黑體紅外熱輻射實(shí)驗(yàn)

1、1黑體紅外熱輻射實(shí)驗(yàn)黑體紅外熱輻射實(shí)驗(yàn)熱輻射是19世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的新學(xué)科，至19世紀(jì)末該領(lǐng)域的研究達(dá)到頂峰，以致于量子論這個(gè)嬰兒注定要從這里誕生。黑體輻射實(shí)驗(yàn)是量子論得以建立的關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)之一，也是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)。物體由于具有溫度而向外輻射電磁波的現(xiàn)象成為熱輻射，熱輻射的光譜是連續(xù)譜，波長(zhǎng)覆蓋范圍理論上可從0到∞，而一般的熱輻射主要靠波長(zhǎng)較長(zhǎng)的可見(jiàn)光和紅外線。物體在向外輻射的同時(shí)，還將吸收從其他物體輻射的能量，且物體輻射或吸收

2、的能量與它的溫度、表面積、黑度等因素有關(guān)。1.1862年，基爾霍夫根據(jù)實(shí)驗(yàn)提出了理想黑體的概念2.1896年，維恩把熱力學(xué)考察和多普勒原理結(jié)合起來(lái)，應(yīng)用到空腔輻射的壓縮。他指出，在一定溫度下的輻射密度可以通過(guò)反射壁包圍輻射區(qū)域的絕熱收縮或絕熱膨脹，轉(zhuǎn)變到另一溫度的輻射，從而得出了黑體輻射的能量按波長(zhǎng)（或頻率）分布的公式，又稱維恩公式。這個(gè)公式的短波部分同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很好符合，并足以解釋為什么光譜的極大強(qiáng)度在黑體的溫度升高時(shí)愈來(lái)愈向短波方向移

3、動(dòng)。3.1900年，瑞利應(yīng)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)和電磁理論來(lái)計(jì)算一個(gè)封閉腔的熱輻射。他指出，隨著封閉腔被加熱，那么封閉腔中將建立一個(gè)電磁場(chǎng)，這個(gè)電磁場(chǎng)可分解成為一個(gè)具有不同頻率和不同方向的駐波系統(tǒng)，每一個(gè)這樣的駐波就是電磁場(chǎng)的一個(gè)基本狀態(tài)。于是在一定頻率間隔內(nèi)的場(chǎng)能的計(jì)算變?yōu)槿?dǎo)出基元駐波的個(gè)數(shù)，由此得到一個(gè)新的熱輻射公式?？墒侨鹄谕茖?dǎo)中錯(cuò)了一個(gè)因數(shù)8，這個(gè)錯(cuò)誤為英國(guó)當(dāng)時(shí)只有27歲的金斯所發(fā)現(xiàn)。他于1905年給《自然》雜志的一封信中加以修正，

4、即把原來(lái)的瑞利公式用8去除，得到了現(xiàn)在稱之為瑞利金斯公式。這是企圖用古典理論來(lái)處理黑體輻射的又一重要嘗試。這個(gè)公式表明，輻射能量密度的頻率分布正比于頻率的平方。于是在長(zhǎng)波部分與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本相符，但在短波部分卻完全不相符合，因此此時(shí)按公式計(jì)算而得到的輻射能量將變成無(wú)窮大，顯然這是不可能的。古典理論與實(shí)驗(yàn)事實(shí)產(chǎn)生了很大的矛盾，這種情況曾被荷蘭物理學(xué)家埃倫菲斯特稱為“紫外災(zāi)難”。事實(shí)上，維恩公式與瑞利—金斯公式，各從一個(gè)側(cè)面反映出物體輻射中的

5、部分規(guī)律，但在解釋全部熱輻射現(xiàn)象卻產(chǎn)生了矛盾和“災(zāi)難”，這就充分暴露了經(jīng)典物理學(xué)本身的缺陷。4.1900年，普朗克指出，為了得到和實(shí)驗(yàn)符合的黑體輻射公式（普朗克公式），必須拋棄經(jīng)典物理學(xué)中關(guān)于物體可以連續(xù)輻射或吸收能量的概念，而代之以新的概念。他認(rèn)為可以將構(gòu)成黑體腔壁的物質(zhì)看作帶電的線性諧振子，它們和腔內(nèi)的電磁場(chǎng)交換能量（輻射或吸收能量）。而這些微觀諧振子只能處于某些特定的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中它們的能量是最小能量ε0的整數(shù)倍。它輻射或吸收

6、能量時(shí)只能由一個(gè)可能狀態(tài)躍遷到另一可能狀態(tài)，即能量只可一份一份地改變，而不能連續(xù)地變化，這最小能量ε0稱為能量子，它與振子的振動(dòng)頻率v成正比，比例系數(shù)就是h（普朗克常數(shù)）。根據(jù)這些假設(shè)可以成功地導(dǎo)出普朗克黑體輻射公式ε0=hv。普朗克的能量子假說(shuō)，突破了經(jīng)典物理學(xué)的舊框架，首次提出了微觀系統(tǒng)的量子特性，從而打開了認(rèn)識(shí)微觀世界的大門，是現(xiàn)代物理學(xué)史上又一次革命性的發(fā)現(xiàn)?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.了解黑體輻射的歷史并明白它在近代物理學(xué)發(fā)展中的重要地位

7、。2.研究物體的輻射面、輻射體溫度對(duì)物體輻射能力大小的影響。3也會(huì)有少量反射。為了獲得較理想的黑體，如圖1所示，人們用不透明材料制作成一個(gè)空腔，內(nèi)部用黑煤煙涂黑(其吸收率高達(dá)95%)，表面開一個(gè)小孔，這個(gè)小孔就是一個(gè)較理想的黑體。外來(lái)輻射一旦進(jìn)人小孔幾乎全部被吸收通常，人們?cè)诎滋炜吹綐欠康拇皯艨偸呛诎档模褪且驗(yàn)檫M(jìn)人室內(nèi)的光經(jīng)多次反射和吸收，從窗戶反射出來(lái)的光已經(jīng)非常微弱的緣故。圖1黑體2.2黑體輻射定律黑體輻射定律1859年，德國(guó)物理

8、學(xué)家基爾霍夫(G.R.Kirchhoff)根據(jù)幾個(gè)放在封閉容器內(nèi)的物體處于熱平衡時(shí)，各物體在單位時(shí)間內(nèi)輻射出的能量等于所吸收能量這一實(shí)驗(yàn)事實(shí)，得出如下結(jié)論：在相同溫度下，?與的比值對(duì)于所有物體都相同，?M??是一個(gè)只取決于溫度和波長(zhǎng)的函數(shù)，記作中，即T?)(T??)()()()()()(02211TMTTMTTMT????????????????????式中的是黑體的單色輻射度。由此可見(jiàn)，對(duì)黑體單色輻射度的研)(0TM??究是研究熱輻射