黑体辐射 PPT课件

• 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。
例。若视太阳为黑体，测得m 460nm或510 nm
由
Tm b
定出 T表面 5700K
斯特藩—玻耳兹曼定律和 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。
m 510nm
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 因热辐射定律的发现 1911年获诺贝尔物理学奖
能否从理论上得到上述结果
• 1896年维恩（Wien）将辐射体的原子看作是带 电的谐振子，根据振子所辐射的波的频率与振子 的动能成比例，利用统计方法得到辐射公式为
普朗克公式
• 普朗克用内插法得到
2 h 3
e ( T ) c2 eh / kT 1
(1)
(2)
• 但要从理论上论证这个公式，就必须假设 谐振子的能量只能取某个基本单元ε0=hν 整倍数
• 对①求导后计算极值点，hνmax=2.82kT , 其中 ，h=6.626 ×10-23 J·s ，
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。
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？
由维恩位移律
Tm b
得T表面 6000或5800 K
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？
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]
e
注意：图中钨丝、太阳的 e
纵坐标标度不同
2.总辐出度e(T)

e( T ) e ( T )d
0
e 和 关系曲线下的面积
e 的单位为W/m2

钨丝、太阳的 e 和 关系的实验曲线
3.光谱吸收率 a (T)
a(
)

a(
,T
)

a
(T
)

dE dE
(吸收） (入射）
(国内某本天文学教科书解题时却认为λmaxνmax=c )
对比以下两图，你会觉得奇怪吗？ 右图，可见光在峰值波长两侧；而左图，可见光却不在峰值频率两侧！
e
eλ

λ
同一温度，辐出度最强的的波长并不对应辐出度最强的频率
k=R/N0≈1.38 ×10-23 J/ K =8.6 ×10-5 eV/K • νmax / T =2.82 k / h ≈ 5.88×1010 Hz/K • 对②求导后计算极值点
λmax T=2.8977686(51)×10-3 m·K ≈2.898 mm·K ≈2.9 mm·K
• 注意λmax νmax ≈2.898 ×10-3 m·K × 5.88×1010 Hz/K ≈ 1.7 ×108 m /s ≠ 3×108 m /s= c
若设物体的单色发射本领为 e0(λ,T) 、e1(λ,T)、e2(λ,T)、…，
相应地各物体的单色吸收率分别为 a0(λ, T)、a1(λ, T )、a1(λ, T )、…，
其中同绝一对波黑长体的，发a射0(本λ,领T 。) = 1；则等于绝对黑体在同一温度下对
基尔本所说的太阳表面温度就是指光 球（层）的有效温度（5770K）。
• 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。
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！
• 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。
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。
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
连续谱 线状谱 明线谱 暗线谱
高温致密
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
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）
激光、日光灯发光不是热辐射。
• 你信吗？世界预上习辐§射1能.1力最大的竟
• 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
• 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？
在说明这个命题之前， 要先区分发光与热辐射实际上
对黑体a ( T ) 1，则黑体的e ( T ) 普适函数
2. 研究黑体辐射的实验装置示意图:
热电偶(测 M(T)) e
黑体
T
光栅光谱仪 （或棱镜光谱仪）

m
黑体辐射实验曲线
测得的黑体辐射实验曲线和两个实验定律：
eλ λ
3．斯特藩—玻耳兹曼定律（实验定律）
总辐出度e(T)与黑体 温度的四次方成正比
是两个概念， 是光能发射的两种不同形式。
• 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。
只与频率、温度有关，而和材料及表面状态 无关的物体。
而黑体（的热辐射）正好与空腔的形状、材料及 ‘表面状态’ 都无关，是最好的研究对象。
实验表明：
辐射本领大的物体，吸收本领也大 （实验演示）。
黑体的吸收本领最大，辐射本领也最大。 理论证明：
e ( T ) / a ( T ) 与材料无关的普适函数
e( T ) T 4
=5.67×10- 8 W/（m2K4）
4．维恩位移定律 （实验定律）
黑体辐射光谱中辐射 最强的频率m与黑体温 度T 之间满足正比关系
m CT 或 Tm b
C= 5.88×1010 Hz/K
b= 2.898×10-3m·K
例。若视太阳为黑体，测得
• 黑体就是一个模型,实际上自然界并没有黑体。
• 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。
• 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。
黑体辐射
黑体模型的建立
• 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。
1727
¡ã C
1477
¡ã C
1227
¡ã C
977
¡ã C
0
1
2
3
4
5
6
• 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。
频率 在 附近单位频率区间内的电磁波的能量,
称为光谱辐射出射度M(T) T
T
单位面积
e
(T
)

dE
d
e的SI单位 为W/(m2·Hz)

物 质 种 类 表 面 情 况
dE …温度为T 时,单位时间内从物体单位表面
发出的频率在→+d间隔内的电磁波的能量
e(T) …描述热辐射能量按频率的分布。
物体辐射的能量等于在同一时间内所吸收 的能量时，热辐射过程达到热平衡，称为 平衡热辐射。 此时物体具有固定的温度。 我们只讨论平衡热辐射的情况。