黑体辐射实验报告.doc

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1、黑体辐射摘要：1900年普朗克发表的黑体辐射公式在物理学上是一项划时代的成就。在此以前黑体辐射的波长分布虽然已经有了相当可靠的实验数据，但经典物理学的理论解释却导致了非常尖锐的矛盾。这一问题在经典物理学的范畴内是无法合理地解决的，普朗克引进了量子化的假设，推导出黑体辐射波长分布公式。量子化假设已成为当代物理学的基石，对当代科学技术的发展产生了深远的影响。BlackbodyradiationWangDuo(theCollegeofScience,BUPT.Beijing,100876)Abstract:Planck'sblackbodyradiationformulain1900isalandm

2、arkachievementinphysics.Priortothis,althoughtheblackbodyradiationinthewavelengthdistributionofthedatahasbeenveryreliable,butthetheoryoftheclassicalphysicsexplainsleadtoaverysharpcontradiction.Thisissueinthescopeofclassicalphysicscannotbereasonablyresolved,Planckintroducedthequantumassumptionsandderi

3、vedblackbodyradiationwavelengthdistributionformula.Quantizationhypothesishasbecomethecornerstoneofcontemporaryphysics,andhadaprofoundimpactonthedevelopmentofmodernscienceandtechnology.引言：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

4、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。1.实验原理1．1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

5、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此式给出：1.2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

6、（1879年）从实验和理论上得出黑体的总辐射通量与黑体的绝对温度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）1.3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。分析图中曲线可以发现该曲线有如下特征：在

7、任何确定的温度下，黑体对不同波长的辐射本领是不同的。在某一波长λm处有极大值，说明黑体对该波长具有最大的单色辐出度。当温度升高时，极大值的位置向短波方向移动，曲线向上抬高并变得更为尖锐。1.4黑体辐射的光谱分布——普朗克辐射定律在实验测得黑体单色辐出度之后，摆在人们面前的一个饶有兴趣的问题是：怎样来解释实验上测得的M0（λ，T）-λ曲线？怎样从理论上求得绝对黑体单色辐出度的数学表达式？为此，在19