黑體輻射實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)1 黑體輻射實(shí)驗(yàn)1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)測(cè)量假想黑體的輻射曲線，了解黑體輻射的基本規(guī)律和普朗克的能量子假設(shè)，掌握掃描光柵單色儀的工作原理及使用方法。1.2實(shí)驗(yàn)原理1.2.1 輻射測(cè)量的基本術(shù)語(yǔ)介紹黑體:是一種理想的輻射能源，是一種輻射僅取決于它的溫度的輻射體，它在給定的溫度下比在同樣溫度下的任何實(shí)際物體輻射出更多的能量。故也稱(chēng)之為“完全輻射體”或“理想的溫度輻射體”或“普朗克輻射體”。輻射度:也稱(chēng)為“輻射出射度”簡(jiǎn)稱(chēng)“輻出度”。表面上一點(diǎn)的輻 射度為該點(diǎn)表面元發(fā)出的輻射通量除以該表面元的面積的商，單位是（瓦/米）。輻亮度:表示光源的表面元發(fā)出的，在給定方向的基準(zhǔn)所確定的方向傳播的輻射通量，除以

2、錐的立體角和表面元在垂直于給定方向的平面上的 投影面積的乘積的商，單位是（瓦特/米·球面度）。色溫:一個(gè)光源的色溫就是輻射同一色譜光的黑體溫度，單位是（開(kāi)爾文）。1.2.2 黑體輻射指黑體發(fā)出的電磁輻射。任何物體只要其溫度在絕對(duì)零度以上就可以向周?chē)l(fā)射輻射，稱(chēng)之為溫度輻射。黑體是一種完全的溫度輻射體，它吸收全部的入射光輻射而一點(diǎn)也不反射。黑體輻射能量的效率最高，僅與溫度有關(guān)，它的發(fā)射率是1，任何其它物體的發(fā)射率都小于1。1.2.3黑體輻射定律黑體輻射的經(jīng)典解釋:瑞利金斯公式: （1）黑體輻射的光譜分布:普朗克定律,普朗克定律敘述了黑體輻射的光譜分布。此定律用光譜輻射出射度（簡(jiǎn)稱(chēng)輻出度

3、或輻射度）表示，其形式為： （2）其中是波長(zhǎng)（m），是頻率（Hz），是普朗克常數(shù)，是光速，是絕對(duì)溫度（K）,是波爾茲曼常數(shù)。黑體光譜輻射亮度由下式給出： （3）黑體輻射的積分表達(dá)式:斯忒藩波爾茲曼定律,在從零到無(wú)窮大的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，積分普朗克公式，得到光譜輻射出射度的積分表達(dá)式，即總輻射度，其形式為： （4）其中是斯特藩-波爾茲曼常數(shù)。維恩位移定律微分普朗克定理，求出極大值，就得到了維恩位移定律。其形式為： （5）其中為光譜輻射度的峰值波長(zhǎng)，。綜上，斯忒藩波爾茲曼定律闡述了黑體的總輻射隨絕對(duì)溫度的四次冪而變化，其方程確定了一個(gè)黑體從1厘米面積進(jìn)入半球空間里的總輻射量。維恩位移定律指明了對(duì)應(yīng)每一溫

4、度下最大輻射的波長(zhǎng)。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)。圖1給出了隨波長(zhǎng)變化的圖形。圖 1 黑體的譜線亮度隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系注：1.每一條曲線上都表了出黑體的絕對(duì)溫度。2.與各曲線的最大值相交的對(duì)角直線表示維恩位移定律。1.3 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)所用裝置為WHS-1型黑體實(shí)驗(yàn)裝置，由光柵單色儀、接收單元、溴鎢燈、可調(diào)穩(wěn)壓溴鎢燈光源、電源控制箱以及計(jì)算機(jī)組成。見(jiàn)圖2所示。圖2 黑體實(shí)驗(yàn)裝置1.3.1 光柵單色儀光柵單色儀采用衍射光柵作為色散元件，它將被測(cè)輻射色散為其光譜以便測(cè)量，它主要由光學(xué)系統(tǒng)、光柵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、狹縫機(jī)構(gòu)、觀察窗等組成。如圖3所示。1）光學(xué)系統(tǒng)：圖3 光學(xué)系統(tǒng)其中,

5、S1: 入射狹縫；S2，S3：出射狹縫；G：平面光柵；M1、M4、M5：反射鏡；M2、M3：球面反射鏡；M6：深橢球鏡；L：濾光片；T：調(diào)制器；P：接受器件入射狹縫S1，出射狹縫S2，S3 均為可調(diào)節(jié)寬度的直狹縫，寬度范圍為 0-2.5mm 連續(xù)可調(diào)，長(zhǎng)度為 20mm。S1位于球面反射鏡M2的焦平面上，S2、S3位于球面反 射鏡M3的焦平面上，且S2位于深橢球M6的長(zhǎng)軸焦點(diǎn)處，接收器件P位于M6的短軸焦點(diǎn)處。光源發(fā)出的光束，進(jìn)入入射狹縫S1后經(jīng)反射鏡M1反射到M2上，經(jīng)M2反 成平行光束投射到平面光柵G上，衍射后的平行光束經(jīng)球面反射鏡M3成象在S2（或S3）上，進(jìn)入S2后的光束，經(jīng)調(diào)制器T調(diào)制

6、成800Hz后，再經(jīng)M5反射到深橢球鏡M6上后成象到接收器P的靶面上。反射鏡M4是可旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)的，經(jīng)M4反射后的成象光束除可直接投射到M5、M外，還可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)M4使反射后的光束成象到S3上。2）光柵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖4光柵驅(qū)動(dòng)裝置正弦機(jī)構(gòu)：儀器采用如圖4所示“正弦機(jī)構(gòu)”進(jìn)行掃描，精密絲杠由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，絲杠拖動(dòng)螺母沿絲杠軸線移動(dòng)，螺母推動(dòng)正弦桿，使其繞自身的回轉(zhuǎn) 中心轉(zhuǎn)動(dòng)。光柵至于光柵臺(tái)上，光柵臺(tái)與正弦桿連接，光柵臺(tái)的回轉(zhuǎn)中心，通過(guò) 正弦桿的回轉(zhuǎn)中心，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”。 1.3.2 接收單元 隨著電子技術(shù)和電子儀器的高度發(fā)展，光輻射測(cè)量中多采用對(duì)紅外

7、輻射敏感的光電器件。本實(shí)驗(yàn)裝置采用 PbS 作接收單元，它對(duì)波長(zhǎng)范圍在 800-2500nm 的近紅外光有較好的光譜響應(yīng)。從單色儀出縫 1 射出的單色光經(jīng)信號(hào)調(diào)制器，調(diào) 制成 800Hz 的頻率信號(hào)被 PbS 接收。選用的 PbS 是一種晶體管外殼結(jié)構(gòu)，該系列的 PbS 接收元件被封裝在晶體管 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。1.3.3 溴鎢燈 金屬鎢的輻射近似于可見(jiàn)光波段內(nèi)的黑體光譜能量分布。它的熔點(diǎn)高，可達(dá)到3650K，所以鎢可用來(lái)模擬黑體。鎢絲燈是一種選擇性的輻射體，它是總輻射度可由下式求出：。式中：為

8、溫度T時(shí)的總輻射系數(shù)，它是在給定溫度下溴鎢燈的輻射度與絕對(duì)黑體的輻射度之比。溴鎢燈的結(jié)構(gòu)如圖5。圖 5 溴鎢燈光源1.3.4溴鎢燈電源控制箱電源控制箱采用可調(diào)電流的恒流源裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)電流值改變溴鎢燈的色溫。見(jiàn)圖 6。圖 6 溴鎢燈電源表 1 中給出了鎢燈的工作電流與色溫的對(duì)應(yīng)關(guān)系。（該值在出廠前已經(jīng)標(biāo)定）。表 1 工作電流與色溫的關(guān)系電流 (A)實(shí)測(cè)色溫 (K)1.729991.628891.526741.425481.324551.223031.122081.021010.920011.3.5 電源控制箱電控箱控制單色儀的光柵掃描，濾光片的切換、調(diào)制器電機(jī)的旋轉(zhuǎn)以及對(duì)接收信號(hào)的處理等，其外

9、形結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 7。圖 7 電源控制箱1.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(1) 驗(yàn)證普朗克輻射定律；(2) 驗(yàn)證斯特藩-玻耳茲曼定律；(3) 驗(yàn)證維恩位移定律。1.5 實(shí)驗(yàn)步驟1. 檢查儀器連線，確認(rèn)正常后，開(kāi)啟WHS-1型黑體實(shí)驗(yàn)裝置電源控制箱和電控箱電源，開(kāi)啟計(jì)算機(jī)；2. 在計(jì)算機(jī)桌面上打開(kāi)“WHS-1型黑體實(shí)驗(yàn)裝置”軟件，進(jìn)入選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容界面，然后“進(jìn)入”“驗(yàn)證黑體輻射定律”。軟件跳出是否對(duì)儀器復(fù)位對(duì)話框，選擇“是”，等待儀器復(fù)位。3. 儀器復(fù)位完畢后，進(jìn)入“驗(yàn)證黑體輻射定律”主窗口。在工具欄點(diǎn)擊“掃描”按鈕（或菜單欄“工作->黑體掃描”），軟件跳出提示框，確認(rèn)主機(jī)下方的撥桿置于出縫1后，點(diǎn)擊“OK”，

10、軟件進(jìn)入工作參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。對(duì)話框第一欄“參數(shù)設(shè)置”不建議改動(dòng)。第二欄“色溫選擇”，請(qǐng)選擇一個(gè)色溫值，然后通過(guò)裝置電源控制箱上“調(diào)節(jié)鈕”，使電源控制箱上電流顯示值與所選色溫值后對(duì)應(yīng)的電流相同。第二欄“保存位置”，請(qǐng)選擇一個(gè)寄存器位置。點(diǎn)擊“確定”，彈出提示框，確認(rèn)后點(diǎn)擊“OK”。進(jìn)入黑體曲線掃描窗口。點(diǎn)擊“開(kāi)始”進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量完成后，點(diǎn)擊“確定”返回主窗口。4. 建議保存測(cè)量數(shù)據(jù)（菜單欄“文件->保存”）。進(jìn)行下一組數(shù)據(jù)（不同電流）測(cè)量，并保存數(shù)據(jù)。要求至少測(cè)量三組不同電流下的數(shù)據(jù)。5. 在主窗口，點(diǎn)擊某一已存測(cè)量數(shù)據(jù)寄存器選項(xiàng)卡，選擇菜單欄“驗(yàn)證熱輻射定律->普朗克輻射定律”，進(jìn)

11、入驗(yàn)證測(cè)量數(shù)據(jù)窗口，輸入要驗(yàn)證的采樣點(diǎn)，點(diǎn)擊“確定”，在窗口右側(cè)即顯示測(cè)量值與理論值的比較結(jié)果。請(qǐng)依次輸入5個(gè)采樣點(diǎn)后，點(diǎn)擊“打印”，把實(shí)驗(yàn)結(jié)果打印出來(lái)。6. 在主窗口菜單欄，選擇“驗(yàn)證熱輻射定律->斯忒藩-波爾茲曼定律”，選中全部有數(shù)據(jù)的寄存器，并選中“把當(dāng)前范圍之外的部分使用理論值補(bǔ)充”，點(diǎn)擊“確定”，軟件彈出驗(yàn)證結(jié)果，請(qǐng)把驗(yàn)證結(jié)果打印出來(lái)。7. 在主窗口菜單欄，選擇“驗(yàn)證熱輻射定律->維恩位移定律”，選中全部有數(shù)據(jù)的寄存器，點(diǎn)擊“確定”，軟件彈出驗(yàn)證結(jié)果，請(qǐng)把驗(yàn)證結(jié)果打印出來(lái)。8. 實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)儀器，填寫(xiě)“儀器設(shè)備使用登記本”，結(jié)束本實(shí)驗(yàn)。 1.6實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果1.6.1普朗克輻射定律 選取電流值為1.7A圖8能量曲線1.6.2斯特藩-玻爾茲曼定律圖9波形圖1.6.3維恩位移定律圖10波形圖（1） 普朗克定律的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量值與真實(shí)值的相對(duì)誤差：。（2） 測(cè)得的斯特藩-玻爾茲曼常