大學(xué)物理 熱輻射

會(huì)計(jì)學(xué)1大學(xué)物理熱輻射于是1900年英國(guó)物理學(xué)家開(kāi)爾文在瞻望20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展的文章中說(shuō)到：也就是說(shuō)：物理學(xué)已經(jīng)沒(méi)有什么新東西了，后一輩只要把做過(guò)的實(shí)驗(yàn)再做一做，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)后面在加幾位罷了！

但開(kāi)爾文畢盡是一位重視現(xiàn)實(shí)和有眼力的科學(xué)家，就在上面提到的文章中他還講到：“在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中，后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了?！?/p>

--開(kāi)爾文--第1頁(yè)/共26頁(yè)黑體輻射實(shí)驗(yàn)邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)后來(lái)的事實(shí)證明，正是這兩朵烏云發(fā)展成為一埸革命的風(fēng)暴，烏云落地化為一埸春雨，澆灌著兩朵鮮花?！霸谖锢韺W(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵令人不安的烏云，----”第2頁(yè)/共26頁(yè)普朗克量子力學(xué)的誕生相對(duì)論問(wèn)世經(jīng)典力學(xué)量子力學(xué)相對(duì)論微觀領(lǐng)域高速領(lǐng)域第3頁(yè)/共26頁(yè)一、熱輻射

物體在任一溫度下發(fā)射從紅外線、可見(jiàn)光到紫外線的現(xiàn)象?；馉t600度1000度400度因輻射與溫度有關(guān)，故稱熱輻射§4-0黑體輻射乾隆通寶乾隆通寶乾隆通寶火爐1000度第4頁(yè)/共26頁(yè)1）從經(jīng)典物理學(xué)看來(lái)熱輻射過(guò)程的實(shí)質(zhì)是物質(zhì)以電磁波的形式向外輻射能量的過(guò)程。其輻射的能量稱之為輻射能。2）熱輻射有平衡熱輻射與非平衡熱輻射：當(dāng)物體因輻射而失去的能量等于從外界吸收的輻射能時(shí)，這時(shí)物體的狀態(tài)可用一確定的溫度來(lái)描述，這種熱輻射稱為平衡熱輻射。反之稱為非平衡熱輻射。1、注意：2、單色輻出度、輻射出射度、單色吸收率、單色反射率實(shí)驗(yàn)表明：物體輻射能多少?zèng)Q定于物體的溫度（T）、輻射的波長(zhǎng)、時(shí)間的長(zhǎng)短、發(fā)射的面積第5頁(yè)/共26頁(yè)1）單色輻出度（單色發(fā)射本領(lǐng)）單位時(shí)間內(nèi)，溫度為T的物體上單位面積上發(fā)射波長(zhǎng)在+d范圍內(nèi)的輻射能dE與波長(zhǎng)間隔d比值，用e(,T)表示。光源S=1顯然，它是波長(zhǎng)和溫度的函數(shù)2）輻射出射度（總發(fā)射本領(lǐng)）單位時(shí)間內(nèi)從物體單位面積上所輻射的各種波長(zhǎng)的總的輻射能，用E（T）表示。第6頁(yè)/共26頁(yè)光源S=1顯然，它是溫度的函數(shù)實(shí)驗(yàn)表明:吸收與反射的能量與物體溫度有關(guān)、與輻射能的波長(zhǎng)范圍有關(guān).3)單色吸收率單色反射率不透明介質(zhì)E吸吸收E入射入射E反反第7頁(yè)/共26頁(yè)定義：一束波長(zhǎng)為+，強(qiáng)度為E入的電磁輻射入射到溫度為T的物體上時(shí)，若反射光的強(qiáng)度為E反(,T)，吸收光的強(qiáng)度為E吸（，T），則定義：?jiǎn)紊章剩簡(jiǎn)紊瓷渎剩猴@然，對(duì)不透明的物體：不透明介質(zhì)E吸吸收E入射入射E反反第8頁(yè)/共26頁(yè)同除E入（，T）：二、黑體（blackbody）在任何溫度、對(duì)于任何波長(zhǎng)的輻射的吸收率均為1的物體，稱之為黑體。注意：1）黑體是對(duì)入射的輻射能全部吸收（不管什么波長(zhǎng)）的物體，也不反射。因此當(dāng)其自身的熱輻射很弱時(shí)，看上去是黑洞洞的。第9頁(yè)/共26頁(yè)2）黑體是理想化的模型，實(shí)際中的物體的吸收率總是小于1。拋光的銅鏡表面：一般金屬表面：煤煙：3）一個(gè)開(kāi)有小孔的內(nèi)表面粗糙的空腔可近似看成理想的黑體。如遠(yuǎn)處不點(diǎn)燈的建筑物若室內(nèi)點(diǎn)燈（自身輻射不很弱）第10頁(yè)/共26頁(yè)絕熱恒溫體三、基爾霍夫定律（Kirchhoff’sLaw）T=C一個(gè)實(shí)驗(yàn)M1M2B真空N個(gè)不同的物體置于一絕熱恒溫體內(nèi)，經(jīng)過(guò)熱輻射交換能量，達(dá)到熱平衡態(tài)---物體與容器具有相同溫度且保持不變。

但不同物體的輻射出射度是不同的，即每個(gè)物體單位時(shí)間、單位面積輻射的能量

要維持溫度不變，則物體吸收的輻射能必須等于輻射出去的能量是不同的。因此要維持平衡熱輻射，只有輻射能量較多的物體吸收能量也多，反之亦然。第11頁(yè)/共26頁(yè)基爾霍夫定律（Kirchhoff’sLaw）

在同樣的溫度下，各種不同的物體對(duì)相同波長(zhǎng)的單色輻出度與單色吸收率之比值都相等，且等于在該溫度下黑體對(duì)同一波長(zhǎng)的單色輻出度。為黑體的單色輻出度為黑體的單色吸收率其中：物理含義：好的吸收體也是好的輻射體。絕熱恒溫體M1M2B真空T=C第12頁(yè)/共26頁(yè)研究熱輻射的中心問(wèn)題是研究黑體的輻射問(wèn)題四、黑體輻射的實(shí)驗(yàn)研究1、實(shí)驗(yàn)裝置AL1BPL2C黑體準(zhǔn)直系統(tǒng)三棱鏡測(cè)量系統(tǒng)第13頁(yè)/共26頁(yè)2、黑體輻射的規(guī)律1.02.03.04.05.0203010405060(nm)2200K2000K1800K1600K1）斯忒蕃--玻爾茲曼定律：黑體輻射出射度與絕對(duì)溫度有如下關(guān)系：斯忒蕃--玻爾茲曼常數(shù)含義：它說(shuō)明對(duì)于黑體，溫度越高，輻出度

EB(T)越大且隨T增高而迅速增大。第14頁(yè)/共26頁(yè)2)維恩位移定律：黑體溫度增高時(shí)，其單色輻出度的峰值波長(zhǎng)向短波方向傳播，且有如下關(guān)系：峰值波長(zhǎng)T：絕對(duì)溫度火爐1000度2000度800度爐火純青注意：1）以上兩規(guī)律只適用于黑體，對(duì)非黑體只近似成立。1.02.03.04.05.0203010405060(nm)2200K2000K1800K1600K第15頁(yè)/共26頁(yè)2）熱輻射規(guī)律在現(xiàn)代技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用

---高溫測(cè)量、遙感、遙測(cè)、紅外跟蹤等。例：太陽(yáng)可以看成黑體，地球上測(cè)出其峰值波長(zhǎng)為m=5100?，則其表面溫度和輻出度為多少？由解：第16頁(yè)/共26頁(yè)五、熱輻射的理論解釋、普朗克量子假說(shuō)

當(dāng)時(shí)經(jīng)典力學(xué)占統(tǒng)治地位，人們自然用經(jīng)典力學(xué)理論來(lái)解釋熱輻射并建立了兩個(gè)公式：1、維恩公式（Wien’sformula）1896年德國(guó)維恩（Wien）從熱力學(xué)普遍理論出發(fā)，將黑體諧振子能量按頻率分布類同于Maxwell速度分布，由經(jīng)典理論導(dǎo)出以下公式維恩公式C1、C2須用實(shí)驗(yàn)確定。此公式在長(zhǎng)波方面與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不符。1.02.03.04.05.06.07.08.09.0(nm)第17頁(yè)/共26頁(yè)1.02.03.04.05.06.07.08.09.0(nm)2瑞利—瓊斯公式（Rayleigh-jean’sformula）1900年瑞利--瓊斯利用經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)（將固體當(dāng)作諧振子且能量按自由度均分原則及電磁輻射理論）得到一個(gè)公式：C為光速K=1.38065810-23J/K波爾茲曼常數(shù)

此公式在短波區(qū)域明顯與實(shí)驗(yàn)不符，而理論上卻找不出錯(cuò)誤--“紫外線災(zāi)難”,像烏云遮住了物理學(xué)睛朗的天空。

熱輻射實(shí)驗(yàn)第18頁(yè)/共26頁(yè)3、普朗克公式（Planck’sformula）C為光速k波爾茲曼常數(shù)e為自然對(duì)數(shù)底h=6.6310-34j·s稱為普朗克恒量該公式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合得很好！(nm)1.02.03.04.05.06.07.08.09.0第19頁(yè)/共26頁(yè)討論：1）當(dāng)h>>kT（高頻段）維恩公式令：第20頁(yè)/共26頁(yè)2）當(dāng)h<<kT（低頻段）瑞利—瓊斯公式第21頁(yè)/共26頁(yè)普朗克注意到在過(guò)去的理論中，把黑體中的原子和分子都看成可以吸收或輻射電磁波的諧振子，且電磁波與諧振子交換能量時(shí)可以以任一大小的分額進(jìn)行，（從0到大）。普朗克當(dāng)時(shí)大膽地放棄了這一概念，提出了能量的吸收與輻射只能按不連續(xù)的一份一份能量進(jìn)行。第22頁(yè)/共26頁(yè)具體講：輻射物體是由一些線性諧振子組成，對(duì)頻率為的諧振子，它具有的最小能量是h，諧振子具有的其它能量值是h的整數(shù)倍，因此它吸收與輻射的能量也只能是h的整數(shù)倍。即能量只能是：

輻射黑體是由帶電諧振子組成，這些諧振子輻射電磁波并和周圍電磁場(chǎng)交換能量，但這些諧振子只能處于某些特殊的狀態(tài)。它們的能量只能是某些能量子的整數(shù)倍。為諧振子頻率普朗克量子假設(shè)：量子數(shù)第23頁(yè)/共26頁(yè)注意：普朗克這一思想是完全背離經(jīng)典物理，并受到當(dāng)時(shí)許多人的懷疑和反對(duì)，包括當(dāng)時(shí)的物理學(xué)泰斗---洛侖茲。乃至當(dāng)時(shí)普朗克自已也想以某種方式來(lái)消除這一關(guān)系式。它寫道：

“我試圖將h納入經(jīng)典理論的范圍，但一切這樣的嘗試都失敗了，這個(gè)量非常頑固。后來(lái)他又說(shuō)：

“在好幾年內(nèi)我花費(fèi)了很大的勞動(dòng)，徒勞地去嘗試如何將作用量子引入到經(jīng)典理論中去。我的一些同事把這看成是悲劇。但我有自已的看法，因?yàn)槲覐倪@