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1、热辐射和黑体20世纪的经典人体的热辐射热辐射的基本概念一般的电磁辐射 热辐射及其一般特性1.一般的电磁辐射n有许多方法可以使物体激发而发出电磁辐 射:载有高频交流电的导体发射无线电波.热的固体或液体发出热辐射.放电气体可以发射可见光或紫外辐射.金属板受到高速电子轰击而发射射线.放射性物质可以释放射线.暴露于外源辐射下的物体有可能放出荧光. 所有这些辐射都是电磁波,区别仅在于波长.2 .热辐射及其一般特性几个基本概念：辐射度,各向同性的,吸收系数实验表明,物体物体发热辐射的速率取决于温 度和表面的性质。单位面积上发射的总辐射 的速率称为物体的辐射度。当从各个方向射到一个物体上的热辐射能量 相等时
2、，就说该辐射是各向同性的。一般说来，入射到吸收物体上 的所有波长的 各向同性辐射，它被吸收的比率与该物体表 面的温度及性质有关，这个比率称为吸收系 数。接近发现：请看下页黑体定义： 设想一种能吸收在他上面的全部热辐射的理想 物质，就叫黑体（Blackbody)。模型：一个空腔的内壁温度保持均匀，且通过一直径比 空腔线度小得多的孔与外部连通，这样的空腔就是一个 很好的近似黑体。进入孔内的任何辐射，一部分被吸收 ，一部分在内壁上受到多次漫反射，最后只有可以忽略 的极小部分跑出孔外。性质：不管空腔内壁是用什么材料做的，这个结论都成 立。我们定义单位时间内落在腔内任一单位面积上的辐 射能量为腔内的辐照
3、度。假设把一温度与腔壁温度相同 的黑体放进腔内，并用H表示，单位面积发射的辐射功 率=RB，则 H=RB ，即壁温为的空腔内的辐照度等于同一温度下黑体的辐 射度。正因为如此，腔内的辐射叫做黑体辐射。这是热辐射 随温度的改 变而辐射出 的光谱颜色这是黑体 在不同温 度下的辐 射波长。小子要发威了 ！注意了！基尔霍夫定律按照一条简单的定律可知，非黑体的辐射度 既与温度有关，也与表面的性质有关。 下面我们来导出这条定律。假设把一温度为，辐射度为R，吸收系 数为的非黑体放入一内壁温度与之相同， 辐照度为H的空腔内，则单位面积吸收的辐射功率H ，单位面积发射的辐射功率R 。因为非黑体是平衡的，故R=H
4、，又因为 H=RB,所以 R=RB即任何物体在任何温度下的辐射度等于该温度下黑体辐射度与该温度下的吸收系数的乘积。这就是基尔霍夫定律。辐射热辐射热等于吸收的热辐射能量和发射的热辐射能量 之差。 设想又一空腔，其内壁维持在恒定温度w 。 设物体面积为A，在dt时间内穿给整个物体的热量为 dQ,则dQ/dt=A(H-R). 式中和R是指温度为时的值，而H是温度为w 。 现在 H= RB(w)和 R= RB(），故dQ/dt=A RB(w) RB(）， 即通过辐射传递热量的速率与黑体在两个温度下的 辐射度之差成正比。斯忒藩根据Tynall所做的实验得出结论：辐射热与绝对 温度的四次方成正比。最后波耳
5、兹曼从热力学理论 导出这一实验结果。 即 RB(） 这个定律叫做斯忒藩-波耳兹曼定 律，其中是斯忒藩-波耳兹曼常数。因此可得温度为得物体与温度为w 得壁之间辐 射热传递速率为 式中是温度时的值。 可以用两种方法来确定的值：平衡法和非平衡法（如 果有兴趣可以查看M.W.泽门斯基和R.H.迪特曼著的 热学和热力学） 最后解出的值为:斯忒藩-波耳兹曼定律维恩定律和瑞利-金斯公 式1893年，维恩（Wilhelm Wien) 提出了黑体辐射的维恩位移 定律。指出辐射最强的波长与温度的乘积是一个常数。从 维恩推出的这个公式不仅能推导出已知的斯忒藩-波耳兹 曼定律，还能得到一个新定律：随着黑体温度的升高，
6、它 所发射的最亮光线的波长将会变短，并向紫色光区移动， 不过维恩公式只在短波区域与实验符合，在长波区域则偏 离较大。 与此同时，英国物理学家瑞利和金斯也提出一个辐射公式， 即瑞利-金斯公式，这个公式的基础是分子运动论中的能 量均分定理，但这个公式在长波区域才与实验相符。 这两个公式分别是： 和但这两个公式都只能部分解释黑体辐射，而且彼此冲突划时代的意义：请看下集普朗克的发展普朗克在1900年10月“凑”出了一个辐射公 式。这个公式能把维恩公式和瑞利-金斯 公式完美的衔接起来。后来，他发现必须 满足黑体辐射的能量不能取连续的值，而 是一份一份的，每一份都是某个最小能量 单元的整数倍。普朗克称之为
7、能量子，简 称为量子。并发现辐射能量子的能量与辐 射频率成正比，也就是一个常量h和频率 的乘积，从而开启了量子之门。热辐射的 核心问题是黑体辐射能量密度按频率的分 布。普朗克得出的能量公式是它的广泛应用热辐射及黑体的广泛应用色温：当用其它光源和黑体辐射作比较时，察看它的辐 射与黑体的何种温度相当（即它们的光谱成分 相同），就以黑体此时的温度（绝对温度）称 为色温。色温和热辐射用于彩色照相以及彩色 电视机的显象管。 在日常生活中，照相用的胶卷就有高低色温之分 。日光型的胶卷为高色温胶卷，灯光型胶卷则 为低色温胶卷。如果用灯光型的胶卷在日光或 闪光下拍照，拍下来的景物的颜色会偏蓝。另 外在摄象机摄
8、象时色温也是一个很重要的参数 。处理得不好摄出来的图象颜色会失真。 在天文学上的应用微波背景辐射：1964年，美国贝尔研究室彭齐亚斯（A.A.Penzias)和威尔逊 (R.W.Wilson)发现在天空各处无处不在的存在着一种微波波段的 辐射，无论哪个方向强度都均匀一致，相当于绝对温度3开的辐 射，简称3开微波背景辐射。这一发现作为大爆炸宇宙创生理论 的实测证据，对人类认识宇宙有重大的贡献。而且观察表明背 景辐射是各向同性的，进一步说明宇宙膨胀是均匀的。后来发现的“宇宙大余弦”的理论和实验也进一步说明，微波背景辐 射确实是宇宙大爆炸以后原初辐射的遗迹，而且爆炸导致的宇 宙膨胀速度是均匀的。谢谢观看！
