黑體輻射和能量量子化
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電子、原子、分子和光子等微觀粒子，具有波粒二象性的運(yùn)動(dòng)特征。這一特征體現(xiàn)在以下的現(xiàn)象中，而這些現(xiàn)象均不能用經(jīng)典理論來(lái)解釋?zhuān)纱巳藗兲岢隽肆孔恿W(xué)理論，這一理論就是本課程的一個(gè)重要的基礎(chǔ)。
黑體是一種能全部吸收照射到它上面的各種波長(zhǎng)輻射的物體。帶有一微孔的空心金屬球，非常接近于黑體，進(jìn)入金屬球小孔的輻射，經(jīng)過(guò)多次吸收、反射、使射入的輻射實(shí)際上全部被吸收。當(dāng)空腔受熱時(shí)，空腔壁會(huì)發(fā)出輻射，極小部分通過(guò)小孔逸出。
一個(gè)吸收全部入射線的表面稱(chēng)為黑體表面。一個(gè)帶小孔的空腔可視為黑體表面。它幾乎完全吸收入射幅射。通過(guò)小孔進(jìn)去的光線碰到內(nèi)表面時(shí)部分吸收，部分漫反射，反射光線再次被部分吸收和部分漫反射……，只有很小部分入射光有機(jī)會(huì)再?gòu)男】字谐鰜?lái)。如圖黑體輻射示意圖所示
任何一個(gè)物體，在任何溫度下都要發(fā)射電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁輻射的現(xiàn)象，稱(chēng)為熱輻射。另一方面，物體在任何溫度下都會(huì)接收外來(lái)電磁輻射，除一部分反射回外界外，其余部分都被物體所吸收，這就是說(shuō)，物體在任何時(shí)候都同時(shí)存在著發(fā)射和吸收電磁輻射的過(guò)程。實(shí)驗(yàn)表明，不同物體在某一頻率范圍內(nèi)發(fā)射和吸收電磁輻射的能力是不同的，例如，深色物體吸收和發(fā)射電磁輻射的能力比淺色物體要大一些，可以證明對(duì)同一個(gè)物體來(lái)說(shuō)，若它的某頻率范圍內(nèi)發(fā)射電磁輻射的能力越強(qiáng)，那么，它吸收該頻率范圍內(nèi)電磁輻射的能力也越強(qiáng)；反之亦然。
黑體
一般來(lái)說(shuō)，入射到物體上的電磁輻射，并不能全部被物體所吸收，物體吸收電磁輻射的能力隨物體而異，通常人們認(rèn)為最黑的煤煙，也只能吸收入射電磁輻射的95%，我們?cè)O(shè)想有一種物體，它能吸收一切外來(lái)的電磁輻射，這種物體稱(chēng)之為黑體（也稱(chēng)絕對(duì)黑體）。黑體只是一種理想模型，設(shè)想在一個(gè)由任意材料（鋼、銅、陶瓷或其他）做成的空腔壁上開(kāi)一個(gè)小孔（下圖），小孔口表面就可近似地當(dāng)作黑體，這是因?yàn)樯淙胄】椎碾姶泡椛洌磺槐诙啻畏瓷?，每反射一次，腔壁就要吸收一部分電磁能，以致射入小孔的電磁輻射很少有可能從小孔逃逸出?lái)。
黑體福射
是理想的吸收體，也是理想的發(fā)射體。當(dāng)把幾種物體加熱到同一溫度，黑體放出的能量最多。由圖中不同溫度的曲線可見(jiàn)，隨溫度增加，Eν增大，且其極大值向高頻移動(dòng)。以上現(xiàn)象不能用經(jīng)典理論來(lái)解釋?zhuān)髞?lái)，1900年P(guān)lank提出的能量量子化公式:
其計(jì)算得到的Eν值與實(shí)驗(yàn)觀察到的黑體輻射非常吻合。由此可見(jiàn)，黑體輻射頻率為v的能量，其數(shù)值是不連續(xù)的，只能是hν的整數(shù)倍，即能量量子化。
基爾霍夫輻射定律(Kirchhoff)，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)。按照基爾霍夫輻射定律，在一定溫度下，黑體必然是輻射本領(lǐng)最大的物體，可叫作完全輻射體。
普朗克輻射定律(Planck)則給出了黑體輻射的具體譜分布，在一定溫度下，單位面積的黑體在單位時(shí)間、單位立體角內(nèi)和單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)輻射出的能量為
B(λ，T)=2hc2 /λ5 ·1/exp(hc/λRT)-1
B(λ，T)—黑體的光譜輻射亮度(W，m-2 ，Sr-1 ，μm-1 )
黑體光譜輻射出射度M（λ，T）與波長(zhǎng)、熱力學(xué)溫度之間關(guān)系的公式：
M=c1/[λ^5(exp(c2/λT)-1)]，其中c1=2πhc^2,c2=hc/k.
黑體能量密度公式：
E*dν=c1*v^3*dv/[exp(c2*v/T)-1)]
E*dv表示在頻率范圍（v,v+dv）中的黑體輻射能量密度。
λ—輻射波長(zhǎng)(μm)
T—黑體絕對(duì)溫度(K、T=t+273k)
C—光速(2.998×108 m·s-1 )
h—普朗克常數(shù)， 6.626×10-34 J·S
K—波爾茲曼常數(shù)(Bolfzmann)， 1.380×10-23 J·K-1 基本物理常數(shù)
由圖2.2可以看出：
?、僭谝欢囟认?，黑體的譜輻射亮度存在一個(gè)極值，這個(gè)極值的位置與溫度有關(guān)， 這就是維恩位移定律(Wien)
λm T=2.898×103 (μm·K)
λm —最大黑體譜輻射亮度處的波長(zhǎng)(μm)
T—黑體的絕對(duì)溫度(K)
根據(jù)維恩定律，我們可以估算，當(dāng)T～6000K時(shí)，λm ～0.48μm(綠色)。這就是太陽(yáng)輻射中大致的最大譜輻射亮度處。
當(dāng)T～300K， λm～9.6μm，這就是地球物體輻射中大致最大譜輻射亮度處。
?、谠谌我徊ㄩL(zhǎng)處,高溫黑體的譜輻射亮度絕對(duì)大于低溫黑體的譜輻射亮度，不論這個(gè)波長(zhǎng)是否是光譜最大輻射亮度處。
如果把B(λ，T)對(duì)所有的波長(zhǎng)積分，同時(shí)也對(duì)各個(gè)輻射方向積分，那么可得到斯特番—波耳茲曼定律(Stefan-Boltzmann)，絕對(duì)溫度為T(mén)的黑體單位面積在單位時(shí)間內(nèi)向空間各方向輻射出的總能量為B(T)
B(T)=δT4 (W·m-2 )
δ為Stefan-Boltzmann常數(shù), 等于5.67×10-8 W·m-2 ·K-4
但現(xiàn)實(shí)世界不存在這種理想的黑體，那么用什么來(lái)刻畫(huà)這種差異呢?對(duì)任一波長(zhǎng)， 定義發(fā)射率為該波長(zhǎng)的一個(gè)微小波長(zhǎng)間隔內(nèi)， 真實(shí)物體的輻射能量與同溫下的黑體的輻射能量之比。顯然發(fā)射率為介于0與1之間的正數(shù)，一般發(fā)射率依賴(lài)于物質(zhì)特性、 環(huán)境因素及觀測(cè)條件。如果發(fā)射率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，那么可把物體叫作灰體(grey body)， 否則叫選擇性輻射體。
評(píng)論