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阅读 15119 次 历史版本 2个 创建者:和sky做邻居 (2012/3/1 16:49:55)  最新编辑:小小 (2015/1/15 9:55:51)
黑体辐射
拼音:hēitǐ fúshè (Heiti Fushe)
英文:Black body
同义词条:Black body
  黑体辐射指黑体发出的电磁辐射。黑体不仅仅能全部吸收外来的电磁辐射,且散射电磁辐射的能力比同温度下的任何其它物体强。黑体辐射能量按波长的分布仅与温度有关。对于黑体的研究,使自然现象中的量子效应被发现。

绝对黑体


绝对黑体的制备
绝对黑体的制备
  绝对黑体:物体的吸收本领与υ和T无关,恒等于1,简称黑体。即绝对黑体辐射本领:,所以只要测量绝对黑体的辐射本领,即可获得热辐射的标准能谱。

  物体加热到高温时,就会发光,随着温度的升高,发光的颜色也不断变化,开始时是红光,然后逐渐变黄、变绿、变蓝、变白。实际上物体表面总是在不断地吸收接收到的电磁辐射,同时又不断地向外发射电磁辐射。物体表面吸收电磁辐射的能力和发射电磁辐射的能力成正比,吸收能力最强的物体发射能力也最强。光是一种电磁波,热辐射也是一种电磁波,但它和光不同,它不能被直接看到。黑色的物体对各种颜色的光都不反射、都吸收,对热辐射也是都不反射、都吸收。电磁辐射包括的范围很广,波长长的是通常的无线电长波、中波、短波、超短波、微波,波长再短的是红外线,即热辐射,然后是可见光:红、橙、黄、绿、青、蓝、紫,接着又是不可见的紫外线,波长更短的是X射线,然后是伽玛射线。如果某物体对所有各种波长的电磁辐射都完全不反射、都完全吸收,就称为“绝对黑体”。绝对黑体是吸收电磁辐射能力最强的物体,也就是发射电磁辐射能力最强的物体。

  绝对黑体是理想化的物理模型,实际物质不可能是真正的绝对黑体。一般用开小孔,内壁粗糙的空腔来制备绝对黑体。这是因为光射进小孔后,要经过内壁无穷次反射后,才有非常微弱的光从小孔重新射出,孔越小,从小孔处反射出的光越微弱,近似可看作光全部被吸收。用这种方法人们可以制备非常理想的绝对黑体,并测量黑体辐射谱。

  举个例来说,我们观测到宇宙背景辐射(CMBR),对应到一个约3K的黑体辐射,这暗示宇宙早期光是和物质达到平衡的。而随着时间演化,温度慢慢降了下来,但方程式依然存在。(频率和温度的效应抵销)

黑体辐射规律


黑体辐射定律
黑体辐射定律
  对空腔(绝对黑体)加热,并测量其在不同温度下的热辐射曲线:

  实验满足以下规律:

  1. 维恩位移定律(Wien's displacement law): =常数,即随着温度升高,热辐射峰值向短波高频方向移动。

  2. 斯特番-玻耳兹曼定律(Stefan and Boltzman's law):黑体辐射本领与热力学温度四次方成正比,即:叫作斯特番-玻耳兹曼常数。

  3. 为了解释黑体辐射的实验数据,维恩假设气体分子辐射频率只与其速度有关,得到维恩公式:,其中:为常量。

  4. 瑞利根据能量按自由度均分和经典电动力学,得到瑞利-金斯公式(Rayleighand Jeans law):,显然这个公式对高频无效,因为此时能量密度趋于无限大,这就是著名的紫外灾难。

相关背景

紫外灾难

  研究具有一定温度的黑体发射电磁辐射的规律,发射的电磁辐射包括的波长从很长到相当短的都有,辐射能量随辐射的频率形成一定的分布。如果黑体的温度很低,发射的电磁辐射主要是频率较低的,即波长较长的电磁辐射。如果黑体的温度较高,发射的电磁辐射主要是频率较高的,即波长较短的电磁辐射。1893年德国物理学家维恩(Wil-helm Wien)发现辐射能量最大的频率值正比于黑体的绝对温度,并给出辐射能量对频率的分布公式,这个公式在大部分频率范围内都与实验符合得很好,只在频率很小时与实验符合得不好(见图)。既然黑体辐射讨论的是电磁波的发射问题,电磁学中已经知道,带电粒子或电流作简谐振动时就将辐射电磁波,黑体辐射问题就应该可以在电磁学的理论基础上讨论解决。1899年,英国物理学家瑞利(Third Baron Rayleign)和天体物理学家金斯(JamesHopwood Jeans)在电动力学和统计物理学的基础上从理论上又普遍导出一个辐射能量对频率的分布公式。在这个公式中,当辐射的频率趋于无穷大时,辐射的能量是发散的。实际上,这个公式在频率小时与实验符合得很好,但在频率大时与实验严重不符合(见图),在这里,经典物理学理论碰到了严重的困难。由于频率很大的辐射处在紫外线波段,故而这个困难被称为“紫外灾难”。

  19世纪末,经典物理学体系已经在几乎所有方面都取得了巨大的成功。当时在许多科学家心中普遍存在着一种乐观的情绪,认为宏伟的科学大厦已经基本建立起来了,当然还有一些小问题没有解决,后辈的物理学家只要对现有的理论进行一些小小的补充和修正就能够解决了。的确,那时经典物理学已经成为一套相当完美的体系,人们能够用它来解释大到天体运行,小到烧一壶开水等形形色色的物理现象。但是,正如英国物理学家开尔文(Lord Kelvin)所说的,在物理学晴朗的天空的远处,还存在着两朵“乌云”。其中一朵指的是迈克尔孙-莫雷实验,它的结果否定了“以太”的存在,最终导致了相对论的诞生,;另一朵指的就是“紫外灾难”,它使物理学家们最终建立了量子力学。这两朵乌云的存在,正在开始动摇经典物理学的基础,从而引发物理学史上一场伟大的革命。

普朗克的量子假说

黑体辐射频率分布图
黑体辐射频率分布图
  为了解决瑞利-金斯公式遇到的困难,1900年,德国物理学家普朗克(Max Planck)提出量子假说:频率为v电磁辐射的发射是按照最小能量单位hv的整数倍进行的。这里h是一个普适常数,称为普朗克常数。在这个假说的基础上,普朗克普遍导出一个新的辐射能量对频率的分布公式,这个公式在频率小时自动回到瑞利-金斯公式,在频率大时又自动回到维恩公式,对所有频率都与实验符合得很好(见图)。

  这个假说太富于革命性了,在它刚被提出时,没有人赞同它,甚至连普朗克本人都不喜欢它。的确,在经典物理学的思想里,能量是连续的,而在量子假说中,能量只能是一份一份地被发出来,这看上去是不可思议的。普朗克认为这个假说破坏了物理学的完美,实际上,他还曾经花费了15年的时光来试图找到一种能从经典物理学导出的方法来代替量子假说以解决科学家们在黑体辐射方面所遇到的困难。但是这个试探没有成功,只有采用量子假说,黑体辐射的理论才能与实验很好地符合。直到5年以后,瑞士美籍德国物理学家爱因斯坦(Albert Einstein)的努力才真正使人们注意到了量子假说所闪现的光芒。

普朗克常数

  既然能量是量子化的,那么为什么我们平时观察到的能量的传递都是连续的呢?问题的关键在普朗克常数上面,它的数值是h=6.6260755×10-34J·s。

  这个数值实在是太小了,一般可见光的频率在1015赫兹的数量级,也就是说可见光的光量子的能量大约在10-19焦耳的数量级,这对于我们平时所接触到的宏观世界来说实在是微不足道的。就好像我们能望见一望无际的汪洋大海,却看不到海水里的水分子。同样,我们感觉不到能量子的存在,除非我们进入到了原子的尺度,从原子的角度来看待问题,量子效应就变得十分重要了。
 

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