黑体辐射

  • 更新时间: 2017-09-12
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定义

黑体辐射指处于热力学平衡态的黑体发出的电磁辐射。黑体辐射的电磁波谱只取决于黑体的温度。

另一方面,所谓黑体辐射其实就是光和物质达到平衡所表现出的现象。物质达到平衡,所以可以用一个温度来描述物质的状态,而光和物质的交互作用很强,如此光和光之间也可以用一个温度来描述(光和光之间本身不会有交互作用,但光和物质的交互作用很强)。而描述这关系的便是普朗克分布(Planck distribution)。黑体辐射能量按波长的分布仅与温度有关。

黑体不仅仅能全部吸收外来的电磁辐射,且散射电磁辐射的能力比同温度下的任何其它物体强。

对于黑体的研究,使自然现象中的量子效应被发现。 黑体作为一个理想化的物体,在现实中是不存在的,因此现实中物体的辐射也与理论上的黑体辐射有所出入。但是,可以观察一些非常类似黑体的物质发出的辐射,例如一颗恒星或一个只有单一开口的空腔所发出的辐射。举个例来说,人们观测到宇宙背景辐射,对应到一个约3K的黑体辐射,这暗示宇宙早期光是和物质达到平衡的。而随着时间演化,温度慢慢降了下来,但方程式依然存在。(频率和温度的效应抵销)

1 定义

理想黑体可以吸收所有照射到它表面的电磁辐射,并将这些辐射转化为热辐射,其光谱特征仅与该黑体的温度有关,与黑体的材质无关。从经典物理学出发推导出的维恩定律在低频区域与实验数据不相符,而在高频区域,从经典物理学的能量均分定理推导出瑞利-金斯定律又与实验数据不相符,在辐射频率趋向无穷大时,能量也会变得无穷大,这结果被称作“紫外灾变”。1900年10月,马克斯·普朗克将维恩定律加以改良,又将玻尔兹曼熵公式重新诠释,得出了一个与实验数据完全吻合普朗克公式来描述黑体辐射。但是在诠释这个公式时,通过将物体中的原子看作微小的量子谐振子,他不得不假设这些量子谐振子的总能量不是连续的,即总能量只能是离散的数值(经典物理学的观点恰好相反)。
后来,普朗克进一步假设单独量子谐振子吸收和放射的辐射能是量子化的。
所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收,既没有反射,也没有透射( 当然黑体仍然要向外辐射)。
基尔霍夫辐射定律(Kirchhoff),在热平衡状态的物体所辐射的能量与吸收率之比与物体本身物性无关,只与波长和温度有关。按照基尔霍夫辐射定律,在一定温度下,黑体必然是辐射本领最大的物体,可叫作完全辐射体。
黑体辐射是指由理想放射物放射出来的辐射,在特定温度及特定波长放射最大量之辐射。同时,黑体是可以吸收所有入射辐射的物体,不会反射任何辐射,但黑体未必是黑色的,例如太阳为气体星球,可以认为射向太阳的电磁辐射很难被反射回来,所以认为太阳是一个黑体(绝对黑体是不存在的)。理论上黑体会放射频谱上所有波长之电磁波。维恩位移定律是描述黑体电磁辐射能流密度的峰值波长与自身温度关系的定律。

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