麼多次的反射過程中,熱輻射不斷被吸收掉了,因此對於小孔而言,在小孔處“反射”出來的熱輻射基本趨於0,就是一個相當理想的黑體。

輻射熱平衡狀態:

單位面積所發射出的輻射能量和它所吸收的輻射能量相等時,輻射達到熱平衡狀態。也就是被反射掉的不算,自己吸收的和自己發射的熱輻射相等。

有一個實驗是這樣子的,當黑體達到輻射熱平衡的時候,其輻射的能量密度只和溫度、波長有關,所以如果我們給定一個溫度,那麼接下來一個波長

(實際上是一小段波長區間)

就對應了一個能量密度

(實際上是一小段波長區間對應的能量)

,我們在直角座標系上作出這些波長(實際畫的時候我們用頻率

v=c/\lambda

)對應的能量,連起來就得到了E-v曲線。

為了解釋(擬合)實驗的結果,

維恩

總結的半經驗公式:

E_vdv=C_1v^3exp(-C_2v/T)dv \\

其中T為溫度,

v=c/\lambda

為頻率,Ev表示能量,

C_1、C_2

為係數

雖然它在短波部分擬合的還好,但是很不幸的是,它在長波條件下與實驗脫節了,誤差變得很大。

瑞利-金斯

提出瞭如下公式:

E_vdv=\frac{8\pi}{c^3}k_BTv^2dv \\

這個公式實際上只在長波條件下擬合得很好。

反斗星學量子力學 1.1黑體輻射與光電效應

兩條線及其待擬合的實驗資料(大致)如圖

你說一個長波擬合的好,一個短波擬合的好,怎麼辦?這時,普朗克站了出來:

反斗星學量子力學 1.1黑體輻射與光電效應

普朗克:維恩,你的公式不行啊~

普朗克提出的是

半經驗公式

(看著別人的,自己猜一個)

E_vdv=\frac{8\pi hv^3}{c^3}\cdot \frac{1}{e^\frac{hv}{k_bT}-1}dv \\

然後我們MATLAB簡單地作圖看看:

反斗星學量子力學 1.1黑體輻射與光電效應

該函式作圖為藍色線部分,不同的線代表不同的溫度T。紅色點是每條藍色線的最大值。我們高中就已經學過λmax * T = 定值了。

它跟實驗擬合的很好。為了解釋這個公式,普朗克後來引入了光的粒子性的解釋,開啟了量子力學的大門……此乃後話。

反斗星學量子力學 1.1黑體輻射與光電效應

另一個肯定了光粒子性的實驗是光電效應,這個實驗其實高中也學過了,當光照射金屬會有電子逸出。

神奇的是,對於同樣一個金屬,會存在一個臨界頻率

v_0

,當入射光頻率小於這個頻率的時候,無論如何都沒有電子逸出了。

無論你給多大的光強。

更神奇的是,出射的電子能量,居然跟光強也沒關係,只要給定了一個頻率,單個出射的電子能量就是定值,不會再增加了。

無論你給多大的光強。

這些是經典理論無法解釋的。愛因斯坦提出光子的概念,成功解釋了光電效應:

\frac{1}{2}m_eV_m^2=hv-w_0\\

當光照射到金屬表面時,能量為 hν的光子被電子所吸收,電子把這份能量的一部分用來克服金屬表面對它的吸引(逸出功w0),另一部分用來提供電子離開金屬表面時的動能(等號左邊)

最後,雖然愛因斯坦的光子假設,對普朗克的“量子”概念是極大的支援,但是普朗克幫愛因斯坦寫推薦信的時候,不同意愛因斯坦的光子假設。

普朗克半經驗公式作圖程式碼:

import

numpy

as

np

import

matplotlib。pyplot

as

plt

h

k

c

=

1

1

1

lamda

=

np

arange

0。01

2。5

0。01

v

=

c

/

lamda

t

=

np

arange

0。2

2

0。1

ev

=

np

zeros

((

np

size

t

),

np

size

lamda

)))

for

i

in

range

np

size

t

)):

ev

i

=

v

**

3

/

np

exp

h

*

v

/

k

*

t

i

]))

-

1

# all coefficients = 1

plt

plot

lamda

ev

T

color

=

‘blue’

evm

=

ev

max

1

plt

plot

lamda

np

argmax

ev

1

)],

evm

linewidth

=

3。0

marker

=

‘o’

color

=

‘red’

plt

show

()