黑体辐射实验

1、实验1 黑体辐射实验1.1 实验目的通过测量假想黑体的辐射曲线，了解黑体辐射的基本规律和普朗克的能量子假设，掌握扫描光栅单色仪的工作原理及使用方法。1.2实验原理1.2.1 辐射测量的基本术语介绍黑体:是一种理想的辐射能源，是一种辐射仅取决于它的温度的辐射体，它在给定的温度下比在同样温度下的任何实际物体辐射出更多的能量。故也称之为“完全辐射体”或“理想的温度辐射体”或“普朗克辐射体”。辐射度:也称为“辐射出射度”简称“辐出度”。表面上一点的辐 射度为该点表面元发出的辐射通量除以该表面元的面积的商，单位是（瓦/米）。辐亮度:表示光源的表面元发出的，在给定方向的基准所确定的方向传播的辐射通量，除以

2、锥的立体角和表面元在垂直于给定方向的平面上的 投影面积的乘积的商，单位是（瓦特/米·球面度）。色温:一个光源的色温就是辐射同一色谱光的黑体温度，单位是（开尔文）。1.2.2 黑体辐射指黑体发出的电磁辐射。任何物体只要其温度在绝对零度以上就可以向周围发射辐射，称之为温度辐射。黑体是一种完全的温度辐射体，它吸收全部的入射光辐射而一点也不反射。黑体辐射能量的效率最高，仅与温度有关，它的发射率是1，任何其它物体的发射率都小于1。1.2.3黑体辐射定律黑体辐射的经典解释:瑞利金斯公式: （1）黑体辐射的光谱分布:普朗克定律,普朗克定律叙述了黑体辐射的光谱分布。此定律用光谱辐射出射度（简称辐出度

3、或辐射度）表示，其形式为： （2）其中是波长（m），是频率（Hz），是普朗克常数，是光速，是绝对温度（K）,是波尔兹曼常数。黑体光谱辐射亮度由下式给出： （3）黑体辐射的积分表达式:斯忒藩波尔兹曼定律,在从零到无穷大的波长范围内，积分普朗克公式，得到光谱辐射出射度的积分表达式，即总辐射度，其形式为： （4）其中是斯特藩-波尔兹曼常数。维恩位移定律微分普朗克定理，求出极大值，就得到了维恩位移定律。其形式为： （5）其中为光谱辐射度的峰值波长，。综上，斯忒藩波尔兹曼定律阐述了黑体的总辐射随绝对温度的四次幂而变化，其方程确定了一个黑体从1厘米面积进入半球空间里的总辐射量。维恩位移定律指明了对应每一温

4、度下最大辐射的波长。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。图1给出了随波长变化的图形。图 1 黑体的谱线亮度随波长的变化关系注：1.每一条曲线上都表了出黑体的绝对温度。2.与各曲线的最大值相交的对角直线表示维恩位移定律。1.3 实验装置实验所用装置为WHS-1型黑体实验装置，由光栅单色仪、接收单元、溴钨灯、可调稳压溴钨灯光源、电源控制箱以及计算机组成。见图2所示。图2 黑体实验装置1.3.1 光栅单色仪光栅单色仪采用衍射光栅作为色散元件，它将被测辐射色散为其光谱以便测量，它主要由光学系统、光栅驱动系统、狭缝机构、观察窗等组成。如图3所示。1）光学系统：图3 光学系统其中,

5、S1: 入射狭缝；S2，S3：出射狭缝；G：平面光栅；M1、M4、M5：反射镜；M2、M3：球面反射镜；M6：深椭球镜；L：滤光片；T：调制器；P：接受器件入射狭缝S1，出射狭缝S2，S3 均为可调节宽度的直狭缝，宽度范围为 0-2.5mm 连续可调，长度为 20mm。S1位于球面反射镜M2的焦平面上，S2、S3位于球面反 射镜M3的焦平面上，且S2位于深椭球M6的长轴焦点处，接收器件P位于M6的短轴焦点处。光源发出的光束，进入入射狭缝S1后经反射镜M1反射到M2上，经M2反 成平行光束投射到平面光栅G上，衍射后的平行光束经球面反射镜M3成象在S2（或S3）上，进入S2后的光束，经调制器T调制

6、成800Hz后，再经M5反射到深椭球镜M6上后成象到接收器P的靶面上。反射镜M4是可旋转摆动的，经M4反射后的成象光束除可直接投射到M5、M外，还可以通过旋转M4使反射后的光束成象到S3上。2）光栅驱动系统图4光栅驱动装置正弦机构：仪器采用如图4所示“正弦机构”进行扫描，精密丝杠由步进电机驱动，丝杠拖动螺母沿丝杠轴线移动，螺母推动正弦杆，使其绕自身的回转 中心转动。光栅至于光栅台上，光栅台与正弦杆连接，光栅台的回转中心，通过 正弦杆的回转中心，从而带动光栅转动，使不同波长的单色光依次通过出射狭缝 而完成“扫描”。 1.3.2 接收单元 随着电子技术和电子仪器的高度发展，光辐射测量中多采用对红外

7、辐射敏感的光电器件。本实验装置采用 PbS 作接收单元，它对波长范围在 800-2500nm 的近红外光有较好的光谱响应。从单色仪出缝 1 射出的单色光经信号调制器，调 制成 800Hz 的频率信号被 PbS 接收。选用的 PbS 是一种晶体管外壳结构，该系列的 PbS 接收元件被封装在晶体管 壳内，充以干燥的氮气或其它惰性气体，并采用熔融或焊接工艺，以保证全密封。该器件可在高温，潮湿条件下工作且性能稳定可靠。1.3.3 溴钨灯 金属钨的辐射近似于可见光波段内的黑体光谱能量分布。它的熔点高，可达到3650K，所以钨可用来模拟黑体。钨丝灯是一种选择性的辐射体，它是总辐射度可由下式求出：。式中：为

8、温度T时的总辐射系数，它是在给定温度下溴钨灯的辐射度与绝对黑体的辐射度之比。溴钨灯的结构如图5。图 5 溴钨灯光源1.3.4溴钨灯电源控制箱电源控制箱采用可调电流的恒流源装置，通过调节电流值改变溴钨灯的色温。见图 6。图 6 溴钨灯电源表 1 中给出了钨灯的工作电流与色温的对应关系。（该值在出厂前已经标定）。表 1 工作电流与色温的关系电流 (A)实测色温 (K)1.729991.628891.526741.425481.324551.223031.122081.021010.920011.3.5 电源控制箱电控箱控制单色仪的光栅扫描，滤光片的切换、调制器电机的旋转以及对接收信号的处理等，其外

9、形结构见图 7。图 7 电源控制箱1.4 实验内容(1) 验证普朗克辐射定律；(2) 验证斯特藩-玻耳兹曼定律；(3) 验证维恩位移定律。1.5 实验步骤1. 检查仪器连线，确认正常后，开启WHS-1型黑体实验装置电源控制箱和电控箱电源，开启计算机；2. 在计算机桌面上打开“WHS-1型黑体实验装置”软件，进入选择实验内容界面，然后“进入”“验证黑体辐射定律”。软件跳出是否对仪器复位对话框，选择“是”，等待仪器复位。3. 仪器复位完毕后，进入“验证黑体辐射定律”主窗口。在工具栏点击“扫描”按钮（或菜单栏“工作->黑体扫描”），软件跳出提示框，确认主机下方的拨杆置于出缝1后，点击“OK”，

10、软件进入工作参数设置对话框。对话框第一栏“参数设置”不建议改动。第二栏“色温选择”，请选择一个色温值，然后通过装置电源控制箱上“调节钮”，使电源控制箱上电流显示值与所选色温值后对应的电流相同。第二栏“保存位置”，请选择一个寄存器位置。点击“确定”，弹出提示框，确认后点击“OK”。进入黑体曲线扫描窗口。点击“开始”进行测量。测量完成后，点击“确定”返回主窗口。4. 建议保存测量数据（菜单栏“文件->保存”）。进行下一组数据（不同电流）测量，并保存数据。要求至少测量三组不同电流下的数据。5. 在主窗口，点击某一已存测量数据寄存器选项卡，选择菜单栏“验证热辐射定律->普朗克辐射定律”，进

11、入验证测量数据窗口，输入要验证的采样点，点击“确定”，在窗口右侧即显示测量值与理论值的比较结果。请依次输入5个采样点后，点击“打印”，把实验结果打印出来。6. 在主窗口菜单栏，选择“验证热辐射定律->斯忒藩-波尔兹曼定律”，选中全部有数据的寄存器，并选中“把当前范围之外的部分使用理论值补充”，点击“确定”，软件弹出验证结果，请把验证结果打印出来。7. 在主窗口菜单栏，选择“验证热辐射定律->维恩位移定律”，选中全部有数据的寄存器，点击“确定”，软件弹出验证结果，请把验证结果打印出来。8. 实验完毕，关闭计算机和实验仪器，填写“仪器设备使用登记本”，结束本实验。 1.6实验数据及结果1.6.1普朗克辐射定律 选取电流值为1.7A图8能量曲线1.6.2斯特藩-玻尔兹曼定律图9波形图1.6.3维恩位移定律图10波形图（1） 普朗克定律的验证实验中，测量值与真实值的相对误差：。（2） 测得的斯特藩-玻尔兹曼常