實驗十八 黑體輻射實驗

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1、實驗十八黑體輻射實驗一、實驗?zāi)康?.了解黑體和一般發(fā)光體輻射強度的關(guān)系；2.掌握測量一般發(fā)光光源的輻射能量曲線的方法3.驗證普朗克輻射定律；4.驗證斯忒藩一波耳茲曼定律；5.驗證維恩位移定律；二、黑體輻射和實驗基本理論1．黑體輻射任何物體，只要絕對不為零，就會向周圍發(fā)射輻射，這稱為熱輻射。黑體是一種完全的熱輻射體，即，任何非黑體所發(fā)射的輻射通量都小于同溫度下的黑體發(fā)射的輻射通量。在熱平衡下，黑體的輻射能力則僅與溫度有關(guān)。黑體的輻射亮度在各個方向都相同，即黑體是一個完全的余弦輻射體。輻射能力小于黑體，但輻射的光譜分布與黑

2、體相同的溫度輻射體稱為灰體。2．黑體輻射定律（1）黑體輻射的光譜分布——普朗克輻射定律普朗克提出，在空腔輻射體中電磁輻射的能量是量子化的。根據(jù)這一假定，在某一溫度下達到平衡時，黑體的光譜輻射度可表示為：（瓦/米3）（18-1）式中c為光速，h為普朗克常數(shù)，C1=3.74×10-16（瓦米2）、常數(shù)C2=1.4398′10-2（米開爾文）。黑體光譜輻射亮度由下式給出：（瓦/米3球面度）（18-2）圖18-1黑體的頻譜亮度LλT隨波長變化6圖2-1給出黑體的頻譜亮度隨波長的變化，其中每一條曲線上都標出黑體的絕對溫度。與諸曲

3、線的最大值相交的對角直線表示維恩位移定律。（2）黑體的積分輻射——斯忒藩—波爾茲曼定律此定律用輻射度表示為，（瓦特/米2）（18-3）T為黑體的絕對溫度，d為斯忒藩—波爾茲曼常數(shù)，d==5.670×10-8（瓦/米2?開爾文4）（18-4）其中，k為波爾茲曼常數(shù)，h為普朗克常數(shù)，c為光速。由于黑體輻射是各向同性的，所以其輻射亮度與輻射度有關(guān)系（18-5）于是，斯忒藩—波爾茲曼定律也可以用輻射亮度表示為（瓦特/米2?球面度）（18-6）（3）維恩位移定律光譜亮度的最大值的波長lmax與它的絕對溫度T成反比，（18-7）A

4、為常數(shù)，A=2.896′10-3（米×開爾文）。這一波長對應(yīng)的黑體光譜輻射亮度由式（18-1）、（18-2）和（18-7），有=4.10T5′10-6（瓦特/米3?球面角?開爾文5）隨著溫度的升高，絕對黑體光譜亮度的最大值的波長向短波方向移動。三、實驗裝置和測量1．實驗儀器本實驗主要儀器為WGH-10型黑體實驗裝置，其由光柵單色儀，接收單元，掃描系統(tǒng)，電子放大器，A/D采集單元，電壓可調(diào)的穩(wěn)壓溴鎢燈光源，以及計算機組成。6圖18-2光譜儀光學(xué)原理圖M1反射鏡、M2準光鏡、M3物鏡，M4反射鏡、M5深橢球鏡、M6轉(zhuǎn)鏡、G

5、平面衍射光柵、S1入射狹縫、S2，S3出射狹縫、T調(diào)制器。入射狹縫、出射狹縫均為直狹縫，寬度范圍0－2.5mm連續(xù)可調(diào)，光源發(fā)出的光束進入入射狹縫S1，S1位于反射式準光鏡M2的焦面上，通過S1射入的光束經(jīng)M2反射成平行光束投向平面光柵G上，衍射后的平行光束經(jīng)物鏡M3成象在S2上。經(jīng)M4、M5會聚在光電接受器D上。注意，狹縫調(diào)節(jié)時最大不超過2.5mm，平日不使用時，最好開到0.1－0.5mm左右。為去除光柵光譜儀中的高級次光譜，在使用過程中，操作者可根據(jù)需要把備用的濾光片插入入縫插板上。光譜儀的主要參數(shù)為：M2、M3的

6、焦距：302.5mm；光柵G每毫米刻線300條，閃耀波長1400nm；濾光片工作區(qū)間：第一片：800－1000nm，第二片：1000－1600nm、第三片：1600－2500nm。由于標準黑體其價格昂貴，所以本實驗用穩(wěn)壓溴鎢絲燈作光源代替標準黑體它可看作為一種選擇性的輻射體，它產(chǎn)生的光譜是連續(xù)的它的總輻射本領(lǐng)RT可由下式求出。(18-8)式中εT為溫度T時的總輻射系數(shù)，它是給定溫度鎢絲的輻射強度與絕對黑體的輻射強度之比，因此或(18-9)式中B為常數(shù)，1.47×10-4鎢絲燈的輻射光譜分布RλT為（18-10）6黑體和

7、鎢絲燈輻射強度的關(guān)系，生廠商給出了一套標準的工作電流與色溫度對應(yīng)關(guān)系的資料（見表18-1）。表18-1：溴鎢燈工作電流——色溫對應(yīng)表（僅作參考，數(shù)據(jù)可能有所不同）電流(A)色溫(k)1.4022201.5023001.6023701.7024201.8024701.9025202.0025702.1026502.2028002.3028602.502940本實驗裝置的工作區(qū)間在800-2500nm，所以選用硫化鉛（PbS）為光信號接收器，從單色儀出縫射出的單色光信號經(jīng)調(diào)制器，調(diào)制成50HZ的頻率信號被PbS接收，選用的

8、PbS是晶體管外殼結(jié)構(gòu)、該系列探測器是將硫化鉛元件封裝在晶體管殼內(nèi)，充以干燥的氮氣或其它惰性氣體，并采用熔融或焊接工藝，以保證全密封。該器件可在高溫，潮濕條件下工作且性能穩(wěn)定可靠。2．實驗測量（1）任何儀器的信號輸入與輸出之間存在一一對應(yīng)的關(guān)系，這種關(guān)系稱之為響應(yīng)，或傳遞函數(shù)。測量輻射光源的光譜儀同樣有這種關(guān)系，它來自于輻射能量受