黑體輻射和能量量子化

電子、原子、分子和光子等微觀(guān)粒子，具有波粒二象性的運動(dòng)特征。這一特征體現在以下的現象中，而這些現象均不能用經(jīng)典理論來(lái)解釋?zhuān)纱巳藗兲岢隽肆孔恿W(xué)理論，這一理論就是本課程的一個(gè)重要的基礎。

黑體是一種能全部吸收照射到它上面的各種波長(cháng)輻射的物體。帶有一微孔的空心金屬球，非常接近于黑體，進(jìn)入金屬球小孔的輻射，經(jīng)過(guò)多次吸收、反射、使射入的輻射實(shí)際上全部被吸收。當空腔受熱時(shí)，空腔壁會(huì )發(fā)出輻射，極小部分通過(guò)小孔逸出。

一個(gè)吸收全部入射線(xiàn)的表面稱(chēng)為黑體表面。一個(gè)帶小孔的空腔可視為黑體表面。它幾乎完全吸收入射幅射。通過(guò)小孔進(jìn)去的光線(xiàn)碰到內表面時(shí)部分吸收，部分漫反射，反射光線(xiàn)再次被部分吸收和部分漫反射……，只有很小部分入射光有機會(huì )再從小孔中出來(lái)。如圖黑體輻射示意圖所示

任何一個(gè)物體，在任何溫度下都要發(fā)射電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁輻射的現象，稱(chēng)為熱輻射。另一方面，物體在任何溫度下都會(huì )接收外來(lái)電磁輻射，除一部分反射回外界外，其余部分都被物體所吸收，這就是說(shuō)，物體在任何時(shí)候都同時(shí)存在著(zhù)發(fā)射和吸收電磁輻射的過(guò)程。實(shí)驗表明，不同物體在某一頻率范圍內發(fā)射和吸收電磁輻射的能力是不同的，例如，深色物體吸收和發(fā)射電磁輻射的能力比淺色物體要大一些，可以證明對同一個(gè)物體來(lái)說(shuō)，若它的某頻率范圍內發(fā)射電磁輻射的能力越強，那么，它吸收該頻率范圍內電磁輻射的能力也越強；反之亦然。

黑體
一般來(lái)說(shuō)，入射到物體上的電磁輻射，并不能全部被物體所吸收，物體吸收電磁輻射的能力隨物體而異，通常人們認為最黑的煤煙，也只能吸收入射電磁輻射的95%，我們設想有一種物體，它能吸收一切外來(lái)的電磁輻射，這種物體稱(chēng)之為黑體（也稱(chēng)絕對黑體）。黑體只是一種理想模型，設想在一個(gè)由任意材料（鋼、銅、陶瓷或其他）做成的空腔壁上開(kāi)一個(gè)小孔（下圖），小孔口表面就可近似地當作黑體，這是因為射入小孔的電磁輻射，要被腔壁多次反射，每反射一次，腔壁就要吸收一部分電磁能，以致射入小孔的電磁輻射很少有可能從小孔逃逸出來(lái)。

黑體福射
是理想的吸收體，也是理想的發(fā)射體。當把幾種物體加熱到同一溫度，黑體放出的能量最多。由圖中不同溫度的曲線(xiàn)可見(jiàn)，隨溫度增加，Eν增大，且其極大值向高頻移動(dòng)。以上現象不能用經(jīng)典理論來(lái)解釋?zhuān)髞?lái)，1900年P(guān)lank提出的能量量子化公式:

其計算得到的Eν值與實(shí)驗觀(guān)察到的黑體輻射非常吻合。由此可見(jiàn)，黑體輻射頻率為v的能量，其數值是不連續的，只能是hν的整數倍，即能量量子化。

基爾霍夫輻射定律(Kirchhoff)，在熱平衡狀態(tài)的物體所輻射的能量與吸收的能量之比與物體本身物性無(wú)關(guān),只與波長(cháng)和溫度有關(guān)。按照基爾霍夫輻射定律，在一定溫度下，黑體必然是輻射本領(lǐng)最大的物體，可叫作完全輻射體。