黑體輻射實(shí)驗(yàn)-2

黑體輻射實(shí)驗(yàn)（一）、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?/p>

1、掌握黑體基本理論

2、掌握黑體輻射能量的測(cè)量和任意發(fā)射光源的輻射能量的測(cè)量

3、學(xué)會(huì)利用相同的裝置驗(yàn)證黑體的輻射定律（二）、實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)備

黑體的基本理論

物體在一定的溫度下發(fā)出電磁輻射，如果理想熱輻射體表面溫度已知，那么其輻射特性就可以完全確定。

黑體在溫度T時(shí)的光譜輻射出射度M等于普適函數(shù)。1900年，普朗克根據(jù)他提出的量子理論建立了的準(zhǔn)確表達(dá)式，得到了與實(shí)驗(yàn)完全相同的結(jié)果。這就是著名的普朗克輻射公式。

式中：＿＿第一輻射常量，其值為3.7418

＿＿＿第二輻射常量，其值為1.4388；

M＿＿單位為.

普朗克公式是光輻射的一個(gè)重要的基本公式。從這個(gè)公式出發(fā)，可以推導(dǎo)出其他有關(guān)的輻射公式。

根據(jù)基爾霍夫定律可知，絕對(duì)黑體的總輻射出射度只是溫度的函數(shù)，1879年斯忒藩根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到一條經(jīng)驗(yàn)定律：絕對(duì)黑體的積分輻射出射度與其熱力學(xué)溫度的四次方成正比。1884年，玻爾茲曼根據(jù)熱力學(xué)理論推導(dǎo)出了與斯忒藩經(jīng)驗(yàn)定律相一致的結(jié)果，因此，稱為斯－玻定律。

將上式對(duì)所有波長(zhǎng)積分，就得到絕對(duì)黑體的積分輻射出射度，

即＝

此式為斯忒藩－玻耳茲曼定律，其中稱為斯忒藩－玻爾茲曼常量。斯忒藩－玻爾茲曼定律表明，黑體的全輻射出射度與熱力學(xué)溫度的四次方成正比。因此，溫度T微小的變化，就會(huì)引起輻射出射度很大的變化。

凡溫度在絕對(duì)零度以上的物體均能夠發(fā)出紅外輻射，其輻射的峰值波長(zhǎng)與物體的溫度有確定的關(guān)系：

式中λm——物體輻射的峰值波長(zhǎng)

T——物體的溫度

B——常數(shù)（2898μm·K）

此為輻射度學(xué)中的維恩位移定律，意為只要物體有溫度，則一定有固定波長(zhǎng)的輻射，自然界的物體溫度如果在-40℃～3000℃（233K～3273K）范圍，則根據(jù)上述公式，峰值輻射波長(zhǎng)在0.88～12μm之間，即人們通常所說(shuō)的紅外波段。2．實(shí)驗(yàn)裝置及工作原理

WGH–10性黑體實(shí)驗(yàn)裝置,油光柵單色儀,接受單元,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,計(jì)算機(jī)及打印機(jī)組成.該設(shè)備集光學(xué),精密機(jī)械,電子學(xué)，計(jì)算機(jī)技術(shù)與一體.溴鎢燈光源，可調(diào)溴鎢燈供電源，紅外光柵單色器，紅外濾光片，硫化鉛（PbS）光接收器，光調(diào)制器，信號(hào)采集單元，數(shù)據(jù)采集與單色儀控制軟件及計(jì)算機(jī)等。

主機(jī)部分有以下幾部分組成：?jiǎn)紊?，狹縫，接收單元，光學(xué)系統(tǒng)以及光柵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。紅外單色器光路采用C－T型，如圖1。

圖1紅外單色器光學(xué)原理圖

M1反射鏡、M2準(zhǔn)光鏡、M3物鏡，M4反射鏡、M5深橢球鏡

G平面衍射光柵、S1入射狹縫、S2，S3出射狹縫、T調(diào)制器

狹縫為直狹縫，寬度范圍0—2.5mm連續(xù)可調(diào)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為狹縫寬度加大，反之減小，每旋轉(zhuǎn)一周狹縫寬度變化0.5mm。為延長(zhǎng)使用受命，調(diào)節(jié)時(shí)注意最大不超過(guò)2.5mm,平時(shí)不使用時(shí)，狹縫最好開(kāi)到0.1－0.5mm左右。

為去除光柵光譜儀中的高級(jí)次光譜，在使用過(guò)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。

圖2WGH-10型黑體實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)裝置的工作區(qū)間在800-2500nm，所以選用硫化鉛（PbS）為光信號(hào)接收器，從單色儀出縫射出的單色光信號(hào)經(jīng)調(diào)制器，調(diào)制成50HZ的頻率信號(hào)被PbS接收，選用的PbS是晶體管外殼結(jié)構(gòu)、該系列探測(cè)器是將硫化鉛元件封裝在晶體管殼內(nèi)，充以干燥的氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w，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。

標(biāo)準(zhǔn)黑體應(yīng)是黑體實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)置，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)黑體其價(jià)格太高，所以本實(shí)驗(yàn)裝置采用穩(wěn)壓溴鎢燈作光源。鎢絲燈是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。

式中為溫度T時(shí)的總輻射系數(shù)，它是給定溫度鎢絲的輻射強(qiáng)度與絕對(duì)黑體的輻射強(qiáng)度之比，因此

或

式中B為常數(shù)，1.47×10-4鎢絲燈的輻射光譜分布RλT為：

本次實(shí)驗(yàn)的鎢燈光源，有實(shí)測(cè)的工作電流與色溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)。（三）、實(shí)驗(yàn)步驟與內(nèi)容

1、仔細(xì)閱讀實(shí)驗(yàn)講義，按要求正確連接電路。檢查無(wú)誤后，打開(kāi)溴鎢燈電源預(yù)熱；打開(kāi)主機(jī)電源，連接好USB數(shù)據(jù)線。

2、建立傳遞函數(shù)曲線

（1）將標(biāo)準(zhǔn)光源電流調(diào)整為“溴鎢燈的色溫”表中色溫為2940K時(shí)電流所在位置；

（2）預(yù)熱20分鐘后，在系統(tǒng)上記錄該條件下全波段圖譜；該光譜曲線包含了傳遞函數(shù)的影響；

（3）點(diǎn)擊“驗(yàn)證黑體輻射定律”菜單，選“計(jì)算傳遞函數(shù)”命令，將該光譜曲線與已知的光源能量曲線相除，即得到傳遞函數(shù)曲線，并自動(dòng)保存。

以后用戶在做測(cè)量時(shí)，只要將菜單欄中右上方“傳遞函數(shù)”點(diǎn)擊成“傳遞函數(shù)”。后再測(cè)未知光源輻射能量線時(shí)，此時(shí)測(cè)量的結(jié)果已扣除了儀器傳遞的影響。

3、修正為黑體

任意發(fā)光體的光譜能量輻射本領(lǐng)與黑體輻射都有一系數(shù)關(guān)系軟件內(nèi)提供了鎢的發(fā)射系數(shù)，并能通過(guò)點(diǎn)擊修正黑體的菜單進(jìn)行修正，此時(shí)，測(cè)量溴鎢燈的輻射能量曲線將自動(dòng)修正為同溫度下黑體的曲線。

4、驗(yàn)證黑體輻射定律

（1）驗(yàn)證普朗克輻射定律

（2）驗(yàn)證斯特藩－波爾茲曼定律

（3）驗(yàn)證維恩位移定律

（綜合性實(shí)驗(yàn)是指實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及本課程的綜合知識(shí)或與本課程相關(guān)知識(shí)的實(shí)驗(yàn)，不是單一的。設(shè)計(jì)性