[概念阐释]

    一、黑体辐射(§15-1)

    1. 热辐射

    (1)  当分子作热运动时,组成物体的分子中所包含的带电粒子,将随之一起作热运动,因而将会向外辐射电磁波,这就是热辐射。物体的热辐射具有以下特点:

    a)  由于热辐射是由分子热运动引起的,所以它是物体处于任何温度下都在进行着的一种能量辐射,并且永不停息;

    b)  与物体的温度密切相关,随着物体温度的升高,不仅辐射能量在增大,而且辐射能的波长范围向短波区移动,当物体的温度超过800°C以后,辐射能的波长范围逐渐进入可见光区域;

    c)  热辐射能谱是连续谱。

    (2)  在任何温度下、对任何波长的入射辐射能的吸取比都等于1的物体,就是绝对黑体,简称黑体。

    读者可能会提出这样的问题,既然任何物体都会发生热辐射,为什么单单选择黑体作为热辐射研究的对象或研究的核心?有人回答说,因为黑体是理想物体,研究物理现象总要选取一定的理想模型,这是大家惯用的方法。总体来说是如此,但对于热辐射问题,还必须作具体的分析和回答。

    对于一般物体而言,大家所接收到由它发出的辐射能实际上包括两部分,一部分是由它所发射的热辐射,另一部分则是由它所反射的辐射能,并且这两部分是无法分开的。而大家所要研究的正是第一部分。至于第二部分,不仅与物体自身的性状有关,也与被它所反射的辐射能的性状有关。

    对于黑体,情况就不同了。既然黑体在任何温度下、对任何波长的入射辐射能的单色吸取比都等于1,即

                            ,      

那么在任何温度下、对任何波长的入射辐射能的单色反射比必定等于零,即

                             ,

这表示黑体不会反射电磁能量。所以,大家所接收到由黑体发出的辐射能,仅仅是它自身的热辐射,这就为大家研究物体的热辐射提供了便利。这就是为什么大家把黑体作为研究热辐射的对象或核心的原因。

    (3)  任何物体的单色辐出度与单色吸取比之比,等于同一温度下绝对黑体的单色辐出度,即

                          ,

这就是基尔霍夫辐射定律。

    必须注意,基尔霍夫辐射定律只有在平衡辐射的条件下才成立。

    2. 黑体辐射的基本规律

    根据黑体的单色辐出度Ml0 (T )按波长l分布的实验曲线和理论分析,得到关于黑体辐射的两个基本定律:

    (1)  斯特藩-玻尔兹曼定律:黑体的辐射出射度M0(T)与黑体温度T的四次方成正比,即

                     .

    (2)  维恩位移律:随着黑体温度的升高,其单色辐出度最大值所对应的波长 lm 按照T-1 的规律向短波方向移动,即

                             .

    3. 普朗克辐射公式和能量子的概念

    (1)  根据经典理论导出的公式与黑体辐射的实验结果明显不符,其中瑞利-金斯公式在短波区与实验不符,维恩公式在长波区与实验不符。

    (2)  普朗克从他的能量子的概念出发得到了与实验结果相符的黑体辐射公式

                      .

对于能量量子化的概念可以从下面两个方面理解:

    a)  电磁辐射的能量是一份一份组成的,每一份的能量是

                              ,

其中n是电磁波的频率。

    b)  电磁辐射源的能量是量子化的,这种量子化的能量由离散的能级表示。发射(或吸取)电磁波,对应于辐射源从一个能级跃迁到另一个能级。

    下面大家还将对这些概念作进一步讨论。

       
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