大學(xué)物理 熱輻射

會計(jì)學(xué)1大學(xué)物理熱輻射于是1900年英國物理學(xué)家開爾文在瞻望20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展的文章中說到：也就是說：物理學(xué)已經(jīng)沒有什么新東西了，后一輩只要把做過的實(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>

--開爾文--第1頁/共26頁黑體輻射實(shí)驗(yàn)邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)后來的事實(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/共26頁普朗克量子力學(xué)的誕生相對論問世經(jīng)典力學(xué)量子力學(xué)相對論微觀領(lǐng)域高速領(lǐng)域第3頁/共26頁一、熱輻射

物體在任一溫度下發(fā)射從紅外線、可見光到紫外線的現(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/共26頁1）從經(jīng)典物理學(xué)看來熱輻射過程的實(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：物體輻射能多少決定于物體的溫度（T）、輻射的波長、時(shí)間的長短、發(fā)射的面積第5頁/共26頁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)射波長在+d范圍內(nèi)的輻射能dE與波長間隔d比值，用e(,T)表示。光源S=1顯然，它是波長和溫度的函數(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的總的輻射能，用E（T）表示。第6頁/共26頁光源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/共26頁定義：一束波長為+，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：單色吸收率：單色反射率：顯然，對不透明的物體：不透明介質(zhì)E吸吸收E入射入射E反反第8頁/共26頁同除E入（，T）：二、黑體（blackbody）在任何溫度、對于任何波長的輻射的吸收率均為1的物體，稱之為黑體。注意：1）黑體是對入射的輻射能全部吸收（不管什么波長）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/共26頁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/共26頁絕熱恒溫體三、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/共26頁基爾霍夫定律（Kirchhoff’sLaw）

在同樣的溫度下，各種不同的物體對相同波長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同一波長的單色輻出度。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/共26頁研究熱輻射的中心問題是研究黑體的輻射問題四、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)三棱鏡測量系統(tǒng)第13頁/共26頁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溫度有如下關(guān)系：斯忒蕃--玻爾茲曼常數(shù)含義：它說明對于黑體，溫度越高，輻出度

EB(T)越大且隨T增高而迅速增大。第14頁/共26頁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向短波方向傳播，且有如下關(guān)系：峰值波長T：絕對溫度火爐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，對非黑體只近似成立。1.02.03.04.05.0203010405060(nm)2200K2000K1800K1600K第15頁/共26頁2）熱輻射規(guī)律在現(xiàn)代技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用

---高溫測量、遙感、遙測、紅外跟蹤等。例：太陽可以看成黑體，地球上測出其峰值波長為m=5100?，則其表面溫度和輻出度為多少？由解：第16頁/共26頁五、熱輻射的理論解釋、普朗克量子假說

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/共26頁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/共26頁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/共26頁討論：1）當(dāng)h>>kT（高頻段）維恩公式令：第20頁/共26頁2）當(dāng)h<<kT（低頻段）瑞利—瓊斯公式第21頁/共26頁普朗克注意到在過去的理論中，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/共26頁具體講：輻射物體是由一些線性諧振子組成，對頻率為的諧振子，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/共26頁注意：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，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。后來他又說：

“在好幾年內(nèi)我花費(fèi)了很大的勞動，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@