黑体辐射公式 黑体辐射实验

黑体辐射?

任何物体都具有不断辐射、吸收、反射电磁波的性质。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的,也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关,因而被称之为热辐射。为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律,物理学家们定义了一种理想物体——黑体(black body),以此作为热辐射研究的标准物体。

延伸阅读

黑体所发射的辐射能力与什么有关?

热辐射是19世纪发展起来的一门新学科,它的研究得到了热力学和光谱学的支持,因此发展得很快。

1859年,柏林大学教授基尔霍夫根据实验的启发,提出了黑体辐射的概念。所谓黑体是指一种能够完全吸收投射在它上面的辐射而全无反射和透射的、看上去全黑的理想物体。他认为用黑体来研究热辐射是一种非常理想的实验模型。这一观念为热辐射的深入研究提供了一条理想的思路,为了得出与实验相符合的黑体定律,许多科学家尝试了各种不同的方法。1895年,德国物理学家维恩从理论分析得出,可以用加热的空腔代替涂黑的铂片来代表黑体,实验表明这样的黑体所发射的辐射能量密度只与它的温度和频率有关,而与它的形状及组成物质无关。这一做法使得热辐射的实验研究又大大地推进了一步。1896年,维恩根据热力学的普遍原理和一些特殊的假设提出一个黑体辐射能量按频率分布的公式,后来人们称它为维恩辐射定律。同一时期,柏林大学的理论物理学家普朗克也加入了热辐射研究的行列。他用热力学方法研究黑体辐射理论。1899年,他得到了一个和维恩辐射定律一致的关系式。随着实验的深入,普朗克发现维恩及他自己得出的辐射定律并不完全正确,公式在短波部分与实验中观察到的结果较为符合,但在长波部分就明显与实验不符了。正当普朗克尝试修改辐射公式时,1900年6月,英国物理学家瑞利发表论文批评维恩在推导辐射公式时引入了不可靠的假定。他把统计物理学的能量均分定理用于一个以太振动模型,导出了新的公式,即瑞利公式。这个公式在长波部分与观察一致,而短波部分则与实验大相径庭。为了在黑体辐射的维恩公式和瑞利公式之间寻求协调统一,普朗克决定从理论上推导出一个普遍化公式的定律。受两个公式的启发,他采用内插的方法,很快就把代表短波方向的维恩公式和代表长波方向的瑞利公式综合到了一起,这也就是普朗克辐射定律。10月19日,他在德国物理学会的会议上以《论维恩辐射定律的改进》为题报告了自己的结果,他指出:电磁振荡只能以量子的形式发生,并且量子的能量和频率之间存在一个确定的关系,它是一个自然的基本常数。作为理论物理学家,普朗克并不满足于找到一个经验公式,他要进一步探求这个公式的理论基础。为了从理论上推导这一新定律,普朗克又连续紧张地工作了两三个月,在1900年底时,他提出一个大胆的、革命性的假设:每个带电线性谐振子发射和吸收能量是不连续的,这些能量值只能是某个最小能量元e的整数倍,而每个能量元和振子频率成正比。由这一假设,普朗克推出了著名的黑体辐射公式。后来人们称e为能量子,称h为普朗克常数。12月24日,普朗克在德国物理学会上以《论正常光谱能量分布定律的理论》为题报告了自己的结果。

为什么黑体会辐射(不是说黑体只吸收电磁波而不反射电磁波吗?)?

一切物体都在辐射电磁波,这种辐射叫热辐射,这个行为是物体的自发行为。所以黑体也会向外辐射,即黑体辐射。一切物体除了热辐射外,物体表面还会吸收和反射外界射来的电磁波。常温下,我们能看到物体的颜色就是反射光导致的。

一些物体在光线的照射下看起来比较黑,是因为它吸收了照过来的光,即吸收电磁波的能力比较强,反射电磁波的能力比较弱。

单从吸收的角度讲,如果能完全吸收各种波长的电磁波而不发生反射,就是黑体了。

黑体辐射是大学物理内容吗?

是的,是大学物理的内容。一般在大学物理下册会学到。

黑体辐射是指由理想放射物放射出来的辐射,在特定温度及特定波长放射最大量之辐射。同时,黑体是可以吸收所有入射辐射的物体,不会反射任何辐射,但黑体未必是黑色的,例如太阳为气体星球,可以认为射向太阳的电磁辐射很难被反射回来,所以认为太阳是一个黑体。

“黑体辐射定律”是什么?

任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的,也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关,因而被称之为热辐射。为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律,物理学家们定义了一种理想物体——黑体(black body),以此作为热辐射研究的标准物体。   所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收,既没有反射,也没有透射( 当然黑体仍然要向外辐射)。黑洞也许就是理想的黑体.  基尔霍夫辐射定律(Kirchhoff),在热平衡状态的物体所辐射的能量与吸收的能量之比与物体本身物性无关,只与波长和温度有关。按照基尔霍夫辐射定律,在一定温度下,黑体必然是辐射本领最大的物体,可叫作完全辐射体。   普朗克辐射定律(Planck)则给出了黑体辐射的具体谱分布,在一定温度下,单位面积的黑体在单位时间、单位立体角内和单位波长间隔内辐射出的能量为   B(λ,T)=2hc2 /λ5 ·1/exp(hc/λRT)-1   B(λ,T)—黑体的光谱辐射亮度(W,m-2 ,Sr-1 ,μm-1 )   黑体光谱辐射出射度M(λ,T)与波长、热力学温度之间关系的公式:  M=c1/[λ^5(exp(c2/λT)-1)],其中c1=2πhc^2,c2=hc/k.  黑体能量密度公式:  E*dν=c1*v^3*dv/[exp(c2*v/T)-1)]  E*dv表示在频率范围(v,v+dv)中的黑体辐射能量密度。  λ—辐射波长(μm)   T—黑体绝对温度(K、T=t+273k)   C—光速(2.998×108 m·s-1 )   h—普朗克常数, 6.626×10-34 J·S   K—波尔兹曼常数(Bolfzmann), 1.380×10-23 J·K-1 基本物理常数   由图2.2(缺)可以看出:   ①在一定温度下,黑体的谱辐射亮度存在一个极值,这个极值的位置与温度有关, 这就是维恩位移定律(Wien)   λm T=2.898×103 (μm·K)   λm —最大黑体谱辐射亮度处的波长(μm)   T—黑体的绝对温度(K)   根据维恩定律,我们可以估算,当T~6000K时,λm ~0.48μm(绿色)。这就是太阳辐射中大致的最大谱辐射亮度处。   当T~300K, λm~9.6μm,这就是地球物体辐射中大致最大谱辐射亮度处。   ②在任一波长处,高温黑体的谱辐射亮度绝对大于低温黑体的谱辐射亮度,不论这个波长是否是光谱最大辐射亮度处。   如果把B(λ,T)对所有的波长积分,同时也对各个辐射方向积分,那么可得到斯特番—波耳兹曼定律(Stefan-Boltzmann),绝对温度为T的黑体单位面积在单位时间内向空间各方向辐射出的总能量为B(T)   B(T)=δT4 (W·m-2 )   δ为Stefan-Boltzmann常数, 等于5.67×10-8 W·m-2 ·K-4   但现实世界不存在这种理想的黑体,那么用什么来刻画这种差异呢?对任一波长, 定义发射率为该波长的一个微小波长间隔内, 真实物体的辐射能量与同温下的黑体的辐射能量之比。显然发射率为介于0与1之间的正数,一般发射率依赖于物质特性、 环境因素及观测条件。如果发射率与波长无关,那么可把物体叫作灰体(grey body), 否则叫选择性辐射体。

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