黑體輻射實驗講義

1黑體輻射實驗教課目標、掌握和認識黑體輻射的光譜散布——普朗克輻射定律；2、掌握和認識黑體輻射的積分輻射——斯忒藩玻爾茲曼定律；3、掌握和認識維恩位移定律。重難點難點：WGH—10黑體實驗儀的原理和使用方法；要點：經過實驗掌握黑體輻射的光譜散布規(guī)律。教課方法理論聯系實質；實驗察看與比較；學時4個學時一、序言黑體輻射實驗是量子理論的實驗基礎，本實驗經過對黑體輻射的研究，測定黑體輻射的光譜散布，考證普朗克輻射定律，考證斯忒藩－玻耳茲曼定律，考證維恩位移定律，正確認識物質熱輻射的量子特征，為進一步學習研究量子力學打下堅固的基礎。二、實驗儀器WGH-10型黑體實驗裝置，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，電壓可調的穩(wěn)壓溴鎢燈光源，計算機及輸出設施構成。該設施集光學、精細機械、電子學、計算機技術于一體。光路圖如圖1接收器光柵黑體白板圖1黑體輻射實驗光路圖三、實驗原理黑體是指可以完整汲取全部外來輻射的物體，處于熱均衡時，黑體汲取的能量等于輻射的能量，因為黑體擁有最大的汲取本事，因此黑體也就擁有最大的輻射本事。這類輻射是一種溫度輻射，輻射的光譜散布只與輻射體的溫度相關，而與輻射方向及四周環(huán)境沒關。一般輻射體其輻射本事和汲取本事都小于黑體，并且輻射能力不單與溫度相關，并且與表面資料的性質相關，實驗中關于輻射能力小于黑體，但輻射的光譜分布與黑體同樣的輻射體稱為灰體。因為標準黑體的價錢昂貴，本實驗用鎢絲作為輻射體，經過必定修正代替黑體進行輻射丈量及理論考證。1．黑體輻射的光譜散布十九世紀末，好多有名的科學家包含諾貝爾獎獲取者，關于黑體輻射進行了大批實驗研究和理論剖析，實驗測出黑體的輻射能量在不一樣溫度下與輻射波長的關系曲線如圖2所示，關于此散布曲線的理論剖析，歷史上曾惹起了一場巨大的風波，進而致使物理世界圖像的根本改革。維恩試圖用熱力學的理論并加上一些特定的假定得出一個散布公式－維恩公式。這個散布公式在短波部分與實驗結果切合較好，而長波部分偏離較大。瑞利和金斯利用經典電動力學和統(tǒng)計物理學也得出了一個散布

6000oK575000oK4000oK3000oK圖2黑體輻射能量散布曲線公式，他們得出的公式在長波部分與實驗結果符合較好，而在短波部分則完整不符。所以經典理論受到了嚴重失敗，物理學歷史上出現了一個改革的轉折點。普朗克研究這個問題時，本著從實質出發(fā)，并勇敢引入了一個前所未有的特別假定：一個原子只好汲取或許發(fā)射不連續(xù)的一份一份的能量，這個能量份額正比于它的振蕩頻次。并且這樣的能量份額值一定是能量單元hν的整數倍，即能量子的整數倍。h即是普朗克常數。由此獲取了黑體輻射的光譜散布輻射度公式：ETC1(Wm-3)C25(eT1)式中：第一輻射常數1hc2＝3.74×－16（2）C＝2π10Wm－2第二輻射常數C2＝hc／k＝1.4388×10（mK）LTET(Wm－3sr）2．黑體的積分輻射—－斯忒藩－玻耳茲曼定律斯忒藩和玻耳茲曼先后（1879年）從實驗和理論上得出黑體的總輻射通量與黑體的絕對溫度T的四次方成正比，即：ETETdT4-20（Wm）式中T為黑體的絕對溫度，δ為斯忒藩－玻耳茲曼常數：25k45.6705108(Wm-2K-4)15h3c2式中k為玻耳茲曼常數，h為普朗克常數，c為光速。因為黑體輻射是各向同樣的，所以其輻射亮度與輻射度的關系為：LET于是，斯忒藩－玻耳茲曼定律的輻射亮度表達式為：LT4－2sr）（Wm3．維恩位移定律諾貝爾獎獲取者維恩于1893年經過實驗與理論剖析，獲取光譜亮度的最大值的波長max與黑體的絕對溫度T成反比：AmaxT式中：A為常數，A＝2.896×10－3（mk）。光譜亮度的最大值為：Lmax4.10T5106Wm3srK5隨溫度的高升，絕對黑體光譜亮度的最大值的波長向短波方向挪動。四、黑體修正本實驗用溴鎢燈的鎢絲作為輻射體，因為鎢絲燈是一種選擇性的輻射體，與標準黑體的輻射光譜有必定的誤差，所以一定進行必定修正。鎢絲燈輻射光譜是連續(xù)光譜，其總輻射本事RT由下式給出：RTTT4式中T為鎢絲的溫度為T時的總輻射系數，其值為該溫度下鎢絲的輻射強度與絕對黑體的輻射強度之比：TRTET鎢絲燈的輻射光譜散布RT為：C1TRTC2(eT1)經過鎢絲燈的輻射系數及測得的鎢絲燈輻射光譜，用以上公式即可將鎢絲燈的輻射光譜修正為絕對黑體的輻射光譜，進而進行黑體輻射定律的考證。本實驗經過計算機自動掃描系統(tǒng)和黑體輻射自動辦理軟件，可對系統(tǒng)掃描的譜線進行傳達修正以及黑體修正，并給定同一色溫下的絕對黑體的輻射譜線，以便進行比較考證。溴鎢燈的工作電流與色溫對應關系以下：表1溴鎢燈工作電流與色溫對應關系表電流(A)色溫(K)1.4022201.5023301.6023801.7024501.8025001.9025502.0026002.1026802.2027702.3028602.502940五、實驗步驟翻開黑體輻射實驗系統(tǒng)電控箱電源及溴鎢燈電源開關。翻開顯示器電源開關及計算機電源開關啟動計算機。雙擊“黑體”圖標進入黑體輻射系統(tǒng)軟件主界面，設置：“工作方式”——“模式”為“基線”、“間隔”為“2nm”“工作范圍”——“開端波長”為“800.0nm”、“停止波長”為“2500.0nm”、“最大值”為“10000.0”、“最小值”為“0.0”“傳達函數”為,“修正為黑體”為4.調理溴鎢燈工作電流為表2.5,即色溫為2940K，點擊“單程”計算傳達函數。5．點擊“傳達函數”、“修正為黑體”為√6．點擊黑體掃描記錄溴鎢燈光源在傳達函數修正和黑體修正后的全譜存于存放器－1內。7．改變溴鎢燈工作電流，在表1中任選5個電流值，分別進行黑體掃描記錄，輸入相應的體漫并分別存于5個存放器內8．分別對各個存放器內的數據進行歸一化。9．考證普朗克輻射定律（取五個點）。10．考證斯忒藩－玻耳茲曼定律。11．考證維恩位移定律。12．將以上所測輻射曲線與絕對黑體的理論曲線進行比較并剖析之。六、實驗數據及數據辦理1．考證普朗克輻射定律（取五個點）IT(nm)ET(理）ET(實）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．考證斯忒藩－玻耳茲曼定律。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．考證維恩位移定律。max(nm)961.11017.81008.81058.31113.2T（K）2940