黑体辐射实验讲义

1黑体辐射实验教课目标、掌握和认识黑体辐射的光谱散布——普朗克辐射定律；2、掌握和认识黑体辐射的积分辐射——斯忒藩玻尔兹曼定律；3、掌握和认识维恩位移定律。重难点难点：WGH—10黑体实验仪的原理和使用方法；要点：经过实验掌握黑体辐射的光谱散布规律。教课方法理论联系实质；实验察看与比较；学时4个学时一、序言黑体辐射实验是量子理论的实验基础，本实验经过对黑体辐射的研究，测定黑体辐射的光谱散布，考证普朗克辐射定律，考证斯忒藩－玻耳兹曼定律，考证维恩位移定律，正确认识物质热辐射的量子特征，为进一步学习研究量子力学打下坚固的基础。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，计算机及输出设施构成。该设施集光学、精细机械、电子学、计算机技术于一体。光路图如图1接收器光栅黑体白板图1黑体辐射实验光路图三、实验原理黑体是指可以完整汲取全部外来辐射的物体，处于热均衡时，黑体汲取的能量等于辐射的能量，因为黑体拥有最大的汲取本事，因此黑体也就拥有最大的辐射本事。这类辐射是一种温度辐射，辐射的光谱散布只与辐射体的温度相关，而与辐射方向及四周环境没关。一般辐射体其辐射本事和汲取本事都小于黑体，并且辐射能力不单与温度相关，并且与表面资料的性质相关，实验中关于辐射能力小于黑体，但辐射的光谱分布与黑体同样的辐射体称为灰体。因为标准黑体的价钱昂贵，本实验用钨丝作为辐射体，经过必定修正代替黑体进行辐射丈量及理论考证。1．黑体辐射的光谱散布十九世纪末，好多有名的科学家包含诺贝尔奖获取者，关于黑体辐射进行了大批实验研究和理论剖析，实验测出黑体的辐射能量在不一样温度下与辐射波长的关系曲线如图2所示，关于此散布曲线的理论剖析，历史上曾惹起了一场巨大的风波，进而致使物理世界图像的根本改革。维恩试图用热力学的理论并加上一些特定的假定得出一个散布公式－维恩公式。这个散布公式在短波部分与实验结果切合较好，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散布

6000oK575000oK4000oK3000oK图2黑体辐射能量散布曲线公式，他们得出的公式在长波部分与实验结果符合较好，而在短波部分则完整不符。所以经典理论受到了严重失败，物理学历史上出现了一个改革的转折点。普朗克研究这个问题时，本着从实质出发，并勇敢引入了一个前所未有的特别假定：一个原子只好汲取或许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次。并且这样的能量份额值一定是能量单元hν的整数倍，即能量子的整数倍。h即是普朗克常数。由此获取了黑体辐射的光谱散布辐射度公式：ETC1(Wm-3)C25(eT1)式中：第一辐射常数1hc2＝3.74×－16（2）C＝2π10Wm－2第二辐射常数C2＝hc／k＝1.4388×10（mK）LTET(Wm－3sr）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绝对温度T的四次方成正比，即：ETETdT4-20（Wm）式中T为黑体的绝对温度，δ为斯忒藩－玻耳兹曼常数：25k45.6705108(Wm-2K-4)15h3c2式中k为玻耳兹曼常数，h为普朗克常数，c为光速。因为黑体辐射是各向同样的，所以其辐射亮度与辐射度的关系为：LET于是，斯忒藩－玻耳兹曼定律的辐射亮度表达式为：LT4－2sr）（Wm3．维恩位移定律诺贝尔奖获取者维恩于1893年经过实验与理论剖析，获取光谱亮度的最大值的波长max与黑体的绝对温度T成反比：AmaxT式中：A为常数，A＝2.896×10－3（mk）。光谱亮度的最大值为：Lmax4.10T5106Wm3srK5随温度的高升，绝对黑体光谱亮度的最大值的波长向短波方向挪动。四、黑体修正本实验用溴钨灯的钨丝作为辐射体，因为钨丝灯是一种选择性的辐射体，与标准黑体的辐射光谱有必定的误差，所以一定进行必定修正。钨丝灯辐射光谱是连续光谱，其总辐射本事RT由下式给出：RTTT4式中T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：TRTET钨丝灯的辐射光谱散布RT为：C1TRTC2(eT1)经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，进而进行黑体辐射定律的考证。本实验经过计算机自动扫描系统和黑体辐射自动办理软件，可对系统扫描的谱线进行传达修正以及黑体修正，并给定同一色温下的绝对黑体的辐射谱线，以便进行比较考证。溴钨灯的工作电流与色温对应关系以下：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、实验步骤翻开黑体辐射实验系统电控箱电源及溴钨灯电源开关。翻开显示器电源开关及计算机电源开关启动计算机。双击“黑体”图标进入黑体辐射系统软件主界面，设置：“工作方式”——“模式”为“基线”、“间隔”为“2nm”“工作范围”——“开端波长”为“800.0nm”、“停止波长”为“2500.0nm”、“最大值”为“10000.0”、“最小值”为“0.0”“传达函数”为,“修正为黑体”为4.调理溴钨灯工作电流为表2.5,即色温为2940K，点击“单程”计算传达函数。5．点击“传达函数”、“修正为黑体”为√6．点击黑体扫描记录溴钨灯光源在传达函数修正和黑体修正后的全谱存于存放器－1内。7．改变溴钨灯工作电流，在表1中任选5个电流值，分别进行黑体扫描记录，输入相应的体漫并分别存于5个存放器内8．分别对各个存放器内的数据进行归一化。9．考证普朗克辐射定律（取五个点）。10．考证斯忒藩－玻耳兹曼定律。11．考证维恩位移定律。12．将以上所测辐射曲线与绝对黑体的理论曲线进行比较并剖析之。六、实验数据及数据办理1．考证普朗克辐射定律（取五个点）IT(nm)ET(理）ET(实）2.502940961.12828.42832.60.15%2.3028601018.72467.42467.50.004%2.2027701006.12095.42092.50.14%2.0026001086.21529.81530.40.039%1.9025501078.11381.21389.60.61%2．考证斯忒藩－玻耳兹曼定律。T29402860277026002550ET3.91433.52903.07822.35702.1827T4（1013）7.47126.69095.88734.56984.2283（1014)5.63925.67465.62845.65795.66225.612(理）5.6701.02%3．考证维恩位移定律。max(nm)961.11017.81008.81058.31113.2T（K）2940