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:
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
)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:
其中T為溫度,
為頻率,Ev表示能量,
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:
這個公式實際上只在長波條件下擬合得很好。
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:
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)
:
然後我們MATLAB簡單地作圖看看:
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。
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
,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:
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
()