黑體測量實驗

黑體測量實驗從某種意義上來說，由于我們生活在一個輻射能的環(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，輻射度量的測量對于航空、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)備絕對標(biāo)準(zhǔn)。它可以作為一種標(biāo)準(zhǔn)來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體的輻射規(guī)律,計算其輻射量。【實驗?zāi)康摹?.通過實驗了解和掌握黑體輻射的光譜分布。2.驗證普朗克(Planck)輻射定律。3.驗證斯忒藩——波耳茲曼定律。4.驗證維恩(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。6.學(xué)會一般發(fā)光源的輻射能量的測量，記錄發(fā)光源的輻射能量曲線?！緦嶒瀮x器】WGH—10型黑體實驗裝置，電控箱，溴鎢燈及電源，計算機(jī)等【實驗原理】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）實驗表明，熱輻射具有連續(xù)的輻射譜，波長自遠(yuǎn)紅外區(qū)延伸到紫外區(qū)，并且輻射能量按波長的分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，既沒有反射，也沒有透射(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，存在各種波長的電磁波，其能量按波長的分布與黑體的溫度有關(guān)。早在1859年，德國物理學(xué)家基爾霍夫在總結(jié)當(dāng)時實驗發(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關(guān),只與波長和溫度有關(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)無關(guān)。其比值對所有輻射源（=1，2，┄）都一樣，是一個只取決于波長和溫度的普適函數(shù)。（，）與單色吸收率（，）兩者中的每一個都隨物體的不同而差別非常大?；鶢柣舴蚨煽梢员硎緸椋海?）對于所有波長，=1，這種物體成為絕對黑體，由此得到：（3）式中為該溫度下黑體對同一波長的單色輻射度。由此可見，基爾霍夫的普適函數(shù)正是絕對黑體的光譜輻射度。而=1的輻射體就是絕對黑體，簡稱黑體(blackbody)。黑體的輻射亮度在各個方向都相同，即黑體是一個完全的余弦輻射體。輻射能力小，并且對于所有波長，各種溫度都是常數(shù)，稱為灰體（greybody）。灰體的輻于黑體，若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，但對于有限的波長區(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際物體，我們稱之為選擇性輻射體。其吸收本領(lǐng)，且隨波長及溫度而變，同時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—波爾茲曼定律（Stefan-Boltzmannlaw）（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-Boltzmannlaw）斯忒藩—波爾茲曼定律（Stefan-Boltzmannlaw）是熱力學(xué)中的一個著名定律。1879年約瑟?！に惯⊿tefan）通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，提出了物體絕對溫度為T、面積為S的表面，單位時間所輻射的能量（輻射功率或輻射能通量）存在如下關(guān)系：=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)，是對所有物體均相同的常數(shù)。此式表明,絕對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)位移定律對應(yīng)一定溫度的從紅色向藍(lán)紫色光移動.這對于高溫物體的顏色由暗紅逐漸轉(zhuǎn)向藍(lán)白色的事實.在研究工作中,可以從實驗與溫度之間的定量關(guān)系,也可以利用經(jīng)典熱力曲線有一最高點,位于波長處。溫度越高,輻射最強(qiáng)的波長越短,即上測量不同溫度下曲線峰值所對應(yīng)的波長學(xué)從理論上進(jìn)行推導(dǎo).歷史上德國物理學(xué)家維恩于1893年找到了述這一實驗規(guī)律,則有：與之間的關(guān)系如果用數(shù)學(xué)形式描即光譜亮度的最大值的波長與它的絕對溫度成反比：(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。隨溫度的升高，絕對黑體光譜亮度的最大值的波長向短波方向移動。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估計諸如恒星或熾熱的鋼水等一類熾熱物體的溫度。熱輻射是連續(xù)譜,眼睛看到的是可見光區(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。請注意,一般輻射源所輻射的光譜(能量按波長分布曲線)依賴于輻射源的組成成分，但對于黑體，不論它們的組成成分如何，它們在相同溫度下均發(fā)出同樣形式的光譜。圖1黑體的頻譜亮度隨波長的變化關(guān)系曲線圖圖1為黑體的頻譜亮度隨波長的變化關(guān)系曲線圖。每一條曲線上都標(biāo)出黑體的絕對溫度。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,黑體對不同波長的輻射本領(lǐng)是不同的。(2)在某一波長處有極大值,說明黑體對該波長具有最大的單色輻出度。(3)當(dāng)溫度升高時,極大值位置向短波方向移動,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)簡潔而定量地表示了出來,很有實用價值。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固守能量的多少倍呢?表面的能量將是該物質(zhì)在室溫下所利用維恩位移定律可以測定輻射體的溫度,如測定了,則可得到輻射體的溫度。例如太陽表面發(fā)出的輻射在0.5附近有一個極大值,我們可估算太陽的表面為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)測森林火警,也可以用來監(jiān)測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)計物理學(xué)和電磁學(xué)的基礎(chǔ)上去尋求答案，但始終沒有獲得完全成功。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與實驗曲線相符；1900--1905年瑞利（Rayleigh）和靳斯（Jeans）根據(jù)統(tǒng)計物理學(xué)和經(jīng)典電磁學(xué)理論導(dǎo)出的公式只是在波長很長時不偏離實驗曲線。他們的共同結(jié)論是，在波長比短時，輻射能量將趨于無窮大。這顯然是荒謬的結(jié)果，在物理學(xué)歷史上，這一個難題被稱為“紫外災(zāi)難”。“紫外災(zāi)難”表明經(jīng)典物理學(xué)在解釋黑體輻射的實驗規(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，如果事實不能被理論說明，那么理論存在缺陷，必須獲得重建。1900年，對熱力學(xué)有長期研究的德國物理學(xué)家普朗克綜合了維恩公式和瑞利—靳斯公式，利用內(nèi)插法，引入了一個自己的常數(shù)，結(jié)果得到一個公式，而這個公式與實驗結(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)，令可寫為：，，則(7)式（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的變化曲線。由圖2可見：圖2黑體的單色輻射出射度的波長分布（1）對應(yīng)任一溫度，單色輻射度隨波長連續(xù)變化，且只有一個峰值。對應(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。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，只能取某個最小數(shù)值的整數(shù)倍。這個最小數(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。能量子假說的提出，給經(jīng)典物理學(xué)打開了一個缺口，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1918年諾貝爾物理學(xué)獎。3.由普朗克黑體輻射公式推導(dǎo)出經(jīng)典公式事實上，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，，則可得到適合長波區(qū)域的瑞利-靳斯公式：（9）3.2.維恩公式當(dāng)很小時，，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應(yīng)的波長應(yīng)由來決定?？傻茫海?1）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應(yīng)的峰值波長。3.4.斯忒芬-波爾茲曼定律對（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)無關(guān)?！緦嶒炑b置】WGH-10型黑體實驗裝置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(diào)的穩(wěn)壓溴鎢燈光源，計算機(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：單色儀，狹縫，接收單元，光學(xué)系統(tǒng)以及光柵驅(qū)動系統(tǒng)等。圖3WGH-10型黑體實驗裝置1.狹縫狹縫為直狹縫，寬度范圍0－2.5連續(xù)可調(diào)，順時針旋轉(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。為延長使用壽命，調(diào)節(jié)時注意最大不超過2.5，平日不使用時，狹縫最好開到0.1－0.5左右。為去除光柵光譜儀中的高級次光譜，在使用過程中，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、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0－2.5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會聚在光電接受器D上。M2、M3的焦距為302.5G每毫米刻線300條，閃耀波長1400。，光柵濾光片工作區(qū)間：第一片800－1000第二片1000－1600第三片1600－25003.儀器的機(jī)械傳動系統(tǒng)儀器采用如圖5（a）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，螺母沿絲杠軸線方向移動，正弦桿由彈簧拉靠在滑塊上，正弦桿與光柵臺連接，并繞光柵臺中心回轉(zhuǎn)，如圖5（b），從而帶動光柵轉(zhuǎn)動，使不同波長的單色光依次通過出射狹縫而完成“掃描”。a．掃描結(jié)構(gòu)b．光柵轉(zhuǎn)臺圖5掃描結(jié)構(gòu)圖及光柵轉(zhuǎn)臺圖4.溴鎢燈光源標(biāo)準(zhǔn)黑體應(yīng)是黑體實驗的主要設(shè)置，但購置一個標(biāo)準(zhǔn)黑體其價格太高，所以本實驗裝置采用穩(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。式中為溫度時的總輻射系數(shù)，它是給定溫度鎢絲的輻射強(qiáng)度與絕對黑體的輻射強(qiáng)度之比，因此或式中為常數(shù)，1.47×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應(yīng)關(guān)系的資料。見表1表1溴鎢燈工作電流——色溫對應(yīng)表電流（）2.50色溫（）29402.3028602.2027702.1026802.0026001.9025501.8025001.7024501.6024301.5023301.402250(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，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.接收器本實驗裝置的工作區(qū)間在800-2500，所以選用硫化鉛（PbS）為光信號接收器，從單色儀出縫射出的單色光信號經(jīng)調(diào)制器，調(diào)制成50HZ的頻率信號被PbS接收，選用的PbS是晶體管外殼結(jié)構(gòu)、該系列探測器是將硫化鉛元件封裝在晶體管殼內(nèi)，充以干燥的氮氣或其它惰性氣體，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)及反饋信號送入計算機(jī)。電控箱正面圖電控箱背面圖圖8電控箱【實驗內(nèi)容與步驟】實驗前請先仔細(xì)閱讀實驗儀器使用說明書1.打開黑體輻射實驗系統(tǒng)電控箱電源及溴鎢燈電源開關(guān)。2．打開計算機(jī)電源。3．雙擊“黑體”圖標(biāo)進(jìn)入黑體輻射系統(tǒng)軟件主界面，設(shè)置：工作方式——模式：能量，間隔：2nm.工作范圍——起始波長:800nm,終止波長：2500nm。最大值：10000.0，最小值：0.0("最大值"與狹縫寬度有關(guān),寬度越大,能量越大,"最大值"最多