黑体辐射实验

黑体辐射实验

（一）、实验目的要求

1、掌握黑体基本理论

2、掌握黑体辐射能量的测量和任意发射光源的辐射能量的测量

3、学会利用相同的装置验证黑体的辐射定律

（二）、实验原理与设备

黑体的基本理论

物体在一定的温度下发出电磁辐射，如果理想热辐射体表面温度已知，那么其辐射特性就可以完全确定。

黑体在温度T时的光谱辐射出射度M等于普适函数。1900年，普朗克根据他提出的量子理论建立了的准确表达式，得到了与实验完全相同的结果。这就是著名的普朗克辐射公式。

式中：＿＿第一辐射常量，其值为3.7418

＿＿＿第二辐射常量，其值为1.4388；

M＿＿单位为.

普朗克公式是光辐射的一个重要的基本公式。从这个公式出发，可以推导出其他有关的辐射公式。

根据基尔霍夫定律可知，绝对黑体的总辐射出射度只是温度的函数，1879年斯忒藩根据实验得到一条经验定律：绝对黑体的积分辐射出射度与其热力学温度的四次方成正比。1884年，玻尔兹曼根据热力学理论推导出了与斯忒藩经验定律相一致的结果，因此，称为斯－玻定律。

将上式对所有波长积分，就得到绝对黑体的积分辐射出射度，

即＝

此式为斯忒藩－玻耳兹曼定律，其中称为斯忒藩－玻尔兹曼常量。斯忒藩－玻尔兹曼定律表明，黑体的全辐射出射度与热力学温度的四次方成正比。因此，温度T微小的变化，就会引起辐射出射度很大的变化。

凡温度在绝对零度以上的物体均能够发出红外辐射，其辐射的峰值波长与物体的温度有确定的关系：

式中λm ——物体辐射的峰值波长

T——物体的温度

B——常数（2898μm·K）

此为辐射度学中的维恩位移定律，意为只要物体有温度，则一定有固定波长的辐射，自然界的物体温度如果在

-40℃～3000℃（233K～3273K）范围，则根据上述公式，峰值辐射波长在0.88～12μm之间，即人们通常所说的红外波段。

2．实验装置及工作原理

WGH–10性黑体实验装置,油光栅单色仪,接受单元,扫描系统,电子放大器,A/D采集单元,电压可调的稳压溴钨灯光源,计算机及打印机组成.该设备集光学,精密机械,电子学，计算机技术与一体. 溴钨灯光源，可调溴钨灯供电源，红外光栅单色器，红外滤光片，硫化铅（PbS）光接收器，光调制器，信号采集单元，数据采集与单色仪控制软件及计算机等。

主机部分有以下几部分组成：单色器，狭缝，接收单元，光学系统以及光栅驱动系统等。红外单色器光路采用C －T型，如图1。

图1红外单色器光学原理图

M1反射镜、M2准光镜、M3物镜，M4反射镜、M5 深椭球镜

G平面衍射光栅、S1入射狭缝、S2，S3出射狭缝、T调制器

狭缝为直狭缝，宽度范围0—2.5mm连续可调，顺时针旋转为狭缝宽度加大，反之减小，每旋转一周狭缝宽度变化0.5mm。为延长使用受命，调节时注意最大不超过2.5mm,平时不使用时，狭缝最好开到0.1－0.5 mm左右。

为去除光栅光谱仪中的高级次光谱，在使用过程中，操作者可根据需要把备用的滤光片插入入缝插板上。

图2WGH-10型黑体实验装置

本实验装置的工作区间在800-2500nm，所以选用硫化铅（PbS）为光信号接收器，

从单色仪出缝射出的单色光信号经调制器，调制成50HZ的频率信号被PbS接收，选用的PbS是晶体管外壳结构、该系列探测器是将硫化铅元件封装在晶体管壳内，充以干燥的氮气或其它惰性气体，并采用熔融或焊接工艺，以保证全密封。该器件可在高温，潮湿条件下工作且性能稳定可靠。

标准黑体应是黑体实验的主要设置，一个标准黑体其价格太高，所以本实验装置采用稳压溴钨灯作光源。钨丝灯

是一种选择性的辐射体，它产生的光谱是连续的它的总辐射本领RT可由下式求出。

式中为温度T时的总辐射系数，它是给定温度钨丝的辐射强度与绝对黑体的辐射强度之比，因此

或

式中B为常数，1.47×10-4钨丝灯的辐射光谱分布RλT为：

本次实验的钨灯光源，有实测的工作电流与色温度对应关系的数据。

（三）、实验步骤与内容

1、仔细阅读实验讲义，按要求正确连接电路。检查无误后，打开溴钨灯电源预热；打开主机电源，连接好USB 数据线。

2、建立传递函数曲线

（1）将标准光源电流调整为―溴钨灯的色温‖表中色温为2940K时电流所在位置；

（2）预热20分钟后，在系统上记录该条件下全波段图谱；该光谱曲线包含了传递函数的影响；

（3）点击―验证黑体辐射定律‖菜单，选―计算传递函数‖命令，将该光谱曲线与已知的光源能量曲线相除，即得到传递函数曲线，并自动保存。

以后用户在做测量时，只要将菜单栏中右上方―传递函数‖点击成―传递函数‖。后再测未知光源辐射能量线时，此时测量的结果已扣除了仪器传递的影响。

3、修正为黑体

任意发光体的光谱能量辐射本领与黑体辐射都有一系数关系软件内提供了钨的发射系数，并能通过点击修正黑体的菜单进行修正，此时，测量溴钨灯的辐射能量曲线将自动修正为同温度下黑体的曲线。

4、验证黑体辐射定律

（1）验证普朗克辐射定律

（2）验证斯特藩－波尔兹曼定律

（3）验证维恩位移定律

（综合性实验是指实验内容涉及本课程的综合知识或与本课程相关知识的实验，不是单一的。设计性实验是指给定实验目的要求和条件，由学生自己设计实验方案并加以实现的实验。）

本实验相关知识点：

红外物理（光度学与辐射度学）：涉及黑体的基本概念、普朗克辐射定律、斯特藩－波尔兹曼定律、维恩位移定律等，几乎贯穿红外技术领域中各个环节。