黑体辐射.ppt

* 黑体辐射特性测量 实验背景 实验目的 需解决的问题 解决方案 黑体辐射 实验的拓展应用 热辐射：亦称温度辐射，任何物体在任何温度均可进行热辐射，且其辐射光谱是连续光谱，能量对不同波长的分布随波长连续改变。 黑体：能够全部吸收外来的辐射而毫无任何反射和透射，吸收率是100%的理想物体。一个表面开有一个小孔的空腔, 则可以看作是一个近似的黑体。 灰体：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。 基本概念 实验背景 经典物理学所遇到的困难:无法解释黑体辐射实验曲线 空腔壁产生的热辐射，想象成空腔壁内有许多以壁为节点的电磁驻波。 但是，由经典理论导出的公式都与实验结果不合！ 其中最典型的是维恩公式和瑞利—金斯公式 黑体的电磁驻波理论 黑体热辐射的理论与实验结果的比较 ? e? 1900年普朗克提出了关于黑体的光谱辐射的出射度随辐射波长变化的关系，并提出了谐振子能量量子化的假设，得出与全波段实验结果极为符合的黑体辐射的普朗克公式 普朗克黑体辐射定律与量子理论的诞生 U为黑体在单位频率范围内的热辐射能量的谱密度 且由普朗克公式可以推导出斯特藩—玻耳兹曼定律（实验定律） 和维恩位移定律 实验目的 1：用实验的方法检验普朗克热辐射定律和维恩位移率 2：学习使用光栅光谱仪测量热辐射的方法 1.如何模拟：实际中的黑体是不存在的，那么实验该如何模拟黑体的辐射？ 2.如何测量：黑体的能量辐射需要通过什么手段才能表征出来？ 需解决的问题 解决方案（两个修正） 1.光源的修正——“修正为黑体” 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 由下式给出： 式中 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： 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。 2.传感器的修正——“传递函数” 通过测量修正后灰体的辐射本领对频率的分布，对应由普朗克定理所计算出的理论值，从而检验普朗克定理。 那么如何测量各个频率的能谱密度？ 白板 灰体 光栅 光电导红外探测器 我们采用红外光栅光谱仪，利用闪耀光栅将溴钨灯的辐射光谱展开，用狭缝提取特定波长的光段的光波，测量光波的能量，将能量信号转化为电信号作为测量结果 修正原因：探测器对不同波长的辐射响应不同 以V为中心的频段dv内的光波照射在探测器上，光波能量为 ，使之产生大小I的电信号，则定义传递函数，及测 量仪器修正函数： 则将实验装置测量过程中从光信号接收器中得到的电信号 就得到溴钨灯在 波长处的辐射谱密度，再除以溴钨灯与黑体的辐射比例系数，就被修正为绝对黑体的辐射密度。 以上过程可以总结为：溴钨灯的辐射光信号先经过传递过程响应的修正变为电信号，然后再修正为绝对黑体的辐射信号 溴钨灯 入缝 出缝 接收器 单色器 单色器电源 溴钨灯电源 实验拓展应用 1.为什么要研究黑体辐射的特性？ 黑体辐射是一个理想化的模型，自然界中很多方面与黑体辐射有关，如对发光天体的热辐射甚至宇宙微波背景辐射测量，黑洞的研究等就是用使用了绝对黑体的模型，只需要对黑体辐射做一定的修正，就能的出相应的规律。 2.研究黑体辐射的方法还能应用在什么方面？ 红外体温计，红外成像，遥感技术，红外追踪导弹，发光体发光性能的检测等方面 *