黑體輻射實(shí)驗(yàn)-學(xué)生講義.doc

近代物理實(shí)驗(yàn) 黑體輻射任何物體都有輻射和吸收電磁波的本領(lǐng)。物體所輻射電磁波的強(qiáng)度按波長的分布與溫度有關(guān)，稱為熱輻射。處于熱平衡狀態(tài)物體的熱輻射光譜為連續(xù)譜。一切溫度高于0K的物體都能產(chǎn)生熱輻射。黑體是一種完全的溫度輻射體，能吸收投入到其面上的所有熱輻射能，黑體的輻射能力僅與溫度有關(guān)。任何普通物體所發(fā)射的輻射通量都小于同溫度下的黑體發(fā)射的輻射通量；其輻射能力不僅與溫度有關(guān)，還與表面的材料的性質(zhì)有關(guān)。所有黑體在相同溫度下的熱輻射都有相同的光譜，這種熱輻射特性稱為黑體輻射。黑體輻射的研究對(duì)天文學(xué)、紅外線探測(cè)等有著重要的意義。黑體是一種理想模型，現(xiàn)實(shí)生活中是不存在的，但卻可以人工制造出近似的人工黑體。輻射能力小于黑體，但輻射的光譜分布與黑體相同的溫度輻射體稱為灰體。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1. 理解黑體輻射的概念。2. 驗(yàn)證普朗克輻射定律。 3. 驗(yàn)證斯特藩一玻耳茲曼定律。 4. 驗(yàn)證維恩位移定律。5. 學(xué)會(huì)測(cè)量一般發(fā)光光源的輻射能量曲線。實(shí)驗(yàn)原理 1. 黑體輻射的光譜分布普朗克輻射定律 德國物理學(xué)家普朗克1900年為了克服經(jīng)典物理學(xué)對(duì)黑體輻射現(xiàn)象解釋上的困難， 推導(dǎo)出一個(gè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合的黑體輻射公式，他創(chuàng)立了物質(zhì)輻射（或吸收）的能量只能是某一最小能量單位（能量量子）的整數(shù)倍的假說，即量子假說，對(duì)量子論的發(fā)展有重大影響。他利用內(nèi)插法將適用于短波的維恩公式和適用于長波的瑞利金斯公式銜接，提出了關(guān)于黑體輻射度的新的公式普朗克輻射定律，解決了“紫外災(zāi)難”的問題。在一定溫度下，單位面積的黑體在單位時(shí)間、單位立體角內(nèi)和單位波長間隔內(nèi)輻射出的能量定義為單色輻射度，普朗克黑體輻射定律為：式中：第一輻射常數(shù) 第二輻射常數(shù)其中，為普朗克常數(shù)，為光速，為玻耳茲曼常數(shù)。黑體光譜輻射亮度由下式給出：圖1-1給出了隨波長變化的圖形。每一條曲線上都標(biāo)出黑體的絕對(duì)溫度。與諸曲線的最大值相交的對(duì)角直線表示維恩位移定律。圖1-1 黑體的頻譜亮度隨波長的變化2. 黑體的積分輻射斯特藩-玻耳茲曼定律 如果把對(duì)所有的波長積分，同時(shí)也對(duì)各個(gè)輻射方向積分，那么可得到斯特藩-玻耳茲曼定律(Stefan-Boltzmann)，絕對(duì)溫度為的黑體單位面積在單位時(shí)間內(nèi)向空間各方向輻射出的總能量為輻射度。此定律用輻射度表示為：為黑體的絕對(duì)溫度，為斯忒藩玻耳茲曼常數(shù)，由于黑體輻射是各向同性的，所以其輻射亮度與輻射度有關(guān)系：于是，斯特藩-玻耳茲曼定律也可以用輻射亮度表示為 ：3. 維恩位移定律 1893年，維恩發(fā)現(xiàn)黑體輻射中的能量最大（對(duì)應(yīng)輻射曲線最高峰）的峰值波長與絕對(duì)溫度成反比，即維恩位移定律。定律指出：黑體在一定溫度下所發(fā)射的輻射中，含有輻射能大小不同的各種波長，能量按波長的分布情況以及峰值波長，都將隨溫度的改變而改變。維恩位移定律說明，一個(gè)物體越熱，其輻射譜的波長越短，即隨著溫度的升高，絕對(duì)黑體的峰值波長向短波方向移動(dòng)。太陽的表面溫度約為5270K，根據(jù)維恩位移定律得到的峰值波長為550nm，處于可見光范圍的中點(diǎn)，為白光。人體的輻射主要是紅外光。同樣，根據(jù)維恩位移定律只要測(cè)出，就可求得黑體的溫度，這為光測(cè)高溫提供了另一種手段。光譜亮度的峰值波長與它的絕對(duì)溫度成反比4. 修正為黑體 標(biāo)準(zhǔn)黑體應(yīng)是黑體實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)置，但購置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)黑體其價(jià)格太高，所以本實(shí)驗(yàn)裝置采用穩(wěn)壓溴鎢燈作光源，溴鎢燈的燈絲是用鎢絲制成，鎢是難熔金屬，它的熔點(diǎn)為3665K。鎢絲燈是一種選擇性的輻射體，它產(chǎn)生的光譜是連續(xù)的，它的總輻射本領(lǐng)可由下式求出：式中為溫度時(shí)的總輻射系數(shù)（即發(fā)射系數(shù)），它是給定溫度鎢絲的輻射度與絕對(duì)黑體的輻射度之比，因此，鎢絲燈的輻射光譜分布為：由此式可將鎢絲的輻射度修正為黑體的輻射度，從而進(jìn)行黑體輻射定律的驗(yàn)證。儀器介紹 1. 主機(jī)結(jié)構(gòu) 主機(jī)部分有以下幾部分組成：單色器，狹縫，接收單元，光學(xué)系統(tǒng)以及光柵，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。 2. 狹縫 狹縫為直狹縫，寬度范圍 02.50mm 連續(xù)可調(diào)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為狹縫寬度加大，反之減小，每旋轉(zhuǎn)一周狹縫寬度變化0.50mm。為延長使用壽命，調(diào)節(jié)時(shí)注意最大不超過2.50mm。平日不使用時(shí)，狹縫最好開到 0.100.50mm 左右。為去除光柵光譜儀中的高級(jí)次光譜，在使用過程中，可根據(jù)需要把備用的濾光片插入入縫插板上。 3.光學(xué)系統(tǒng) 入射狹縫、出射狹縫均為直狹縫，寬度范圍 02.50mm 連續(xù)可調(diào)，光源發(fā)出的光束進(jìn)入入射狹縫S1， S1 位于反射式準(zhǔn)光鏡 M2 的焦面上， 通過 S1 射入的光束經(jīng) M2反射成平行光束投向平面光柵上，衍射后的平行光束經(jīng)物鏡 M3成象在S2上。經(jīng)M4、M5會(huì)聚在光電接收器D上。4. 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)儀器采用如圖3-3所示正弦機(jī)構(gòu)進(jìn)行波長掃描，絲杠由步進(jìn)電機(jī)通過同步帶驅(qū)動(dòng)，螺母沿絲杠軸線方向移動(dòng)，正弦桿由彈簧拉靠在滑塊上，正弦桿與光柵臺(tái)連接，并繞光柵臺(tái)中心回轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)光柵轉(zhuǎn)動(dòng)，使不同波長的單色光依次通過出射狹縫而完成掃描。5. 溴鎢燈工作電流色溫對(duì)應(yīng)表電流（A）2.502.302.202.102.001.901.801.701.601.501.40色溫（T）29402840277026802600255024802400232022502180實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟1. 認(rèn)真檢查線路，確認(rèn)正確后接通電源，儀器正式啟動(dòng)。2. 點(diǎn)擊桌面快捷鍵“WGH-10黑體實(shí)驗(yàn)裝置”。3. 建立傳遞函數(shù)曲線任何型號(hào)的光譜儀在記錄輻射光源的能量時(shí)都受光譜儀的各種光學(xué)元件，接收器件在不同波長處的響應(yīng)系數(shù)影響，習(xí)慣稱之為傳遞函數(shù)。為扣除其影響，我們?yōu)橛脩籼峁┮粯?biāo)準(zhǔn)的溴鎢燈光源，其能量曲線是經(jīng)過標(biāo)定的。另外在軟件內(nèi)存儲(chǔ)了一條該標(biāo)準(zhǔn)光源在2940K 時(shí)的能量線。（1）將標(biāo)準(zhǔn)光源電流調(diào)整為色溫為2940K 時(shí)的電流所在位置，預(yù)熱20分鐘； （2）基線掃描工作方式模式選為基線，傳遞函數(shù)及修正為黑體均不選，點(diǎn)擊“單程”，開始掃描。（注意：軟件操作過程中不要最小化，不要進(jìn)行其它操作）（3）計(jì)算傳遞函數(shù) 基線掃描結(jié)束后，依次操作驗(yàn)證黑體輻射定律計(jì)算傳遞函數(shù)彈出對(duì)話框點(diǎn)確定輸入寄存器號(hào)點(diǎn)確定，計(jì)算函數(shù)自動(dòng)完成。 4. 描繪黑體輻射曲線 工作方式中模式改為能量E，將 傳遞函數(shù)及修正為黑體 點(diǎn)擊成：傳遞函數(shù)及修正為黑體，然后點(diǎn)擊“黑體”快捷鍵，彈出溫度輸入窗口，對(duì)應(yīng)溴鎢燈工作電流色溫對(duì)應(yīng)表填入相應(yīng)的色溫，點(diǎn)擊確定，開始掃描。5. 驗(yàn)證黑體熱輻射定律 （1）歸一化 下拉菜單：驗(yàn)證黑體輻射定律歸一化。 執(zhí)行該命令后，彈出如圖對(duì)話框。點(diǎn)擊確定按鈕，彈出如下對(duì)話框。選擇一個(gè)寄存器，軟件會(huì)將當(dāng)前寄存器中的數(shù)據(jù)對(duì)同溫度的理論黑體的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。（注意：在進(jìn)行普朗克定率和斯特藩-玻耳茲曼定律的驗(yàn)證前，應(yīng)先進(jìn)行歸一化處理。）（2）普朗克輻射定律 下拉菜單： 驗(yàn)證黑體輻射定律普朗克輻射定律，執(zhí)行該命令后，彈出如圖對(duì)話框。單擊確定按鈕，工作區(qū)中出現(xiàn) 圖標(biāo)，當(dāng)在工作區(qū)中點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵時(shí)，系統(tǒng)將光標(biāo)定位在與該點(diǎn)橫坐標(biāo)最接近的譜線數(shù)據(jù)點(diǎn)上，并在數(shù)值框中顯示該數(shù)據(jù)點(diǎn)的信息。用鼠標(biāo)左鍵在不同位置點(diǎn)擊，可以讀取不同的數(shù)據(jù)點(diǎn)，也可使用、二鍵移動(dòng)光標(biāo)讀取數(shù)據(jù)點(diǎn)信息。單擊ENTER鍵，彈出對(duì)話框。點(diǎn)擊計(jì)算按鈕，得出理論的光譜輻射度，如圖（3）斯特藩-玻耳茲曼定律 下拉菜單：驗(yàn)證黑體輻射定律斯特藩-玻耳茲曼定律。執(zhí)行該命令后，彈出如圖對(duì)話框選擇所需的數(shù)據(jù)所在的寄存器，點(diǎn)擊確定按鈕，彈出對(duì)話框斯特藩-玻耳茲曼定律的驗(yàn)證命令中，絕對(duì)黑體總的輻射本領(lǐng)的計(jì)算范圍有兩種：a）0；b）起始波長終止波長。點(diǎn)擊是按鈕，則在當(dāng)前波長范圍以外的部分，采用相同溫度的絕對(duì)黑體的理論值進(jìn)行填補(bǔ)；點(diǎn)擊否按鈕 則只取當(dāng)前波長范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。確認(rèn)后彈出如圖計(jì)算結(jié)果。注意：選擇否，計(jì)算結(jié)果與理論值相差很多。 （4）維恩位移定律 下拉菜單：驗(yàn)證黑體輻射定律維恩位移定律。執(zhí)行該命令后，彈出寄存器選擇對(duì)話框。選擇所需寄存器后，點(diǎn)擊確定按鈕，彈出如圖對(duì)話框。由于噪聲的原因，有時(shí)計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢出的與實(shí)際的有差別，所以這時(shí)需要手動(dòng)選擇最大值的波長。點(diǎn)擊重定最大值波長按鈕，工作區(qū)中出現(xiàn) “”圖標(biāo)，當(dāng)在工作區(qū)中點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵時(shí)，系統(tǒng)將光標(biāo)定位在與該點(diǎn)橫坐標(biāo)最接近的譜線數(shù)據(jù)點(diǎn)上，并在數(shù)值框中顯示該數(shù)據(jù)點(diǎn)的信息。用鼠標(biāo)左鍵在不同位置點(diǎn)擊，可以讀取不同的數(shù)據(jù)點(diǎn)，也可使用、二鍵移動(dòng)光標(biāo)讀取數(shù)據(jù)點(diǎn)信息。單擊ENTER鍵，彈回上圖對(duì)話框，重新選擇的數(shù)據(jù)將被自動(dòng)修改，并計(jì)算出新的結(jié)果。此步驟可重復(fù)使用。（5）發(fā)射系數(shù)的修正 下拉菜單：驗(yàn)證黑體輻射定律發(fā)射系數(shù)的修正。執(zhí)行該命令后，彈出如圖對(duì)話框。點(diǎn)擊是按鈕，彈出如圖對(duì)話框。選擇所需寄存器后，點(diǎn)擊確定按鈕，軟件自動(dòng)對(duì)所選中的寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。（注意：只能對(duì)鎢絲燈進(jìn)行修正）（6）絕對(duì)黑體的理論譜線 下拉菜單：驗(yàn)證黑體輻射定律絕對(duì)黑體的理論譜線。執(zhí)行該命令后，彈出如圖對(duì)話框。輸入溫度后，軟件將自動(dòng)計(jì)算出該溫度下的絕對(duì)黑體的理論譜線，并存入當(dāng)前的寄存器中。6. 改變色溫，重復(fù)步驟4、5。7. 關(guān)機(jī) 點(diǎn)“檢索”快捷鍵，先檢索波長到 800nm 處，使機(jī)械系統(tǒng)受力最小，然后“退出”應(yīng)用軟件，最后按下電控箱上的電源按鈕關(guān)閉儀器電源。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1驗(yàn)證普朗克輻射定律改變工作電流，測(cè)量不同色溫的輻射能量分布曲線，各