黑体辐射的实验规律
实验七 黑体辐射
实验七 黑体辐射Black-body Radiation任何物体，只要其温度在绝对零度以上，就向周围发射辐射，这称为温度辐射；只要其温度在绝对零度以上，也要从外界吸收辐射的能量。
处在不同温度和环境下的物体，都以电磁辐射形式发出能量，而黑体是一种完全的温度辐射体，即任何非黑体所发射的辐射通量都小于同温度下的黑体发射的辐射通量；并且，非黑体的辐射能力不仅与温度有关，而且与表面的材料的性质有关，而黑体的辐射能力则仅与温度有关。
在黑体辐射中，存在各种波长的电磁波，其能量按波长的分布与黑体的温度有关。
实验目的(experimental purpose)1.了解黑体实验的发展历史，明确光谱辐射曲线的广泛应用；2.了解黑体实验仪器组件，明确测量过程与分析要素；3.明确黑体实验设计思想,掌握黑体辐射原理与定律。
实验原理(experimental principle)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)。
显然自然界不存在真正的黑体，但许多地物是较好的黑体近似( 在某些波段上)。
黑体不仅仅能全部吸收外来的电磁辐射，且发射电磁辐 射的能力比同温度下的任何其它物体强。
黑体辐射指黑体发出的电磁辐射。
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，使得自然现象中的量子效应被发现。
我们换一个角度来说：所谓黑体辐射其实就是当地的状态光和物质达到平衡所表现出的现象：物质达到平衡，所以可以用一个温度来描述物质的状态，而光和物质的交互作用很强，而如此光和光之间也可以用一个温度来描述（光和光之间本身不会有交互作用，但光和物质的交互作用很强）。
4.1普朗克黑体辐射理论
19世纪末，经典物理学在各个领域都取得了很大的成功
力学
热学
电磁学
19世纪末页，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面不用说，在分子物
理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现
象的 Maxwell方程。另外还找到了力、电、光、声----等都遵循的规律---能量转化与守恒定律。 当时许多物理学家都陶醉在这些成绩之中，认为物理学已经发展到了尽头
能量
h=6.6310-34焦耳 . 秒。----普朗克常数
经典 量子
n为量子数，它只取正整数——能量量子化
E总 nh
3．能量量子化：微观粒子的能量是量子化的，或者说微观粒子的能量是分立 的．只能一份一份地按不连续方式辐射或吸收能量.
普朗克在1900年把“能量子”引入物理学，正确地破除了“能量连续变 化”的传统观念，成为新物理学思想的基石之一。
一方面，各种波长的辐度都有增加； 另一方面，辐射强度的极大值向波长较短的方向移动。
2．经验定律 (1)维恩位移定律：随着黑体温度升
高，所发射的辐射最强的波长变短， 即向光谱的紫色区移动。
(2)瑞利一金斯公式
3) 经典物理学所遇到的困难——解释实验曲线
1）维恩的半经验公式：
M 0
(T )
c1
5
c 2
相对论的问世
经典 力学
微观领域 高速领域
量子力学 相对论
思考与讨论1 在火炉旁边有什么感觉?
一、热辐射
任何温度下，宏观物体都要向外辐射电磁波。电磁波能量的多少， 以及电磁波按波长的分布都与温度有关，故称为热辐射。 辐射的能量及其波长的分布都随温度而变化。 热辐射的主要成分: 室温时 主要成分为波长较长的电磁波
实验七 黑体辐射
实验七 黑体辐射Black-body Radiation任何物体，只要其温度在绝对零度以上，就向周围发射辐射，这称为温度辐射；只要其温度在绝对零度以上，也要从外界吸收辐射的能量。
处在不同温度和环境下的物体，都以电磁辐射形式发出能量，而黑体是一种完全的温度辐射体，即任何非黑体所发射的辐射通量都小于同温度下的黑体发射的辐射通量；并且，非黑体的辐射能力不仅与温度有关，而且与表面的材料的性质有关，而黑体的辐射能力则仅与温度有关。
在黑体辐射中，存在各种波长的电磁波，其能量按波长的分布与黑体的温度有关。
实验目的(experimental purpose)1.了解黑体实验的发展历史，明确光谱辐射曲线的广泛应用；2.了解黑体实验仪器组件，明确测量过程与分析要素；3.明确黑体实验设计思想,掌握黑体辐射原理与定律。
实验原理(experimental principle)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)。
显然自然界不存在真正的黑体，但许多地物是较好的黑体近似( 在某些波段上)。
黑体不仅仅能全部吸收外来的电磁辐射，且发射电磁辐 射的能力比同温度下的任何其它物体强。
黑体辐射指黑体发出的电磁辐射。
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，使得自然现象中的量子效应被发现。
我们换一个角度来说：所谓黑体辐射其实就是当地的状态光和物质达到平衡所表现出的现象：物质达到平衡，所以可以用一个温度来描述物质的状态，而光和物质的交互作用很强，而如此光和光之间也可以用一个温度来描述（光和光之间本身不会有交互作用，但光和物质的交互作用很强）。
黑体辐射实验
一、实验目的
1、了解和掌握黑体辐射的光谱分布——普朗克辐射 定律 2、了解和掌握黑体辐射的积分辐射——斯忒藩玻尔 兹曼定律
E T 理（ w 3 ） mm
E T
2 1082 2680
3 1178 2600
4 1136 选择 2550
选择
5 1196 2500
1072 2860
3
2448.8 1782.9 1520.9 1390.4 1256.3 2441.4 1775.7 1517.6 1382.2 1259.3
实（
能量子假说：辐射黑体分子、原子的振动可看作 谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些 谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振 子的能量并不象经典物理学所允许的可具有任意值。相 应的能量是某一最小能量ε（称为能量子）的整数倍， 即：ε, 1ε, 2ε, 3ε, ... nε. n为正整数，称为量子数。
五、实验数据及数据处理
1、验证普朗克辐射定律（取五个点，每条曲线上取一个）。
打开五个寄存器中的数据，显示五条能量曲线。 选择验证黑体辐射菜单中的普朗克辐射定律 在界面弹出的数据表格中点击计算按钮。 设计表格，记录数据。注：为了减小误差，选取曲线上 能量最大的那一点。
表2： 1 波长 (nm) 色温T（K）
式中 T 为钨丝的温度为T 时的总辐射系数，其值为该温度 下钨丝的辐射强度与绝对黑体的辐射强度之比：
RT T T 4
RT T ET
钨丝灯的辐射光谱分布 R T 为：
(完整版)黑体辐射实验报告
黑体辐射特性测量一、实验目的1、通过实验验证维恩位移定律与斯特藩—玻尔兹曼定律2、学会使用黑体辐射实验的操作软件3、了解黑体辐射的发展二、实验仪器及用具WGH—10型红外光谱仪、稳压溴钨灯三、实验原理1、维恩位移定律由普朗克公式的极值定出黑体辐射能量的谱密度的峰位λM就得到维恩位移定律：λMT=b（b=2.898*10^(-3)mK）2、斯特藩—玻尔兹曼定律1879年，奥地利物理学家斯特藩根据实验结果总结出一条关于黑体辐射本领与温度之间关系的规律：黑体的总辐射能量与绝对温度的四次方成正比。
1884年玻尔兹曼根据电磁学和热力学的理论，导出这个关系，这就是斯特藩定律，可表述为：黑体辐射的总辐射本领R0与绝对温度T的四次方成正比，即：R0(T)=σT⁴四、实验方案及注意事项1、实验方案用WGH-10型外光谱仪记录福射体在80Onm——2500nm波段的相对辐射谱密度曲线，研究其辐射特性。
采用溴钨灯经过修正来代替黑体，结合实验软件提供的各遍度下绝对黑体的理论辐射谱密度曲线，验证普朗克辐射定律、斯特藩玻耳兹曼定律和维恩位移定律。
进行此验证时可使用实验软件提供的黑体理论辐射曲线作为验证对象，但要注意测得数据只具有相对意义。
软件中提供了归一化功能，该项功能的作用是将测得的数据曲线来以一一个系数，使谈曲线的峰值高度与理论曲线的峰值高度相同。
若实验数据符合理论值的话，归一化之后二者在定的波长范围内重合得较好。
在己知色温的电流下对溴钨灯的辐射谱进行扫描，扫描前选中“传递函数””修正为黑体”两项，对扫描所得的的数据进行归一化处理，使用软件中内置的功能取得该温皮下的理论黑体辐射请线，在若干个波长处(位置大致平均分布在曲线上:)算出实测值与理论值的相对误差δ=ΔE/E。
,然后计算平均相对误差。
根据平均相对误差的大小来确定实验结果是否支持普朗克辐射定律，由于实验仪器的精度限制，一般来来说平均相对误差在5%以内，即可认为实验结果支持普朗克辐射定律。
1.3 黑体辐射实验规律
大学物理——量子物理
黑体辐射实验规律
一. 绝对黑体
若一个物体在任何温度下，对于任何频率（波长）电磁
波的单色吸收比都等于 1, α(λ,T ) 1
则称它为绝对黑体,简称黑体。
根据基尔霍夫定侓
M1 M2
1( ) 2( )
I(,T )
黑体是完全的吸收体，也是理想的辐射体
绝对黑体的单色辐出度
M0 λ (T
)
M0 λ (T ) α0 ( λ,T )
I(λ,T )
谢谢
--- 研究热辐射的中心问题
如何寻找黑体呢？
研究热辐射时，太阳被看成黑体。
人造绝对黑体模型 — 带有小孔就可以得到不同温度下黑体的
单色幅出度随波长（频率）变化的关
吸收
系曲线。
发射 给空腔体加热
二. 黑体辐射的基本规律
1. 斯特藩—玻耳兹曼定律
M0
0
M0 d
T4
斯特藩常数 5.67051108 W（ / m2 K4）
2. 维恩位移定律
黑体辐射出的光谱中辐射最强
的波长 m与黑体温度T之间满足：
mT b
维恩常数
b 2.897756103m K
黑体辐射应用：高温遥感和红外追踪 高温比色测温仪 估算表面温度
1964年，彭齐亚斯和威尔逊接 收到一种在空间均匀分部的微波 信号噪声，称为宇宙背景辐射。 这一结论与宇宙大爆炸理论预言 的结果一致。
p141黑体辐射的规律
[解析]在任何温度下对任意波长的电磁波只吸 收不反射的物体称为绝对黑体，简称黑体。
{范例14.1} 黑体辐射的规律
黑体的单色辐射本领是在单位时间内从物体表
面单位面积上所发射的波长在λ到λ + dλ范围内 的辐射能量dP(λ,T)与波长间隔dλ之比
{范例14.1} 黑体辐射的规律
根据实验得出两个黑体辐射实验规律。黑体的总辐射本 领(能力)为P(T) = σT4，这就是斯特藩-玻尔兹曼定律， 其中，σ = 5.67×10-8W/(m2·K4)，σ称为斯特藩常数。
黑体的单色辐射本领(能力)的峰值波长与温 度的关系为Tλm = b，这就是维恩位移定律， 其中，b = 2.897×10-3m·K，b称为维恩常数。
M(,T)dP(,T) d
M(λ,T)表示在单位时间内从物体表面单位面积
发射的波长在附近单位波长间隔内的辐射本 其中，k为玻
领，是波长和温度的函数，其单位是W/m3。 尔兹曼常数，
普朗克提出的 黑体单色辐射 本领的公式为
M(,T)
2πhc2
5[exp( hc )1]
kT
h为普朗克常 数，c为真空 中的光速。
由此可得CI = 5.6688×10-8， 这就是斯特藩常数。
{范例14.1} 黑体辐射的规律
x hc , kT
M(x,T)
2πk4T4x5 h3c2(ex1)
当波长趋于零时， x趋于无穷大，单色辐射本领M趋于零；
当波长趋于无穷大时， x趋于零，单色辐射本领M也趋于零。
因此单色辐射本领随波长的变化有极值。
kT
h3c2(ex1)
dx hc d kT2
普朗克黑体辐射理论(高中物理教学课件)
A.是紫外线
B.是红外线
C.光子能量约为1.3×10-18 J
D.光子数约为每秒3.8×1016个
例10.萤火虫是一种能发光的小昆虫,我国古代有人叫它 “夜照”.萤火虫主要生活在树丛中、小河边.夏天的夜晚, 它在空中飞来飞去,尾部那黄绿色的光点一闪一闪的,像一 盏盏小灯笼.通常情况下灯泡只有10%的功率用以发光,其 余的90%全都转化成热浪费了.而萤火虫却不发热,可以使 其功率全部用以发光.若萤火虫发光的功率P=0.01 W,设 其发光向四周均匀辐射,平均波长λ=10-6 m,普朗克常量
二束光在相同时间内打到物体表面的光子数之比为5∶4，
则这两束光的光子能量之比和波长之比分别为（ D ）
A.4∶5 4∶5
B.5∶4 4∶5
C.5∶4 5∶4
D.4∶5 5∶4
例8.一盏电灯的发光功率为100W，假设它发出的光向四
周均匀辐射，光的平均波长为λ＝6.0×10-7m，普朗克常
量为6.63×10-34J·s，光速为3×108m/s，在距电灯10m远
一.黑体与黑体辐射
1.热辐射：一切物体都在辐射电磁波，这种辐射 与物体的温度有关，所以叫作热辐射 2.黑体：如果某种物体能够完全吸 收入射的各种波长的电磁波而不发 生反射，这种物体就是绝对黑体， 简称黑体 3.黑体辐射：黑体虽然不反射电磁波，却可以向 外辐射电磁波，这样的辐射叫作黑体辐射
注意： ①一般物体辐射与温度、材料、表面状况（形状）有关 ②黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与它的温度有 关。
第26章 原子结构和波粒二象性
01.普朗克黑体辐射理论 图片区
十九世纪末期，经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为 三大支柱的经典物理理论已经形成。1900年初开尔文勋爵在皇家 学会的新年致辞中总结说：“动力理论肯定了热和光是运动的两 种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，第 一朵乌云出现在光的波动理论上（以太理论），第二朵乌云出现 在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上（黑体辐射）。”
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1900年，普朗克抛弃了能量是连续的 传统经典物理观念，导出了与实验完全 符合的黑体辐射经验公式。在理论上导 出这个公式，必须假设物质辐射的能量 是不连续的，只能是某一个最小能量的 整数倍。普朗克把这一最小能量单位称 为“能量子”。普朗克的假设解决了黑 体辐射的理论困难。普朗克还进一步提 出了能量子与频率成正比的观点，并引
十
五
章
量
子 物
问题：
理
2. 什么是光电效应？
安宏
2021/2/8
第 光电效应——光的微粒说——爱因斯坦
十 五 章 量1. 存在红限频率。 子 物2. 光照到金属表面光电流立即产生。 理3. 光的最大动能只与光的频率有关，与光强无关。
4. 存在饱和光电流。
光电子 金属
爱因斯坦——190—5年—光量子理论
物 看成理想的黑体。
理
一般物体——吸收 反射 透射
绝对黑体——吸收
辐射
整个热辐射研究可简化为黑体辐射的研究
安宏
2021/2/8
第热辐射的实验曲线
十
五 章
热辐射的实验规律
量
子
M (T)
物
60
2200K
理
50
21080000000度度度 火 炉
40 2000K
30
20
1800K
炉火纯青
10
1600K
每一升空气似乎都在激烈地对流和振荡。
一个伟大的时代需要伟大的人物，有史 以来最出色和最富激情的 “黄金一代” 物理学家便在这乱世的前夕成长起来。
安宏
2021/2/8
第 量子理论的三大先驱 十 五 章 量 子 物 理
玻尔15
普朗克42
1900年 量子概念
安宏
爱因斯坦21
1905年
2021/2/8
第
五
章1900.6年瑞利--金斯利从电动力学和统计力学
量子出发导出
物
理
紫外灾难
M (T)
1.02.0 3.04.0 5.0 6.0 7.0 8安.0 9宏.0
公式在短波区域 明显与实验不符， 而理论上却找不出 错误
2021/2/8
第
十
五
新实验
章
尖锐矛盾
量
经典物理
子
物
理
0 结果
相对论
紫外灾难
安宏
量子论
玻尔15
1913年
普朗克42
1900年 量子概念
安宏
爱因斯坦21
1905年
2021/2/8
第 何谓热辐射
十
五 章
物物体体在在任任一一温温度度下下发发射射从从红红外外线线、、可可见见光光到到
量 子
紫紫外外线线的的λλ连连续续的的电电磁磁波波。。
物
理
安宏
2021/2/8
第 十 五 章
量 素材来源 子 教学大纲
安宏
2021/2/8
第 光电效应——光的微粒说——爱因斯坦
十•爱因斯坦光量子假说(1905)
五 章
1）光束——粒子流——光子（光量子）流
量 子
2）光子的能量
hν
物
理 3）单色光的强度 I Nhν
•爱因斯坦光电效应方程
hν1mV2 W 2m
逸出功 安宏
2021/2/8
第 光电效应——光的微粒说——爱因斯坦
法，因为我从这种深入剖析中获得了极大的好处
，起初我只是倾向于认为，而现在是确切地知道
作用量子 将在物理中发挥出巨大作用”。
安宏
2021/2/8
第量子概念的诞生
十
五
章
量子论这个精灵蹦跳在时代的最前缘，它
量 需要最有锐气的头脑和最富有创见的思想来激
hν 子
物
活它的灵气。
理
20世纪初，物理学的天空中已是黑云压城，
2021/2/8
第量子概念的诞生
十
五 普朗克量子假说
章
量
1900年12月14
子 日
物 理
hν
能量不连续，只能取某一最小能量的 整数倍!!!!!
E n n
n1.2.3 量子数
h = 6.6310安-34宏J·s
称为普朗克恒量 2021/2/8
第量子概念的诞生
十 量子理论带来了出人意料的
五
章
科学上
十
五
章
量
子
物
密立根
hν1mV2 W 2m
理
1916年，密立根的实验结果完全肯定了爱因斯坦的 光电效应方程，并且测出当时最好的普朗克常数h的值。
但他研究的初衷不是去证明爱因斯坦的光电 效应公式，而是要推翻爱因斯坦的公式。
1923 年获诺贝尔物理学奖，以表彰他对基本 电荷和光电效应的工作。
安宏
2021/2/8
物 看成理想的黑体。
理
一般物体——吸收 反射 透射
绝对黑体——吸收
辐射
安宏
2021/2/8
第绝对黑体
十 五
注意：
章 量
黑体当其自身的热辐射很弱时，看上去是黑洞洞的。
子
物
理
如远处不点灯的建筑物
若室内点灯
（自身辐射较强）
好的吸收体也是好的辐射体
安宏
2021/2/8
第绝对黑体
十 五
注意：
章 量 子
一个开有小孔的内表 面粗糙的空腔可近似
量
hν 子
技术上
物
理
社会上
哲学上
的多种多样的新鲜成果
也逐渐成了20世纪物理学中的“唯一思想模式”
揭示了微观世界中一个重要规律，
开创了物理学的一个全新领域。
安宏
2021/2/8
第量子概念的诞生
十 “这一发现成为20世纪整个物理研究的基础，从
五 章
那时起，几乎完全决定了物理学的发展”。
量
——爱因斯坦
安宏
2021/2/8
第 康普顿效应的量子解释
十
五 康普顿效应的量子解释: 能量、动量守恒
章 量
(1) 入射光子与外层电子弹性碰撞
子
物
理
0
自由电子
外层电子受原子核束缚较弱, 近似自由.
碰撞时光子损失能量，波长改变.
安宏
2021/2/8
第 康普顿效应的量子解释
十
五 康普顿效应的量子解释: 能量、动量守恒
理
面积上吸收能与入射能之比
r(T)a(T)1
绝对黑体（黑体）——在任何温度下，对任何波长的辐射能
的吸收率恒为1的物体。
子理论来解释热辐射并建立了两个公式：
物
理
1.02.0 3.04.05.0 6.0 7.08.0 9.0
1）维恩公式（Wien’s formula）
维恩公式在长波 方面与实验不符
1896年德国维恩（Wien）从热力学普遍理论
出发导出
安宏
2021/2/8
第热辐射规律的理论解释
十2）瑞利--金斯公式（Rayleigh-jean’s formula）
五
章
量
子
物
理
1927
康普顿的X射线实验室
对证实康普顿效应作出了重要贡献
在康普顿的一本著作中曾19处提到吴有训
吴有训
安宏
2021/2/8
第
十
五 章
例
光电效应和康普顿效应都包含有电子与光子的相互
量 作用过程，对此，在以下几种理解中，正确的是( )
子 物 (A) 两种效应中电子与光子两者组成的系统都服从动 理 量守恒定律和能量守恒定律．
(B) 两种效应都相当于电子与光子的弹性碰撞过程．
(C) 两种效应都属于电子吸收光子的过程．
(D) 光电效应是吸收光子的过程，而康普顿效应则相 当于光子和电子的弹性碰撞过程．
安宏
2021/2/8
第
十
五 章 量
作业本P29
子
物 理
一. 1、2、3
二. 1、7
三. 1 、2、5
安宏
2021/2/8
第 量子理论的三大先驱 十 五 章 量 子 物 理
章 量
(2) 入射光子与内层电子弹性碰撞
子
物
理
0
0
原子
内层电子被紧束缚，光子相当于和整个原子发生碰撞。 光子质量远小于原子，碰撞时光子不损失能量，波长不变。
安宏
2021/2/8
第 康普顿效应的量子解释
十
五 康普顿效应的量子解释: 能量、动量守恒
章 量
光子和电子作弹性碰撞的结果
子 物
1、若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传
物
理 教学日历
使用教材
教辅资料
教师简介
大学物理A
——电子课件
作者姓名：安宏 工作单位：大连大学物理科学与技术学院 联系方式：电话-3
邮箱-
安宏
2021/2/8
第 十 五 章 量 子 物 理
普朗克
Max Karl Ernst Ludwig Planck
( 1858―1947)
德国物理学家，量子物理学的开 创者和奠基人，1918年诺贝尔物理学奖 金的获得者。
量 子
紫外线的λ连续的电磁波。
物
理
安宏
2021/2/8
第 何谓热辐射
十
五
章 物体在任一温度下发射从红外线、可见光到
量 子 物
紫外线的λ连续的电磁波。
0.6 mm～760 nm之间的电磁波称为红外线