黑體紅外熱輻射實驗

1、1黑體紅外熱輻射實驗黑體紅外熱輻射實驗熱輻射是19世紀(jì)發(fā)展起來的新學(xué)科，至19世紀(jì)末該領(lǐng)域的研究達(dá)到頂峰，以致于量子論這個嬰兒注定要從這里誕生。黑體輻射實驗是量子論得以建立的關(guān)鍵性實驗之一，也是高校實驗教學(xué)中的一個重要實驗。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，波長覆蓋范圍理論上可從0到∞，而一般的熱輻射主要靠波長較長的可見光和紅外線。物體在向外輻射的同時，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)實驗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，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（或頻率）分布的公式，又稱維恩公式。這個公式的短波部分同實驗數(shù)據(jù)很好符合，并足以解釋為什么光譜的極大強度在黑體的溫度升高時愈來愈向短波方向移

3、動。3.1900年，瑞利應(yīng)用經(jīng)典統(tǒng)計力學(xué)和電磁理論來計算一個封閉腔的熱輻射。他指出，隨著封閉腔被加熱，那么封閉腔中將建立一個電磁場，這個電磁場可分解成為一個具有不同頻率和不同方向的駐波系統(tǒng)，每一個這樣的駐波就是電磁場的一個基本狀態(tài)。于是在一定頻率間隔內(nèi)的場能的計算變?yōu)槿?dǎo)出基元駐波的個數(shù)，由此得到一個新的熱輻射公式。可是瑞利在推導(dǎo)中錯了一個因數(shù)8，這個錯誤為英國當(dāng)時只有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處理黑體輻射的又一重要嘗試。這個公式表明，輻射能量密度的頻率分布正比于頻率的平方。于是在長波部分與實驗數(shù)據(jù)基本相符，但在短波部分卻完全不相符合，因此此時按公式計算而得到的輻射能量將變成無窮大，顯然這是不可能的。古典理論與實驗事實產(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”。事實上，維恩公式與瑞利—金斯公式，各從一個側(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，為了得到和實驗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、能量時只能由一個可能狀態(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，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)?！緦嶒?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、輻射體溫度對物體輻射能力大小的影響。3也會有少量反射。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空腔，內(nèi)部用黑煤煙涂黑(其吸收率高達(dá)95%)，表面開一個小孔，這個小孔就是一個較理想的黑體。外來輻射一旦進(jìn)人小孔幾乎全部被吸收通常，人們在白天看到樓房的窗戶總是黑暗的，就是因為進(jìn)人室內(nèi)的光經(jīng)多次反射和吸收，從窗戶反射出來的光已經(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，德國物理

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