黑体辐射(课堂PPT)

• 而热辐射不是限于一定温度之上的，而是 在任何温度下的热平衡状态都要进行，并 且不是辐射分立的线状谱而是辐射连续谱。
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太阳和其他恒星的辐射是热辐射（黑体谱、 连续谱）和热发光（非连续谱）的叠加。
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牛顿发现阳光可分解为七彩
基尔霍夫发现天体谱线，开创天体光谱学
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连续谱
线状谱
明线谱 暗线谱
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• 如果物体发射出去的能量恰好等于在同一 时间内所吸收的能量，则辐射过程达到平 衡，称为平衡辐射，此时物体具有确定的 温度。否则为非平衡辐射。
• 以太阳和恒星的光球（层）为例。太阳光 球是太阳大气最低的一层（厚度约500km， 仅为太阳半径的1/1400），一方面它不断 地吸收其下方的对流层给予的能量，另一
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• 当然，这种辐射所耗散的能量需要补充， 否则物体的温度会下降，辐射的能量分布 就会改变。只要维持它的温度，辐射即可 按照原来的能量分布不停地继续进行。所 以这是一种平衡辐射。
• 而发光与此不同，不能仅用维持温度来使 辐射继续下去，而且还要依靠某种激发机 制来获得能量才能发生辐射。它包括电致 发光、光致发光、化学发光、热发光，它 们都有一个共同点，即都是非平衡辐射， 其光谱主要是分立的线状谱或带状谱。不 同的原子、离子和分子分别具有不同的标 识谱线或谱带。
开头的话
• 漆黑夜空，满天繁星，浩渺宇宙。 • 夜空为什么是黑的？因为宇宙是膨胀的。 • 繁星为什么是彩色的？因为它与“黑体”相似！ • 这些光耀时空的天体为什么又被当作“黑体”？ • 它们中有的塌缩为“黑洞”后其“视界”有多大？ • 膨胀着的无限宇宙怎么竟然会像“黑洞”一样也
有视界？ • 诸位朋友，请我们大家一起来侃！
高温致密
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思考题
• 下列说法对吗？ • 天体发光的颜色会随表面温度的改变而改
变； • 不同温度的天体发出的电磁波频率不同； • 任何温度的天体都能向外发射各种频率的
电磁波； • 不同表面温度的天体所发出的各种电磁波
的能量按频率有不同的分布。
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思考题
• 一块金属在1100K发出红色光辉，而在同样 温度下，一块石头看起来却不发“光”。 这是为什么？
• 猎户α和猎户β，前者看起来是橘红色，后
者白中略带蓝色，比较它们与太阳的表面 温度。
• 估计人体热辐射最强的波长。
• 在不同温度下可见光（760~400nm）占热 辐射的百分比以太阳温度下最高，太阳光
谱中辐射最强的波长与人眼最敏感的波长
(555nm)大体相符。
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例。若视太阳为黑体，测得m460或 5 n1 m n0m
由维恩位移律
Tm b
得 T表 面 60或 0 580K 0
维恩位移律是测量高温、 遥感和红外追踪等技术的 物理基础。
红外照相机拍摄的 人的头部的热图 热的地方显白色， 冷的地方显黑色。
维恩定律怎么来的？
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黑体辐射（和普朗克的能量子假说）
分子(含有带电粒子)的热运动使物体辐射 电磁波。这种与温度有关的辐射称为热辐射 (heat radiation)。[与此相应，也有非热辐射]
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黑体辐射
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黑体模型的建立
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• 要破译电磁波所携带的信息，不仅需要有 记录和测量电磁波自身物理特征（振幅、 频率、相位和偏振）的方法，还需要在理 论上掌握电磁波与物质的相互作用方式。
• 电磁波辐射和物质的相互作用有四种方式： 发射、吸收、反射和透射。一个物体发射 电磁波的同时，也会吸收其他物体的电磁 辐射。
是两个概念， 是光能发射的两种不同形式。
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• 热辐射，亦称温度辐射，任何物体（固体、液体、 致密气体）在任何温度均可进行这种辐射，并且 其光谱是连续光谱，能量对不同波长的分布随波 长连续改变。
• 但对不同温度的系统，能量对波长的分布也不同。 • 例如，温度低的铁块主要辐射不可见的红外线；
温度到500℃左右，铁块才开始辐射暗红色的可 见光；随着温度的提高，不但光的强度逐渐增大， 颜色也由暗红转为橙红；温度越高，波长较短的 辐射越丰富，大约到1500℃开始显示为白光，还 有相当多的紫外线。
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• 各种发光中，尤其要说明的是热发光与热 辐射的区别。
• 热发光要加热到一定温度才会辐射，例如 在燃气灯的火焰中放入钠或钠盐，达到一 定温度后火焰中的质点（原子、分子、离 子、电子）有了足够的动能去碰撞钠原子 或钠离子。才能使钠原子激发，辐射具有 确定特征的标识谱线，其中以橙黄色的D双 线最为显著。
方面它同时又持续地发射能量，在某种机 制的调节下达到局部热动平衡。
• 中小学课本所说的太阳表面温度就是指光
球（层）的有效温度（5770K）。
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• 不同的物体对同样电磁波的吸收、反射和透射 的程度各不相同。实际比较常见的是这三种同 时进行。
• 科学家们发现，分析一个问题最好是从一个过 分简化的极端状况入手，这样容易奏效。然后， 再把问题加以适当的修正，让它接近真实世界 中比较复杂的状况。这就是理想模型的方法。
热辐射的电磁波的能量对频率有一个分布。 温度不同，热辐射的电磁波的能量不同， 频率分布也不同。
例如加热铁块，随着温度的升高: 开始不发“光”→暗红 →橙色 →黄白色
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同一个黑白花盘子的两张照片
室温下，反射光
1100K，自身辐射光 （与温度有关）
• 太阳光球的电磁辐射强度随波长 的分布就与温度为6000K的黑体 辐射非常接近
8Hale Waihona Puke • 宇宙中什么最明最亮？反之，什么最 暗最黑？显然，辐射本领最强的最明 亮，吸收本领最强的最黑暗。
• 但是，如果有人说“热辐射本领最大 的，也就是吸收辐射本领最大的”， 你会相信吗？
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在说明这个命题之前， 要先区分发光与热辐射实际上
• 黑体就是一个模型,实际上自然界并没有黑体。
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• 设某物体的透射率、反射率和 吸收率分别为t、r和a，且t +r +a =1，
• 则当t =1时该物体为理想透射体； • 当r =1时该物体为理想反射体； • 当a =1时该物体为理想吸收体，
即绝对黑体。
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• 有趣的是天文学家们在研究各种 发光天体的热辐射甚至宇宙微波 背景辐射时，普遍使用的竟然是 绝对黑体模型。