黑體紅外熱輻射實(shí)驗(yàn)

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1、黑體紅外熱輻射實(shí)驗(yàn)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(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)中一重要實(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(shí)，還將吸收從其他物體輻射的能量，且物體輻射或吸收的能量與它的溫度、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

2、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(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)愈來愈向短波方向移動(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，那么腔中將建立一個(gè)電磁場，這個(gè)電磁場可分解成為

3、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的一個(gè)基本狀態(tài)。于是在一定頻率間隔內(nèi)的場能的計(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。可是瑞利在推導(dǎo)中錯(cuò)了一個(gè)因數(shù)8，這個(gè)錯(cuò)誤為英國當(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，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(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

4、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)

5、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)），ε0=hv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。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(shí)微觀世界的大門，是

6、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。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。83.研究物體輻射能量和距離之間的關(guān)系?！緦?shí)驗(yàn)器材】溫度控制器、黑體輻射測(cè)試架、紅外熱輻射傳感器、紅外轉(zhuǎn)換器，光學(xué)導(dǎo)軌（60cm）、導(dǎo)線等。【實(shí)驗(yàn)原理】1.熱輻射??????19世紀(jì)，由于冶金、高溫測(cè)量技術(shù)和天文學(xué)等領(lǐng)域的研究和發(fā)展，人們開始了對(duì)熱輻射的研究。所謂熱輻射是指物體內(nèi)的分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁輻射的現(xiàn)象。由于分子熱運(yùn)動(dòng)

7、是物體存在的基本屬性，因此任何物體在任何溫度下都會(huì)產(chǎn)主熱輻射。不同溫度下，輻射能量集中的波長范圍不同。在6000℃以下，物體的熱輻射波長在紅外和遠(yuǎn)紅外波段。隨著溫度的升高，物體熱輻射的能量逐漸增強(qiáng)，輻射波長趨向短波段、當(dāng)溫度達(dá)到6000℃～7000℃之間，物體開始呈現(xiàn)暗紅色，這表明輻射波段開始進(jìn)人可見光區(qū)域。隨著物體溫度的繼續(xù)升高，輻射的波長進(jìn)一步向短波方向移動(dòng)，物體變得鮮紅，甚至白熱。為了定量描述熱輻射的性質(zhì)，我們引人描述熱輻射的兩個(gè)物理量：（1）單色輻射度，其單位為W·m-3。其定義為：溫度為

8、時(shí)，從物體表面單位面積上輻射出的波長介于與之間的輻射功率與的比值，即單色輻射度與波長和溫度有關(guān)，其定義式表示為：（2）?輻射度，其單位為W·m-2。其定義為：在一定溫度下，物體表面單位面積發(fā)射的包含各種波長在內(nèi)的輻射功氧它與單色輻射度的關(guān)系為??????值得指出：物體在向外發(fā)射輻射能的同的，也在吸收外來的輻射能，當(dāng)輻射能人射到不透明物體的表面時(shí)，一部分能量被吸收，一部分能量被反射。描述物體吸收能力的物理量稱為吸收率。定義為：吸收能且與入射總能量的比值。不同的物體的吸收電磁輻射的能力