第七章光的量子性热辐射黑体经典辐射.ppt

1 7 2经典辐射定律ClassicalRadiationLaws 一 热辐射 辐射 物体以电磁波 光波 的形式向外发射能量 称为辐射 物体向外辐射能量时将消耗本身的能量 要长期维持这种辐射 就必须不断地从外界补充能量 补充能量的方式是多种多样的 可以大致划分为两大类 2 第一类 物体在辐射的过程中 原子或分子的内部状态发生变化 这种由原子或分子内部运动能量转变为辐射能的过程 称为发光 例如 1 在辐射过程中物质内部发生化学变化 如燃烧 的 叫做化学发光 2 用外来的光或任何其他辐射不断地或预先照射物质而使之发光的过程 称为光致发光 如荧光 磷光等 3 由电场作用引起的辐射过程叫做场致发光 如电弧放电 火花放电和辉光放电等 4 通过电子轰击也可以引起固体产生辐射 就叫做阴极发光 3 第二类 物体在辐射过程中 不改变原子或分子的内部运动状态 发射的辐射能是由物体中原子 分子的热运动能量转变的 这种由热运动能量转变为辐射能的过程称为热辐射 1 如果物体从外界吸收的能量恰好等于因辐射而减少的能量 这时的热辐射称为平衡热辐射 处于平衡热辐射状态的物体 温度保持恒定 又称为温度辐射 2 实验发现 热辐射的光谱是连续的 任何物体在任何温度下都能进行热辐射 也能从周围物体吸收热辐射 3 组成物体的材料及表面性质不同 辐射情况也不同 4 随着温度的升高 辐射总功率将增大 辐射功率在光谱中的分布由长波向短波转移 1 例如 在室温下 大多数物体辐射不可见的红外光 2 又如 把铁条插在炉火中 它会被烧得通红 起初在温度不太高时 我们看不到它发光 却可感到它辐射出来的热量 当温度这到500 左右时 铁条开始发出可见的光辉 随着温度的升高 不但光的强度逐渐增大 颜色也由暗红转为橙红 大约到1500 时 就变成明亮的白炽光 5 这说明 同一物体在一定的温度下 所辐射的能量在不同光谱区域的分布是不均匀的 而且温度越高 辐射能量最大值对应的波长逐渐向短波方向移动 二 辐射出射度单色辐出度单色吸收比 为了定量描述物体热辐射的本领 而引入辐射出射度和单色辐出度的概念 1 辐射出射度 定义 从物体表面单位面积上发射的各种波长的总辐射功率称为辐射出射度W T W T 是温度T的函数 并与物体的性质有关 单位 W m2 6 2 单色辐出度 若温度为T的物体 从单位面积发射的波长在 到 d 范围内的辐射功率为dM 则定义 单色辐出度 单色辐出度即为单位面积单位波长范围内的辐射功率 单位 W m3 则辐射出射度可写为 7 3 单色吸收比 若照射到温度为T的物体表面上 波长在 附近的单位波长间隔内的辐射功率为dW 而物体吸收同一波长间隔的辐射功率为dW 则定义 单色吸收比 单色吸收比是波长和温度的函数 并与物体的性质有关 例如物体的表面状态等 因为被照射物体表面可能有反射 散射或透射 则 8 三 基尔霍夫定律 1 设想在密封绝热容器C内放置若干物体A1 A2 它们可以是不同质料做成的 将容器内部抽成真空 从而各物体间只能通过热辐射来交换能量 2 设容器壁为理想反射体 于是包含在其中的物体A1 A2 和辐射场组成一个孤立系 按照热力学原理 这体系的总能量守恒 且经过内部热交换 最后各物体一定趋于同一温度T 即达到热力学平衡态 9 3 到达平衡热辐射后 在单位时间内 发出的能量与吸收的能量必然相等 4 即有 热平衡时 单色辐出度大的物体 其单色吸收比也一定大 反之亦然 5 1859年俄罗斯科学家基尔霍夫 G R Kirchhoff 1824 1887 根据热平衡原理得出这样一个定律 物体的单色辐出度和单色吸收比的比值与物体的性质无关 是波长和温度的普适函数 称为基尔霍夫辐射定律 10 由此 对于A1 A2等物体 处于热平衡时 有 推论 在热平衡时 凡是强吸收体必然是强辐射源 11 四 黑体 1 各种物体由于结构不同 对外来辐射的吸收以及它本身对外的辐射都不相同 2 但是 有一类物体的表面不反光 它们能够在任何温度下吸收射来的一切电磁辐射 称为绝对黑体 简称黑体 3 黑体的吸收比与波长 温度无关 它是等于1的常数 4 由基尔霍夫定律 可得 可见 上述的普适函数就是黑体的单色辐出度 12 5 即任何物体的单色辐出度与单色吸收比的比值都等于同一温度下黑体的单色辐出度 6 由此可见 黑体的辐射规律反映了所有物体辐射规律的共性 因此研究黑体的辐射规律 具有非常重要的意义 7 黑体在自然界是不存在的 只是一种理想模型 在一个几乎密闭的空腔容器上开一个小孔 容器内壁涂黑 当光自小孔进入空腔后 在空腔内壁多次反射 吸收 从小孔出来的光很小 对空腔外的观察者来说 空腔上的小孔的单色吸收比对任何波长都非常接近于1 因此可将空腔上的小孔近似看成黑体 13 五 黑体辐射的实验定律 测量黑体辐射的单色辐出度随波长变化的关系实验装置如图所示 14 实验测得MB T 随波长和温度的变化曲线如下图 图中 每一条曲线下的面积代表该温度下黑体的辐射出射度 15 1 1879年 斯忒藩 J Stefan 1835 1893 在实验中发现 黑体的辐出度与绝对温度的四次方成正比 即 2 1884年玻尔兹曼Boltzmann 1844 1906 从理论上 导出了这个关系式 其中 是一个普适常数 称为斯忒藩 玻尔兹曼常量 这个规律称为斯忒藩 玻尔兹曼定律 BoltzmannwithhiswifeHenriettain1875 16 3 1893年德国物理学家维恩 WilhelmWien 1864 1928 根据实验得出 黑体辐射时 单色辐出度的极大值所对应的波长与绝对温度成反比 即 b是一个与温度 波长无关的常数 称为维恩常数 b 2 898 10 3m K 上式称为维恩位移定律 维恩位移定律表明 当黑体温度升高时 具有最大辐出