黑體測(cè)量實(shí)驗(yàn)

1、黑體測(cè)量實(shí)驗(yàn)從某種意義上來(lái)說(shuō)，由于我們生活在一個(gè)輻射能的環(huán)境中，我們被天然的電磁能源所包圍，就產(chǎn)生了測(cè)量和控制輻射能的要求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，輻射度量的測(cè)量對(duì)于航空、航天、核能、材料、能源衛(wèi)生及冶金等高科技部門的發(fā)展越來(lái)越重要。而黑體輻射源作為標(biāo)準(zhǔn)輻射源,廣泛地用作紅外設(shè)備絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)。它可以作為一種標(biāo)準(zhǔn)來(lái)校正其他輻射源或紅外整機(jī)。另外，可利用黑體的基本輻射定律找到實(shí)體的輻射規(guī)律,計(jì)算其輻射量?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解和掌握黑體輻射的光譜分布。2. 驗(yàn)證普朗克(Planck)輻射定律。3. 驗(yàn)證斯忒藩波耳茲曼定律。4. 驗(yàn)證維恩(Wien)位移定律。5. 研究黑體和一般發(fā)光體輻射強(qiáng)度的關(guān)系

2、。6. 學(xué)會(huì)一般發(fā)光源的輻射能量的測(cè)量，記錄發(fā)光源的輻射能量曲線。【實(shí)驗(yàn)儀器】WGH10型黑體實(shí)驗(yàn)裝置，電控箱，溴鎢燈及電源，計(jì)算機(jī)等【實(shí)驗(yàn)原理】1. 熱輻射與基爾霍夫(Kirchhoff)定律基爾霍夫(Kirchhoff)定律是描述熱輻射體性能的最基本定律。任何物體，只要其溫度在絕對(duì)零度0K以上，就向周圍發(fā)射輻射，這種由于物體中的原子、分子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。只要其溫度在絕對(duì)零度以上，也要從外界吸收輻射的能量。描述物體輻射規(guī)律的物理量是輻射出射度和單色輻射出射度，它們之間的關(guān)系為： （1）實(shí)驗(yàn)表明，熱輻射具有連續(xù)的輻射譜，波長(zhǎng)自遠(yuǎn)紅外區(qū)延伸到紫外區(qū)，并且輻射能量按波長(zhǎng)的分

3、布主要決定于物體的溫度。處在不同溫度和環(huán)境下的物體，都以電磁輻射形式發(fā)出能量。所謂黑體是指入射的電磁波全部被吸收，既沒(méi)有反射，也沒(méi)有透射( 當(dāng)然黑體仍然要向外輻射)。顯然自然界不存在真正的黑體，但許多的物體是較好的黑體近似( 在某些波段上)。黑體是一種完全的溫度輻射體，即任何非黑體所發(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；并且，非黑體的輻射能力不僅與溫度有關(guān)，而且與表面的材料的性質(zhì)有關(guān)，而黑體的輻射能力則僅與溫度有關(guān)。在黑體輻射中，存在各種波長(zhǎng)的電磁波，其能量按波長(zhǎng)的分布與黑體的溫度有關(guān)。早在1859年，德國(guó)物理學(xué)家基爾霍夫在總結(jié)當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，用理論方法得出一切物體熱輻射所遵

4、從的普遍規(guī)律：在熱平衡狀態(tài)的物體所輻射的能量與吸收的能量之比與物體本身物性無(wú)關(guān),只與波長(zhǎng)和溫度有關(guān)。即在相同的溫度下，各輻射源的單色輻出度（輻射本領(lǐng)）（，）與單色吸收率（吸收本領(lǐng)）（，）的比值與物體的性質(zhì)無(wú)關(guān)。其比值對(duì)所有輻射源（=1，2，）都一樣，是一個(gè)只取決于波長(zhǎng)和溫度的普適函數(shù)。（，）與單色吸收率（，）兩者中的每一個(gè)都隨物體的不同而差別非常大?；鶢柣舴蚨煽梢员硎緸椋?（2）對(duì)于所有波長(zhǎng)，=1，這種物體成為絕對(duì)黑體，由此得到： （3）式中為該溫度下黑體對(duì)同一波長(zhǎng)的單色輻射度。由此可見(jiàn)，基爾霍夫的普適函數(shù)正是絕對(duì)黑體的光譜輻射度。而=1的輻射體就是絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱黑體(black body)

5、。黑體的輻射亮度在各個(gè)方向都相同，即黑體是一個(gè)完全的余弦輻射體。輻射能力小于黑體，若，并且對(duì)于所有波長(zhǎng)，各種溫度都是常數(shù)，稱為灰體（grey body）?；殷w的輻射光譜分布與同一溫度下黑體的輻射光譜分布相似。自然界并不存在一種物體其固有特性與灰體絲毫不差，但對(duì)于有限的波長(zhǎng)區(qū)域而言，物體可近似于灰體。所有既不是黑體也不是灰體的實(shí)際物體，我們稱之為選擇性輻射體。其吸收本領(lǐng)，且隨波長(zhǎng)及溫度而變，同時(shí)也隨光線偏振情況以及光線的入射角而變，在這些物體的光譜分布曲線與普朗克曲線不同。自然界中很少有嚴(yán)格意義下的黑體與灰體，一般的熱輻射體都是選擇性輻射體。2.黑體輻射規(guī)律黑體輻射遵循如下三條規(guī)律：（1）斯忒藩

6、波爾茲曼定律（Stefan-Boltzmann law）（2）維恩(Wien)位移定律（3）普朗克輻射定律2.1 斯忒藩波爾茲曼定律（Stefan-Boltzmann law）斯忒藩波爾茲曼定律（Stefan-Boltzmann law）是熱力學(xué)中的一個(gè)著名定律。1879年約瑟福· 斯忒藩（Stefan）通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，提出了物體絕對(duì)溫度為T、面積為S的表面，單位時(shí)間所輻射的能量（輻射功率或輻射能通量）存在如下關(guān)系：             

7、0; =曲線下面積5年后，魯?shù)戮S格·波爾茲曼（Boltzmann）從理論上推導(dǎo)了這個(gè)公式： （4）這就是斯忒藩-波爾茲曼定律。 5.670 是斯忒藩-波爾茲曼常數(shù)，是對(duì)所有物體均相同的常數(shù)。此式表明,絕對(duì)黑體的總輻出度與黑體溫度的四次方成正比,即黑體的輻出度(即曲線下的面積)隨溫度的升高而急劇增大。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,斯忒藩波爾茲曼定律也可以用輻射亮度表示為： (5)2.2  維恩(Wien)位移定律  對(duì)應(yīng)一定溫度的曲線有一最高點(diǎn),位于波長(zhǎng) 處。溫度越高,輻射最強(qiáng)的波長(zhǎng)越短,即從紅色向藍(lán)紫色光移動(dòng).這對(duì)于高溫物體的顏色由暗紅逐

8、漸轉(zhuǎn)向藍(lán)白色的事實(shí). 在研究工作中,可以從實(shí)驗(yàn)上測(cè)量不同溫度下曲線峰值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與溫度之間的定量關(guān)系,也可以利用經(jīng)典熱力學(xué)從理論上進(jìn)行推導(dǎo). 歷史上德國(guó)物理學(xué)家維恩于1893年找到了與之間的關(guān)系如果用數(shù)學(xué)形式描述這一實(shí)驗(yàn)規(guī)律,則有：    即光譜亮度的最大值的波長(zhǎng)與它的絕對(duì)溫度成反比： (6)這就是著名的維恩位移定律。而為一常數(shù)，即維恩常數(shù)。維恩因熱輻射定律的發(fā)現(xiàn)1911年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 隨溫度的升高，絕對(duì)黑體光譜亮度的最大值的波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。由于輻射光譜的性質(zhì)依賴于它的溫度,我們可以用分析輻射光譜的辦法來(lái)估計(jì)諸如恒星或熾熱的鋼水等一類熾熱物體

9、的溫度。熱輻射是連續(xù)譜,眼睛看到的是可見(jiàn)光區(qū)中最強(qiáng)的輻射頻率。某種物質(zhì)在一定溫度下所輻射的能量分布在光譜的各種波長(zhǎng)上,它給人們提供了某一輻射體用作光源或加熱元件的功能，但它們本身并非黑體。請(qǐng)注意,一般輻射源所輻射的光譜(能量按波長(zhǎng)分布曲線)依賴于輻射源的組成成分，但對(duì)于黑體，不論它們的組成成分如何，它們?cè)谙嗤瑴囟认戮l(fā)出同樣形式的光譜。圖1 黑體的頻譜亮度隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系曲線圖圖1為黑體的頻譜亮度隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系曲線圖。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直線表示維恩位移線。分析圖中曲線可發(fā)現(xiàn)該曲線有如下特征:   (1)在任何確定的溫度下,黑體對(duì)不同波

10、長(zhǎng)的輻射本領(lǐng)是不同的。   (2)在某一波長(zhǎng)處有極大值,說(shuō)明黑體對(duì)該波長(zhǎng)具有最大的單色輻出度。   (3)當(dāng)溫度升高時(shí),極大值位置向短波方向移動(dòng),曲線向上抬高并變得更為尖銳。 小結(jié)：以上兩定律將黑體輻射的主要性質(zhì)簡(jiǎn)潔而定量地表示了出來(lái),很有實(shí)用價(jià)值。根據(jù)斯忒藩-波爾茲曼定律,熱輻射能量隨溫度迅速增大。如果熱力學(xué)溫度加倍,例如從273K增到546K,輻射能量就增大16倍.因此,要達(dá)到非常高的溫度,必須提供相應(yīng)的能量以克服熱輻射所造成的能量損失。反之,在氫彈爆炸中可以出現(xiàn)3×以上的溫度,在這么高的溫度下,讀者可算一算,一種物質(zhì)1表面的能量

11、將是該物質(zhì)在室溫下所固守能量的多少倍呢?利用維恩位移定律可以測(cè)定輻射體的溫度,如測(cè)定了,則可得到輻射體的溫度。例如太陽(yáng)表面發(fā)出的輻射在0.5附近有一個(gè)極大值,我們可估算太陽(yáng)的表面為6000左右。還可以比較輻射體表面不同區(qū)域的顏色變化情況,來(lái)確定輻射體表面的溫度分布,這種以圖形表示出的熱力學(xué)溫度稱之為熱象圖。熱象圖技術(shù)已在宇航、醫(yī)學(xué)、軍事等方面廣為應(yīng)用。如利用熱象圖的遙感技術(shù)可以監(jiān)測(cè)森林火警,也可以用來(lái)監(jiān)測(cè)人體某些部位的病變等。2.3  黑體輻射的光譜分布普朗克輻射定律 為了獲得絕對(duì)黑體單色輻射度的數(shù)學(xué)表達(dá)式，19世紀(jì)末許多物理學(xué)家作了巨大努力，從經(jīng)典熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)和電磁學(xué)的基礎(chǔ)上

12、去尋求答案，但始終沒(méi)有獲得完全成功。1896年維恩根據(jù)經(jīng)典熱力學(xué)理論導(dǎo)出的公式只是在短波波長(zhǎng)與實(shí)驗(yàn)曲線相符；1900-1905年瑞利（Rayleigh）和靳斯（Jeans）根據(jù)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)和經(jīng)典電磁學(xué)理論導(dǎo)出的公式只是在波長(zhǎng)很長(zhǎng)時(shí)不偏離實(shí)驗(yàn)曲線。他們的共同結(jié)論是，在波長(zhǎng)比短時(shí)，輻射能量將趨于無(wú)窮大。這顯然是荒謬的結(jié)果，在物理學(xué)歷史上，這一個(gè)難題被稱為“紫外災(zāi)難”?！白贤鉃?zāi)難”表明經(jīng)典物理學(xué)在解釋黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律上遇到了極大的困難，是19世紀(jì)末經(jīng)典物理學(xué)大廈上的兩朵烏云之一。顯然，如果事實(shí)不能被理論說(shuō)明，那么理論存在缺陷，必須獲得重建。1900年，對(duì)熱力學(xué)有長(zhǎng)期研究的德國(guó)物理學(xué)家普朗克綜合了維恩

13、公式和瑞利靳斯公式，利用內(nèi)插法，引入了一個(gè)自己的常數(shù)，結(jié)果得到一個(gè)公式，而這個(gè)公式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確相符，它就是普朗克公式： （7）式中為普朗克常數(shù)，為真空中的光速，為波爾茲曼常數(shù)，令，則(7)式可寫為： （8）式(8) 中，第一輻射常數(shù)=3.7415×10-16(W·M2)第二輻射常數(shù)=1.43879×10-2(M·K)圖2給出了不同溫度條件下黑體的單色輻射度隨波長(zhǎng)的變化曲線。由圖2可見(jiàn)：圖2 黑體的單色輻射出射度的波長(zhǎng)分布（1）對(duì)應(yīng)任一溫度，單色輻射度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化，且只有一個(gè)峰值。對(duì)應(yīng)不同溫度的曲線不相交。因而溫度能唯一確定單色輻射出度的光譜分布和輻射

14、出射度（即曲線下的面積）。（2）單色輻射出射度和輻射出射度均隨溫度的升高而增大。（3）單色輻射度的峰值隨溫度的升高向短波方向移動(dòng)。為了從理論上得出正確的輻射公式，普朗克假定物質(zhì)輻射(或吸收)的能量不是連續(xù)地、而是一份一份地進(jìn)行的，只能取某個(gè)最小數(shù)值的整數(shù)倍。這個(gè)最小數(shù)值就叫能量子，輻射頻率為的能量的最小數(shù)值。其中=6.6260（），普朗克當(dāng)時(shí)把它叫做基本作用量子，現(xiàn)在叫做普朗克常數(shù)。普朗克在物理學(xué)上最主要的成就是提出著名的普朗克輻射公式，創(chuàng)立能量子概念。能量子假說(shuō)的提出，給經(jīng)典物理學(xué)打開(kāi)了一個(gè)缺口，為量子物理學(xué)安放了一塊基石，宣告了量子物理學(xué)的誕生。由于這一概念的革命性和重要意義，普朗克獲得了

15、1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。3.由普朗克黑體輻射公式推導(dǎo)出經(jīng)典公式事實(shí)上，我們不難從普朗克公式推導(dǎo)出經(jīng)典公式。3.1瑞利-靳斯公式由（8）式可以看出，當(dāng)很大時(shí)，則可得到適合長(zhǎng)波區(qū)域的瑞利-靳斯公式： （9）3.2.維恩公式當(dāng)很小時(shí)，則可得到適合短波區(qū)域的維恩公式： （10）3.3.維恩位移公式單色輻射出射度最大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)應(yīng)由來(lái)決定?？傻茫?（11）這就是著名的維恩位移公式。根據(jù)這一定律，只要知道了黑體的溫度，就能直接得到黑體最大輻射出射度對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)。3.4.斯忒芬-波爾茲曼定律對(duì)（8）式積分可得到黑體的輻射出射度為： （12）式中為斯忒藩波耳茲曼常數(shù)，而（12）式就是斯忒藩波耳茲曼定律。它

16、表明黑體的輻射出射度只與黑體的溫度有關(guān)，而與黑體的其他性質(zhì)無(wú)關(guān)?！緦?shí)驗(yàn)裝置】WGH-10型黑體實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置由光柵單色儀，接收單元，掃描系統(tǒng)，電子放大器，A/D采集單元，電壓可調(diào)的穩(wěn)壓溴鎢燈光源，計(jì)算機(jī)及打印機(jī)*組成。該設(shè)備集光學(xué)、精密機(jī)械、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體。主機(jī)部分有以下幾部分組成，如圖3所示：?jiǎn)紊珒x，狹縫，接收單元，光學(xué)系統(tǒng)以及光柵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。                    

17、 圖3   WGH-10型黑體實(shí)驗(yàn)裝置1.狹縫  狹縫為直狹縫，寬度范圍02.5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0.5。為延長(zhǎng)使用壽命，調(diào)節(jié)時(shí)注意最大不超過(guò)2.5，平日不使用時(shí)，狹縫最好開(kāi)到0.10.5左右。  為去除光柵光譜儀中的高級(jí)次光譜，在使用過(guò)程中，操作者可根據(jù)需要把備用的濾光片插入入縫插板上。2.光柵單色儀  光柵單色儀系統(tǒng)原理如圖4所示。         M1反射鏡、M2準(zhǔn)光鏡、

18、M3物鏡，M4反射鏡，M5 深橢球鏡 G平面衍射光柵，S1入射狹縫，S2，S3出射狹縫，T調(diào)制器   圖4  光柵單色儀光學(xué)原理圖   入射狹縫、出射狹縫均為直狹縫，寬度范圍02.5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(guò)S1射入的光束經(jīng)M2反射成平行光束投向平面光柵G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)聚在光電接受器D上。M2、M3的焦距為302.5，光柵G 每毫米刻線300條，閃耀波長(zhǎng)1400 。   濾光片工作區(qū)間：  

19、0;  第一片  8001000     第二片  10001600                 第三片  160025003.儀器的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)  儀器采用如圖5（a）所示“正弦機(jī)構(gòu)”進(jìn)行波長(zhǎng)掃描，絲杠由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)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)，如圖5

20、（b），從而帶動(dòng)光柵轉(zhuǎn)動(dòng)，使不同波長(zhǎng)的單色光依次通過(guò)出射狹縫而完成“掃描”。          a掃描結(jié)構(gòu)     b光柵轉(zhuǎn)臺(tái)              圖5  掃描結(jié)構(gòu)圖及光柵轉(zhuǎn)臺(tái)圖4.溴鎢燈光源   標(biāo)準(zhǔn)黑體應(yīng)是黑體實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)置，但購(gòu)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

21、絲制成，鎢是難熔金屬，它的熔點(diǎn)為3665。  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)，它是給定溫度鎢絲的輻射強(qiáng)度與絕對(duì)黑體的輻射強(qiáng)度之比，因此                  或     式中為常數(shù)，1.47

22、×鎢絲燈的輻射光譜分布為             上面談到了黑體和鎢絲燈輻射強(qiáng)度的關(guān)系，出廠時(shí)將給配套用的鎢燈光源，一套標(biāo)準(zhǔn)的工作電流與色溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系的資料。見(jiàn)表1表1 溴鎢燈工作電流色溫對(duì)應(yīng)表電流（）色溫（）2.5029402.3028602.2027702.1026802.0026001.9025501.8025001.7024501.6024301.5023301.402250(1)結(jié)構(gòu)    光源系統(tǒng)采用電壓可調(diào)的穩(wěn)壓溴鎢燈光源

23、，額定電壓值為12V，電壓變化范圍2-12v。  溴鎢燈電源面板  溴鎢燈電源背面圖圖6  溴鎢燈電源 圖7 溴鎢燈裝接圖     圖8 溴鎢燈外形圖           圖9 光源光路圖5.接收器  本實(shí)驗(yàn)裝置的工作區(qū)間在800-2500 ，所以選用硫化鉛（PbS）為光信號(hào)接收器，從單色儀出縫射出的單色光信號(hào)經(jīng)調(diào)制器，調(diào)制成50HZ的頻率信號(hào)被PbS接收，選用的PbS是晶體管外殼結(jié)構(gòu)、該系列探測(cè)器是將硫化

24、鉛元件封裝在晶體管殼內(nèi)，充以干燥的氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w，并采用熔融或焊接工藝，以保證全密封。該器件可在高溫，潮濕條件下工作且性能穩(wěn)定可靠。6.電控箱    電控箱控制光譜儀工作，并把采集到的數(shù)據(jù)及反饋信號(hào)送入計(jì)算機(jī)。       電控箱正面圖 電控箱背面圖              圖8  電控箱【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】實(shí)驗(yàn)前請(qǐng)先仔細(xì)閱讀實(shí)驗(yàn)儀器使用說(shuō)明書1.打開(kāi)黑體輻射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電控箱電源及溴鎢燈電源開(kāi)關(guān)。2打開(kāi)計(jì)算