黑体辐射是什么意思?

时间:2021-06-14 11:15:00   作者:
黑体辐射是什么意思?黑体辐射是一个物体的纯热辐射,不考虑其他光线的反射、荧光等。它之所以被称为黑色是因为在环境温度下它不发出可见光,所以在我们的眼睛看来它是黑色的。但它总是在发射一些东西,比如红外线或无线电。最好的定义是,黑体的发射/吸收与被考虑物体中的分子和电子的搅动处于平衡状态。

当它像太阳表面一样在6000°K时是亮白色时,称它为黑色可能看起来很矛盾。然而,当温度较低且不发出可见光时,完美的黑体确实是黑色的。蓬松的新烟灰(就像蜡烛)是我们通常能遇到的最暗的物质,也是最接近完美的黑体。然而,最好的近似是烤箱的口,因为,不管它内衬什么材料,它看起来都是黑色的。而且在高温时颜色是统一的。

为什么要考虑一个完美的黑色身体,而不是一个完美的白色身体?首先,你可以拒绝像云或雪这样的白色物体,因为它们散射光而不是吸收光。所以这是一个不同的过程。有颜色的物体更糟糕,因为辐射是被选择的:红色物体是反射红光,并吸收其他光线的物体。黑体的有趣之处在于,除了热辐射的纯粹吸收或发射外,没有其他过程发生。在黑体中,这发生在非常表面,而不是像在云的深处。

黑体辐射是什么意思?让我们从热辐射开始,这是一个非常熟悉的现象。人们早就注意到,把铁器加热到高温会使它们发光。随着温度的升高,铁先是发出暗红色,然后是橙色,最后是亮黄色(直到熔化)。另一个原因是,当加热到相同温度时,暗物体似乎比闪亮物体更亮。然而,详细的研究直到19世纪中期光谱仪的出现才成为可能,这使得研究人员能够第一次解剖它们的辐射光谱。

黑体辐射是什么意思?

黑体辐射是什么意思?要理解黑体辐射,首先你需要知道辐射的基尔霍夫定律。(没错,就是那个拥有电路定律的基尔霍夫。)它基本上告诉你,一个物体在给定波长发出辐射的效率,等于它在该波长吸收辐射的效率。

那么什么吸收辐射最有效呢?一个不返回任何内容的主体,例如,一个黑色的主体。因此,根据基尔霍夫定律,黑体在被加热时,也会发出最有效的辐射。

因此,在给定波长下,任何物体的吸收和发射率都可以表示为0到1之间的一个简单数字(如果你愿意,也可以表示为一个百分比),该物体的吸收和发射率与理想情况(黑体)的吸收和发射率比较。

第一个注意到发射功率与吸收功率一致的是Kirchhoff,他当时正在研究元素的光谱,这在当时是识别新元素的有力工具。通过将稀释的气体加热到高温,它们将发出具有特征谱线的辐射。基尔霍夫注意到发射线与吸收线(又名夫琅和费线)重合。所以基尔霍夫推测,任何物体都会发射它们所吸收的光频率。

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基尔霍夫认为这不是巧合,而是普遍规律。他进行了一个思想实验。在一个不透明的,处于热平衡的封闭腔中,所有的东西都向腔中发射或吸收辐射。因为腔体处于热平衡状态,没有净热量传递,这意味着每一种物质都必须释放出它吸收的相同数量的辐射。如果有一个完全黑色的物体。,一个黑体(吸收所有频率,零反射/透射),它将发出最大的辐射频谱,这正好等于环境辐射在腔内(腔辐射)。

一旦建立了黑体辐射和空腔辐射之间的等效性,就开始进行实验以确定其光谱。尽管很难找到一个完美的黑色的身体,即使是油烟反映了大约10%的入射光,涂层腔的内壁有油烟和钻一个小洞,这个洞应该能够吸收几乎所有传入的灯,因为它需要多次反射逃脱。一旦腔体被加热,从腔体发出的辐射应该非常接近理想的黑体辐射。

黑体辐射是什么意思?

一旦绘制出不同温度下的光谱,研究人员发现黑体辐射确实非常简单,它只依赖于温度,而与腔体的形状和材料无关。从光谱中可以识别出一些简单的模式。例如,频率峰值与温度线性相关,辐射功率(谱围起来的面积)与温度的四次幂成正比。

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这种简单而优雅的关系类似于理想气体的速度分布,它应该由非常简单的规则来控制。由于研究人员确实以一种严格的方式推导出后者(麦克斯韦-玻尔兹曼分布)的数学表达式,许多人假设黑体辐射的数学表达式也应该以类似的方式推导出来。不幸的是,基于经典统计力学推导其表达式是一个灾难(瑞利-牛仔裤定律),它预测无限辐射功率在短波长(紫外线灾难)。因为当时没有人相信经典的统计力学可能是错的,他们试图找出演绎中的缺陷,但不能指出哪一步是错的。

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大致在同一时间,马克斯·普朗克试图通过简单的试错法来确定数学表达式。通过修改维恩经验方程(维恩近似),普朗克得到了正确的方程(普朗克定律),这与所有频率下的实验数据吻合得很好。然而,普朗克发现很难找到一个合理的解释的物理基础的方程式。他最后提出了另一种解释(普朗克假设),即假设腔壁上的吸收和再发射不是连续的,而是发生在能量单位(E=hν)的整数倍处,就可以推导出他的方程。

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普朗克本人并不满意他的解释,因为经典电动力学没有理由要求辐射发射或吸收被量子化。他相信他的解释是有缺陷的,一定有一种方法可以在不违反经典定律的情况下推导出他的方程。然而,爱因斯坦认为E=hν是有意义的。吸收和发射必须量子化,因为辐射本身被量子化成离散的波包(光子),其能量正好等于hν。通过假设光是离散的波包,我们可以很好地解释光电效应,这个效应在1915年(大约10年后)被密立根实验证实了。

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然而,即使引入光子的概念,仍然不足以严格地推导出普朗克方程。玻色发现,要推导普朗克定律,必须假设光子是相同的粒子,即使在原则上也无法区分。尽管像原子和分子这样的粒子在经典物理中是相同的,你仍然可以跟踪每个粒子并用数字标记它。例如,如果你把两个高尔夫球随机分成两个箱子,每个事件的频率是1/4(2,0),1/2为(1,1)和1/4(0,2)。这是因为有两个可能的病例(1,1)。然而,如果你把两个光子在高尔夫球的地方,因为光子原则上没有区别的,只有一个(1,1)的情况下,每个事件的频率都应该等于1/3。虽然玻色的想法严重违背了我们的经验,但它可以用同样的方法推导出麦克斯韦-玻尔兹曼分布(盒子里的气体),很好地推导出普朗克定律。
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