黑体辐射
黑体辐射
1-2 黑体辐射何谓黑体？一般的物体对外来的辐射，都有反射和吸收作用（假定透明度为零）. 若一个物体对外来的一切波长的辐射，在一切温度下都能够全部吸收而不发生反射，该物体称为绝对黑体，简称黑体. 事实上当然不存在绝对黑体，但有些物体可以近似地作为黑体来处理，比如，一束光一旦从狭缝射入空腔体内，就很难再通过该狭缝反射回来，那么，这个开着狭缝的空腔体就可以看作是黑体.所有的物体都能发射热辐射，而热辐射和光辐射一样，都是一定频率范围内的电磁波，在常温和低温下，物体一般辐射出不可见的红外线；而在高温下，会辐射可见光、紫外线. 黑体是一种物体，自然也应该辐射电磁波.【实验原理】历史上，很多物理学家都企图用经典理论解释黑体辐射规律.1859年基尔霍夫以实验证明了黑体与热辐射达到平衡时，单色辐射能量密度E(ν,T )随频率ν变化曲线的形状与位置只与黑体的绝对温度有关，而与腔体的形状及组成的材料物质无关.1877年玻尔兹曼由分子运动论认识到熵S 与几率的对数成正比. 他的方法是将能量E 划分为P 个相等的小份（叫能量元ε）, 这些能量元ε在N 个谐振子中可以按不同的比例分给单个谐振子. 若单个谐振子的平均能量：NP N E U ε==(1-2-1) 假设有W 种分配方案（也叫配容数），则：k S N =W l N (1-2-2) 配容数W 就是几率，k 为玻尔兹曼常量，2310346.1-⨯=k （J/K ），N 个谐振子系统的熵N S 是单个谐振子的熵的N 倍.1893年维恩从实验中发现了黑体辐射的位定律. 他假定辐射能量按频率的分布类似于麦克斯韦速度分布律，得到了现在称之为维恩公式的辐射公式()Taeb T λλλ--=5,R (1-2-3)式中R(λ,T )称为单色辐射度（旧称为单色发射本领），它表示在单位时间内，在黑体的单位面积上从λ到λ+d λ内，单位波长间隔内所辐射出的能量；T 表示绝对温度，a ，b 是两个任意常数，分别称为第一和第二辐射常数. 维恩公式只在短波段与实验结果相符合，在长波段则出现明显偏差.1895年普朗克正在德国柏林大学任理论物理教授，经常参加德国帝国技术物理研究所有关热辐射的讨论. 他认为维恩的推导不大令人信服. 于是从1897年起，投身于这个问题的研究. 普朗克把电磁理论用于热辐射和谐振子的相互作用，通过熵的计算，得到了维恩分布定律，从而使这个定律获得了普遍意义. 但他发现温度增高时，在长波方向，与实验结果仍有偏差，看来需作某些修正. 这时英国物理学家瑞利从另一途径也提出了能量分布定律.1900年6月，瑞利（后经金斯修改）发表了一篇论文，他根据经典电动力学和统计物理学推导而得单色辐射能量密度E(ν,T )由下式决定：ννπννd 8d ),E(23kT cT =(1-2-4) 即瑞利——金斯公式. 式中c 为光速，k 为玻尔兹曼常量，T 为热力学温度，ν为辐射频率. 此公式在低频部分与实验还算相符，但随频率增大与实验值的差距越来越大，当∞→ν时引起发散，这是当时有名的“紫外灾难”, 见图1-2-1.1900年12月14日普朗克在德国物理学会提出：电磁辐射的能量只能是量子化的. 他认为以频率ν作谐振动的振子其能量只能取某些分立值，在这些分立值决定的状态中，其对应的能量应该是某一最小能量的h ν整数倍, 即E=n h ν n=1,2,3,… 这最小的能量称为能量子，h 称为普朗克常量，341065.6⨯=h J ⋅s ，在此能量量子化的假定下，他推导出著名的普朗克公式：()1d 8d ,23-=kT he c h T E νννπνν (1-2-5) 因为 νλc= (1-2-6)λλνd d 2c=(1-2-7)将(1-2-6)和(1-2-7)代入(1-2-5)得1d 8d ),E(5-=kT hc e hc T λλλπλλ (1-2-8)即黑体辐射波长在(λλλd ,+)范围中单色辐射能量密度的分布公式，它与实验结果符合的很好. 普朗克提出的能量子假说具有划时代的意义，标志了量子物理学的诞生，因此获得了1918年诺贝尔物理学奖.考虑到单色辐射能密度E(λ,T )与单色辐射度R(λ,T )之间的关系：),R(4),E(T cT λλ=，(1-2-8)式还可写成如下形式： 1d 2d ),R(52-=kThcehc T λλλπλλ (1-2-9)图1-2-1 黑体辐射能量图 图1-2-2二维恩位移图普朗克公式经微分后可得维恩位移定律：Tk hcm λ=4.965 (1-2-10) 式中m λ为黑体辐射曲线的峰值对应的波长，T 为绝对黑体温度，其他各意义同上. 见图1-2-2，光谱亮度的最大值的波长与它的绝对温度成反比：T A m /=λ (1-2-11)A 为常数，A =2.8978310-⨯m ⋅k ，随温度的升高，绝对黑体光谱亮度的最大值的波长位置会向短波方向移动. 只要测出λ，就可求得黑体的温度，这为光测高温得供了另一种手段。
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黑体辐射实验19世纪末，物理学晴朗的天空中飘着两朵乌云，其中之一被称为“紫外灾难”，即瑞利和金斯用经典的能量均分定理并不能完全解释热辐射现象。
1900年，普朗克提出金属空腔壁以与振子频率成正比的能量子为基本单元来吸收或发射能量，得到著名的普朗克公式，从理论上解释了黑体辐射频谱分布。
这一贡献引起物理学的一场革命，对量子理论的建立起到了重要作用。
本实验利用WGH ——10型黑体实验装置测量黑体的辐射能量曲线，从而验证普朗克公式，唯恩位移定律以及斯特藩——玻耳兹曼定律，并进一步研究黑体与一般发光体辐射强度的关系，学会测量一般发光光源的辐射能量曲线。
一、实验原理1、热辐射，黑体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。
黑体的特点：1、热辐射与辐射体材料的具体性质无关。
2、黑体辐射仅与温度有关。
3、黑体是为理论研究方便假想出来的，世界上不存在真正的黑体。
2、描述热体辐射的几个物理量单色辐出度()T M λ：在单位时间内物体从表面单位面积上发射的波长界于λ和λd 之间的辐射电磁波能量λE d 则λE d 与λd 之比称为单色辐出度()T M λ 即()T M λ=λE d /λd （与辐射体的温度和辐射波长有关）。
（1）辐出度()T M ：在单位时间内物体从单位表面积上发射的所有各种波长的电磁波能量总和为辐出度()T M 即()()λλd M T M =T ⎰∞（1）2）单色吸收率()T λa ：当辐射从外界入射到物体表面时，被物体吸收的能量与入射总能量之比称为吸收率A ，其中波长在λ到λ+λd 之间的吸收率A d 与λd 之比为单色吸收率()T λa 即()λλd d a A=T （2）3、黑体辐射定律（1）斯特藩——玻耳兹曼定律此定律首先由斯特藩于1879年从实践数据的分析中发现。
黑体辐射名词解释
黑体辐射名词解释
黑体辐射，也称之为核电磁辐射，是由原子弹、核反应堆以及射线技术等可
观测核技术产生的一种辐射能。
它指的是射线的能量以电磁波的形式被释放出来。
由于具有伦理与安全性的威胁，黑体辐射一直被严格监管。
黑体辐射有很多类型，比如可见光、紫外线和X射线仅仅是其中的几种。
这种
辐射的性质为单色的、短波的、高能的电磁辐射，且具有穿透性，能够穿过绝大多数物质，当它们与物质碰撞时会释放出能量。
说起黑体辐射，首先应引起人们对它的足够重视，一定要谨慎处理和使用，防
止造成污染和对人体造成伤害。
一般情况下，人们长时间接触黑体辐射可能会有不良后果，其中常见的损害有损伤皮肤、眼睛、呼吸道等组织和器官，同时还可能对免疫力造成干扰，甚至诱发癌症。
因此，为了人们的健康，应避免接触黑体辐射。
对于待在高辐射水平区域的人群，最好避免低限，使用保护设施并减少长期接触时间。
另一方面，应当充分改进监测技术与抗辐射研究，以更好地分析黑体辐射的危害，以免发生不可逆转的事故。
什么叫黑体辐射
B(λ, T)=2hc2 /λ5·1/exp(hc/λRT)1
B(λ, T)—黑体的光谱辐射亮度(W, m2 , Sr1 ,μm1 )
λ—辐射波长(μm)
T—黑体绝对温度(K、T=t+273k)
图表62410K下的斯特潘玻尔兹曼定律数据
误差：△=（1.91591.8214）/1.9159=4.9%
5
图表72580K下的斯特潘玻尔兹曼定律数据
误差：△=（2.57022.5164）/2.5164=2.1%
图表82670K下的斯特潘玻尔兹曼定律数据
误差：△=（3.03642.8863）/2.8863=5.2%
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。
中国石油大学近代物理实验实验报告成班级：姓名：同组者：教师：
黑体辐射实验
1、了解黑体辐射实验现象,掌握辐射研究方法。
2、学会仪器调整与参数选择,提高物理数量关系与建模能力。
3、通过验证定律,充实物理假说与思想实验能力。
黑体是指能够完全吸收所有外来辐射的物体,处于热平衡时,黑体吸收的能量等于辐射的能量,由于黑体具有最大的吸收本领,因而黑体也就具有最大的辐射本领。这种辐射是一种温度辐射,辐射的光谱分布只与辐射体的温度有关,而与辐射方向及周围环境无关。事实上当然不存在绝对黑体,但有些物体可以近似地作为黑体来处理,比如,一束光一旦从狭缝射入空腔体内,就很难再通过该狭缝反射回来,那么,这个开着的狭缝空腔体就可以看作是黑体。
黑体辐射通俗理解
黑体辐射通俗理解
摘要：
一、黑体辐射的定义
二、黑体辐射的特点
三、斯特藩- 玻尔兹曼定律
四、普朗克辐射定律
五、黑体辐射与量子力学的关系
六、实际应用与前景
正文：
黑体辐射是指黑体（理想热辐射体）在热平衡状态下产生的辐射现象。
黑体辐射具有以下特点：
1.连续谱：黑体辐射的强度与波长之间的关系是连续的，没有明显的谱线。
2.强度与温度成正比：黑体辐射的强度与温度成正比，这一特点由斯特藩- 玻尔兹曼定律描述。
3.紫外灾难：经典物理理论无法解释黑体辐射在紫外区的强度分布，导致紫外灾难。
为了解决紫外灾难，普朗克提出了量子假说，认为能量是以离散的量子形式传递的。
这一假说不仅解决了紫外灾难，还为量子力学的发展奠定了基础。
黑体辐射的研究对量子力学产生了深远的影响。
从黑体辐射现象中，科学家们发现了量子化、能量量子、波粒二象性等重要概念。
这些概念为量子力学
的发展奠定了基础。
在实际应用中，黑体辐射在许多领域都有重要作用，如热辐射、太阳能电池、红外遥感等。
黑体辐射什么
黑体辐射什么
黑体辐射是指一个处于热平衡状态的理想物体所发出的电磁辐射。
其名称“黑体”是因为这个物体能够完全吸收所有射入它的辐射，不反射也不透过任何辐射。
黑体辐射的研究与理解起源于19世纪，当时科学家们通过实验观察到，当一个物体被加热至足够高的温度时，它会发出一种特定的光谱，这种光谱与物体的温度有关。
根据理论推导和实验测量，经典物理学建立了黑体辐射的描述模型。
根据普朗克的理论，黑体辐射的能量与频率之间存在一定的关系，即普朗克公式。
这个公式描述了单位面积、单位时间内每个频率的辐射能量的数量。
根据普朗克公式，辐射的能量随着其频率的增加而增加，而根据维恩位移定律，辐射最强的频率对应于其温度的倒数。
黑体辐射的研究不仅对物理学有重大影响，还对天文学和热力学等其他科学领域都有重要意义。
通过观察天体的光谱，科学家们可以推断出它们的温度和成分，从而了解宇宙的起源和演化。
在热力学中，黑体辐射是理解热平衡和热传导等现象的关键。
黑体辐射理论的发展也导致了量子力学的诞生。
经典物理学无法解释黑体辐射中的紫外灾变问题，而量子理论则成功解释了这一现象。
这一发现标志着经典物理学的失败，同时也为量子力学的发展铺平了道路。
总之，黑体辐射是一个重要的物理现象，它在物理学、天文学和热力学等领域都有广泛应用。
通过对黑体辐射的研究，科学家们不仅在理论上增进了对自然界的理解，还在技术上取得了一系列重大突破，如发展了激光、红外线技术等。
黑体辐射大吗
黑体辐射大吗
黑体辐射是指处在一定温度下的物体所发出的热辐射。
根据黑体辐射定律，黑体辐射的强度与温度的四次方成正比。
因此，较高温度的黑体辐射的强度要远远大于较低温度的黑体辐射。
黑体辐射的强度与波长也有关系。
根据维恩位移定律，黑体辐射的峰值波长与温度呈反比关系。
也就是说，较高温度的黑体辐射的峰值波长较短，辐射能量较高。
通过斯特藩-玻尔兹曼
定律可以看出，黑体辐射的总辐射能量与温度的四次方成正比，即边际增加，也使得整体辐射能量显著增加。
由此可见，较高温度的黑体辐射的强度要远远大于较低温度的黑体辐射。
这也是为什么高温物体看起来会比低温物体更加亮丽的原因。
举个例子，一个处于红色状态的物体其实就是较低温度的黑体辐射，而一个被加热到白热状态的物体则是较高温度的黑体辐射。
此外，黑体辐射也具有重要的实际应用。
根据黑体辐射的特性，我们可以通过测量物体的辐射热量来确定其温度。
这在工业生产中具有重要的意义，例如在冶金行业中，我们可以通过测量熔炉内金属的黑体辐射来确定金属的温度，从而控制熔炉的加热过程。
总的来说，黑体辐射的强度与温度的四次方成正比，较高温度的黑体辐射具有更高的辐射能量。
这也是为什么高温物体看起来比低温物体更亮丽的原因。
此外，黑体辐射还具有实际应用，可以通过测量其辐射热量来确定物体的温度。
黑体辐射通俗理解
黑体辐射通俗理解黑体辐射是物体在热平衡状态下发出的电磁辐射，也被称为热辐射。
它是由于物体内部的分子和原子的热运动引起的。
所有物体在绝对零度时，其分子和原子将停止运动，不再发出辐射。
但是在室温下，物体的分子和原子会以不同的速度运动，从而产生不同频率和能量的辐射。
这种辐射的特点是无需媒介传播，可以在真空中传播，因此也被称为真空辐射。
黑体辐射的能谱分布可以通过普朗克辐射定律来描述。
根据普朗克辐射定律，黑体辐射的能量与频率呈正比，即能量越高，频率越大。
同时，根据斯特凡-玻尔兹曼定律，黑体辐射的总辐射功率与物体的温度的四次方成正比。
这意味着温度越高，黑体辐射的功率越大。
根据普朗克辐射定律和斯特凡-玻尔兹曼定律，可以推导出黑体辐射的能谱分布公式，即普朗克公式。
普朗克公式可以用来计算不同温度下的黑体辐射能谱分布。
根据普朗克公式，黑体辐射的能谱分布呈现出一个峰值，峰值对应的频率称为峰值频率。
峰值频率与物体的温度成正比，即温度越高，峰值频率越大。
根据普朗克公式，可以得出黑体辐射的另一个重要性质——斯特凡-玻尔兹曼定律。
根据斯特凡-玻尔兹曼定律，黑体辐射的总功率与温度的四次方成正比。
这意味着温度越高，黑体辐射的总功率越大。
斯特凡-玻尔兹曼定律为理解黑体辐射的能量转换提供了重要依据。
除了能谱分布和总功率，黑体辐射还具有其他一些特性。
首先，黑体辐射是各向同性的，即无论从哪个方向观察，其辐射强度都是相同的。
其次，黑体辐射的强度与观察者的位置无关，只与物体的温度有关。
再次，黑体辐射的强度与观察者所处的环境无关，即无论在真空中还是在介质中观察，其强度都是相同的。
黑体辐射在许多领域都有重要应用。
在天文学中，黑体辐射被用来研究星体的性质和组成。
在工程领域中，黑体辐射被用来设计和优化照明设备和太阳能电池等能源设备。
在医学领域中，黑体辐射被用来研究人体组织的热传导和热损伤等问题。
总之，黑体辐射是由物体内部分子和原子的热运动引起的电磁辐射。
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中国石油大学近代物理实验实验报告成绩：
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黑体辐射实验
【实验目的】
1、了解黑体辐射实验现象，掌握辐射研究方法。
2、学会仪器调整与参数选择，提高物理数量关系与建模能力。
3、通过验证定律，充实物理假说与思想实验能力。
【实验原理】
黑体是指能够完全吸收所有外来辐射的物体，处于热平衡时，黑体吸收的能量等于辐射的能量，由于黑体具有最大的吸收本领，因而黑体也就具有最大的辐射本领。
这种辐射是一种温度辐射，辐射的光谱分布只与辐射体的温度有关，而与辐射方向及周围环境无关。
事实上当然不存在绝对黑体，但有些物体可以近似地作为黑体来处理，比如，一束光一旦从狭缝射入空腔体内，就很难再通过该狭缝反射回来，那么，这个开着的狭缝空腔体就可以看作是黑体。
1、黑体辐射的光谱分析
实验测出黑体的辐射强度在不同温度下与辐射波长的关系曲线。
维恩假定辐射能量按频率的分布类似于麦克斯韦的分子速率分布，导出如下公式
E(λ,T)=bλ−5e−a/λT(1)
式中E(λ,T)称为单色辐出度，它表示单位时间内，在黑体的单位面积上单位波长间隔内所辐射出的的能量，单位是瓦特/米2 ，T表示绝对温度，a,b是与波长和温度无关的常数。
这个分布在短波部分与实验结果符合较好，而长波部分偏离较大。
瑞利和金斯利用经典电动力学和统计物理学推导得到单色辐出度
E(λ,T)=2πC
λ4
kT
（2）
式中，C为真空中的光速，k为玻尔兹曼常量。
它在波长很长，温度较高时与实验结果相符合，但在短波段偏离非常大，当频率趋于无穷大时引起发散，这就是当时有名的“紫外灾难”。
普朗克提出：电磁辐射的能量只能是量子化的。
他认为黑体是由多个带点谐振子组成，这些谐振子处于热平衡状态，每个振子具有一个固有的谐振频率ν，可以发出与吸收相同频率的电磁波，每个谐振子只能吸收或发射不连续的一份一份的能量，这个能量是一个最小能量ε0 =hν的整数倍，即谐振子能量为E=nhν,n为正整数，h为普朗克常量。
在此能量量子化的假定下，他推导出了如下黑体辐射公式：
E(λ,T)=2πhc2
λ5
1
e hc/λkT−1（3）
可化简为：
E(λ,T)=C1
λ5(e C2/λT−1) (4)
式中：第一辐射常数C1=3.73∗10−16(瓦特*米2)，第二幅射常数C2=1.4398∗10−2（米*开尔文）。
它与实验符合的极好。
普朗克黑体辐射公式（2）微分和积分后可以得到维恩位移定律和斯特潘-玻尔兹曼定律，它们的表达式分别为：
λmax=A/T （5）
式中维恩常量A=2.896∗10−3（米*开尔文）。
这表明黑体的单色辐出度的极大值对应的波长λmax 与绝对温度成反比。
【实验装置】
WCH-10型黑体实验装置由光栅单色仪、接收单元、扫描系统、电子放大器、转换采集、电流可调的溴钨灯光源及计算机组成。
本实验采用溴钨灯光源作标准黑体。
溴钨灯光源的谱线近似黑体辐射曲线，但是钨丝的发射系数不是1，所以需要进行修正。
利用软件，可以对不同温度下的溴钨灯的曲线进行反射系数E 的修正。
【实验内容】
1、绘制不同温度下的黑体辐射能量曲线。
2、验证普朗克辐射定律。
3、验证维恩位移定律。
4、验证斯特潘-玻尔兹曼定律。
【注意事项】
1、软件运行时因误操作，会有“死机”现象，一旦发生误操作，需首先断掉电控箱电源-
重新启动计算机系统-关闭计算机，稍后进行实验操作。
2、实验操作过程，请将手机关闭，以避免因收、发信号时干扰软件运行而发生软件失效导
致重新安装软件的麻烦。
【数据记录及处理】
1、三条不同温度下的黑体辐射能量曲线图
图表1三条不同温度的黑体辐射能量曲线
2、验证普朗克辐射定律
图表2普朗克辐射定律验证表格
数据分析：三种温度下，能量值E实测和绝对黑体理论值E理论在峰值与中腰处的误差较小，在曲线端部和尾部处的误差很大，即在波长为1200nm至1654nm之间，实测值和理论值符合的很好，在波长较小，温度很低和波长较大，温度较高时，误差很大。
3、维恩位移定律数据分析
误差：△=（1710-1202）/1202=42.3%
误差：△=（1712-1122）/1122=52.6%
图表52670K下的维恩位移定律数据误差：△=（1712-1084）/1084=57.9%
4、斯特潘-玻尔兹曼定律数据分析
误差：△=（1.9159-1.8214）/1.9159=4.9%
误差：△=（2.5702-2.5164）/2.5164=2.1%
图表82670K下的斯特潘-玻尔兹曼定律数据
误差：△=（3.0364-2.8863）/2.8863=5.2%
【实验总结】
实验中选用溴钨灯光源作为标准黑体，通过改变溴钨灯丝的电流达到改变温度的作用，其中
灯丝电流为1.47A时，色温为2410K，灯丝电流为1.76A时，色温为2580K，灯丝电流为1.90A时，色温为2670K，通过测量三种不同温度下的辐射能量曲线进行对比来验证普朗克辐射定律、维恩位移定律、斯特潘-玻尔兹曼定律。
实验在验证这些定律的过程中，需要测量连续的不同波长的光的能量，因此就需要把不同波长的光分离开测量，实验仪器光学系统中的能够旋转的平面衍射光栅可以把不同波长的光分离开，达到了实验的目的。