实验四 黑体实验

实验四 黑体辐射

引言

一 实验目的

1.学会使用黑体辐射实验装置。

2.验证普朗克辐射定律，斯忒藩—波尔兹曼定律，维恩位移定律。

二 实验原理

1． 黑体辐射

任何物体，只要其温度在绝对零度以上，就向周围发射辐射，这称为温度辐射。黑体是一种完全的温度辐射体，即，任何非黑体所发射的辐射通量都小于同温度下的黑体发射的辐射通量；并且，非黑体的辐射能力不仅与温度有关，而且与表面的材料的性质有关。而黑体的辐射能力则仅与温度有关。黑体的辐射亮度在各个方向都相同，即黑体是一个完全的余弦辐射体。

辐射能力小于黑体，但辐射的光谱分布与黑体相同的温度辐射体称为灰体。 2．黑体辐射定律

2.1 黑体辐射的光谱分布——普朗克辐射定律 此定律用光谱辐射度表示，其形式为：

)1(2

5

1

-=

T

C e C E T λλλ（瓦特/米3）

式中：第一辐射常数C1 = 3.74×10-16 （瓦×米2）

第二辐射常数C2 = 1.4398⨯10-2（米×开尔文） 黑体光谱辐射亮度由下式给出：

π

λλT

T E L =

（瓦特/米3.球面角）

图2-1 给出了

T L λ随波长变化的图形。

图2-1 黑体的频谱亮度随波长的变化。每一条曲线上都标出黑体的绝对温度。

与诸曲线的最大值相交的对角直线表示维恩位移定律。

2.2 黑体的积分辐射——斯忒藩—波尔兹曼定律

此定律用辐射度表示为，

4

T d E E T T δλλ==⎰∞

（瓦特/米2）

T 为黑体的绝对温度，δ为斯忒藩—波尔兹曼常数，

δ =2

34

5152c

h k π= 5.670×10-8 （瓦/米2.开尔文4）

其中，k 为波尔兹曼常数，h 为普朗克常数，c 为光速。 由于黑体辐射是各向通行的，所以其辐射亮度与辐射度有关系

π

T

E L =

于是，斯忒藩—波尔兹曼定律也可以用辐射亮度表示为

4T

L πδ=

（瓦特/米2.球面度）

2.3 维恩位移定律

光谱亮度的最大值的波长

max λ与它的绝对温度T 成反比，

T A =

max λ

A 为常数，A=2.896⨯10-3 （米×开尔文）

max L =4.10T5⨯10-6（瓦特/米3.球面角.开尔文5）

随温度的升高，绝对黑体光谱亮度的最大值的波长向短波方向移动。

三实验装置

3.1仪器的基本组成

WGH-10型黑体实验装置，由光栅单色仪，接收单元，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、计算机技术于一体。

3.2 主机结构

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

3.2.1 狭缝

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。为延长使用寿命，调节时注意最大不超过2.5mm，平日不使用时，狭缝最好开到0.1－

0.5mm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。

3.2.2 仪器的光学系统

光学系统采用C－T型，如图3-2。

图3-2 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

入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0－2.5mm连续可调，光源发出的光束进入入射狭缝S1，S1位于反射式准光镜M2的焦面上，通过S1射入的光束经M2反射成平行光束投向平面光栅G上，衍射后的平行光束经物镜M3成象在S2上。经M4、M5会聚在光电接受器D上。

M2、M3 焦距302.5mm

光栅G 每毫米刻线300条闪耀波长1400nm

滤光片工作区间：第一片 800－1000nm 第二片 1000－1600nm

第三片 1600－2500nm

3.2.3 仪器的机械传动系统

仪器采用如图3-3（a）所示“正弦机构”进行波长扫描，丝杠由步进电机通过同步带驱动，螺母沿丝杠轴线方向移动，正弦杆由弹簧拉靠在滑块上，正弦杆与光栅台连接，并绕光栅台中心回转，如图3-3（b），从而

带动光栅转动，使不同波长的单色光依次通过出射狭缝而完成“扫描”。

a ．扫描结构

b ．光栅转台

图3-3 扫描结构图及光栅转台图

3.3 溴钨灯光源

标准黑体应是黑体实验的主要设置，但购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，溴钨灯的灯丝是用钨丝制成，钨是难熔金属，它的熔点为3665°K 。

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。

4T T T R σε=

式中

T ε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

T

T T E R =

ε 或

)e 1(BT

T --=ε 式中B 为常数，1.47×10-4 钨丝灯的辐射光谱分布R λT 为

)1e

(C R T

C 5

T 1T 2

-λε=

λλλ

上面谈到了黑体和钨丝灯辐射强度的关系，出厂时将给配套用的钨灯光源，一套标准的工作电流与色

温度对应关系的资料。

四 实验内容

1. 验证普朗克辐射定律。

2. 验证斯忒藩一波耳兹曼定律。

3. 验证维恩位移定律。

4. 研究黑体和一般发光体辐射强度的关系。