黑体辐射实验(讲义)

《黑体辐射实验(讲义)》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、黑体辐射实验教学目的1、掌握和了解黑体辐射的光谱分布——普朗克辐射定律；2、掌握和了解黑体辐射的积分辐射——斯忒藩玻尔兹曼定律；3、掌握和了解维恩位移定律。重难点难点：WGH—10黑体实验仪的原理和使用方法；重点：通过实验掌握黑体辐射的光谱分布规律。教学方法理论联系实际；实验观察与比较；学时4个学时一、前言黑体辐射实验是量子理论的实验基础，本实验通过对黑体辐射的研究，测定黑体辐射的光谱分布，验证普朗克辐射定律，验证斯忒藩－玻耳兹曼定律，验证维恩位移定律，正确认识物质热辐射的量子特性，为进一步学习

2、研究量子力学打下坚实的基础。二、实验仪器WGH-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，A/D采集单元，电压可调的稳压溴钨灯光源，计算机及输出设备组成。该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。光路图如图1接收器白板黑体光栅图1黑体辐射实验光路图三、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

3、辐射方向及周围环境无关。一般辐射体其辐射本领和吸收本领都小于黑体，并且辐射能力不仅与温度有关，而且与表面材料的性质有关，实验中对于辐射能力小于黑体，但辐射的光谱分布与黑体相同的辐射体称为灰体。由于标准黑体的价格昂贵，本实验用钨丝作为辐射体，通过一定修正替代黑体进行辐射测量及理论验证。1．黑体辐射的光谱分布十九世纪末，很多著名的科学家包括诺贝尔奖获得者，对于黑体辐射进行了大量实验研究和理论分析，实验测出黑体的辐射能量在不同温度下与辐射波长的关系曲线5776000oK5000oK4000oK3000

4、oK图2黑体辐射能量分布曲线如图2所示，对于此分布曲线的理论分析，历史上曾引起了一场巨大的风波，从而导致物理世界图像的根本变革。维恩试图用热力学的理论并加上一些特定的假设得出一个分布公式－维恩公式。这个分布公式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也得出了一个分布公式，他们得出的公式在长波部分与实验结果符合较好，而在短波部分则完全不符。因此经典理论遭到了严重失败，物理学历史上出现了一个变革的转折点。普朗克研究这个问题时，本着从实际出发，并大胆引入

5、了一个史无前例的特殊假设：一个原子只能吸收或者发射不连续的一份一份的能量，这个能量份额正比于它的振荡频率。并且这样的能量份额值必须是能量单元hν的整数倍，即能量子的整数倍。h即是普朗克常数。由此得到了黑体辐射的光谱分布辐射度公式：式中：第一辐射常数C1＝2πhc2＝3.74×10－16（Wm2）第二辐射常数C2＝hc／k＝1.4388×10－2（mK）黑体光谱辐射亮度由下式给出：2．黑体的积分辐射—－斯忒藩－玻耳兹曼定律斯忒藩和玻耳兹曼先后（1879年）从实验和理论上得出黑体的总辐射通量与黑体的

6、绝对温度T的四次方成正比，即：（Wm-2）式中T为黑体的绝对温度，δ为斯忒藩－玻耳兹曼常数：式中k为玻耳兹曼常数，h为普朗克常数，c为光速。由于黑体辐射是各向相同的，所以其辐射亮度与辐射度的关系为：于是，斯忒藩－玻耳兹曼定律的辐射亮度表达式为：（Wm－2sr）3．维恩位移定律诺贝尔奖获得者维恩于1893年通过实验与理论分析，得到光谱亮度的最大值的波长与黑体的绝对温度成反比：式中：A为常数，A＝2.896×10－3（）。光谱亮度的最大值为：随温度的升高，绝对黑体光谱亮度的最大值的波长向短波方向移动

7、。四、黑体修正本实验用溴钨灯的钨丝作为辐射体，由于钨丝灯是一种选择性的辐射体，与标准黑体的辐射光谱有一定的偏差，因此必须进行一定修正。钨丝灯辐射光谱是连续光谱，其总辐射本领RT由下式给出：式中为钨丝的温度为时的总辐射系数，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：钨丝灯的辐射光谱分布为：通过钨丝灯的辐射系数及测得的钨丝灯辐射光谱，用以上公式即可将钨丝灯的辐射光谱修正为绝对黑体的辐射光谱，从而进行黑体辐射定律的验证。本实验通过计算机自动扫描系统和黑体辐射自动处理软件，可对系统扫描的谱线

8、进行传递修正以及黑体修正，并给定同一色温下的绝对黑体的辐射谱线，以便进行比较验证。溴钨灯的工作电流与色温对应关系如下：表1溴钨灯工作电流与色温对应关系表电流(A)色温(K)1.4022201.5023301.6023801.7024501.8025001.9025502.0026002.1026802.2027702.3028602.502940五、实验步骤1.打开黑体辐射实验系统电控箱电源及溴钨灯电源开关。2.打开显示器电源开关及计算机电源开关启动计算机。3.双击“黑体”图标进入黑体辐射系统软