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黑体辐射 哈工大热力学与统计物理大作业黑体辐射
黑体辐射 黑体辐射摘要:叙述了黑体辐射公式中几个重要结果维恩定律,瑞利-金斯公式和普朗克公式的建立过程,遵循普朗克的思路给出了普朗克公式的量子论解释。 关键词:黑体辐射;维恩定律;瑞利-金斯公式;普朗克公式;普朗克量子论 引言:所谓黑体,就是对什么光…
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黑体辐射
黑体辐射
摘要:叙述了黑体辐射公式中几个重要结果维恩定律,瑞利-金斯公式和普朗克公式的建立过程,遵循普朗克的思路给出了普朗克公式的量子论解释。 关键词:黑体辐射;维恩定律;瑞利-金斯公式;普朗克公式;普朗克量子论 引言:
所谓黑体,就是对什么光都吸收而无反射也无透射的物体。黑体是不存在的,就像质点,刚体,电偶极子等物理概念一样是一个理想化的物理模型。物理上可以用如图1 所示的装置来模拟黑体。耐火材料做成的物体内部挖空一部分区域,并且在物体一个面开一个非常小的小孔,一旦光线射进小孔后,在空腔内壁经过多次吸收和反射,几乎完全被吸收掉,再跑出小孔的几率特别小,因此可以把空腔的小孔视为黑体的表面。定义吸收本领α(ν,T)为在频率ν附近,单位频率间隔内被物体吸收的辐射通量与照射在该物体上的辐射通量之比,则黑体的吸收本领α(ν,T) =1。问题来源:牛顿在十七世纪建立了古典力学,成为科学发展的一个里程碑。随后两百多年,科学家们以牛顿力学的模式,建立了有关声学、弹性力学、热力学、电磁学等古典物理学门,并成功解释了几乎所有当时已知物质世界的性质。到了十九世纪末,古典物理似乎已经趋于完备。当时英国著名的物理学家凯尔文爵士就说过:「在已建立的科学大厦中,后辈物理学家只能作一些零碎的修补工作了」。然而,凯尔文同时也指出了“在物理学晴朗天空远处,还有两朵小小的令人不安的乌云”。这两朵乌云,指的是当时令人困惑的两个实验结果:一个是企图找出当时深信存在的传播光波的介质(俗称“以太”)但告失败的实验﹔另一个是古典物理理论结果舆热辐射实验的严重偏离,亦称为“紫外灾难”(ultraviolet catastrophe)。 当时几乎没人想到,这两朵小小的乌云竟为物理学带来空前的革命:第一朵乌云导致了爱因斯坦(A. Einstein)的相对论,从而彻底改变了人们的时空观﹔而第二朵乌云则揭开了量子科技革命的序幕。
正文:
1、维恩公式
实验发现:热平衡时,空腔辐射的能量密度,与辐射的波长的分布曲线,其形状和位置只与黑体的绝对温度 T 有关而与黑体的形状和材料无关。其分布如错误!未找到引用源。所示。
从热力学出发加上一些特殊的假设,得到一个分布公式:
??d??C1?3exp(?C2?/T)d?
如图- 1所示,可以看到,Wien 公式在短波部分与实验还相符合,长波部分则明显不一致。
图- 2
图- 1
2、瑞利-金斯公式
另一个较为成功公式是基于经典电动力学和统计力学导出的瑞利-金斯公
式,如图4所示瑞利-金斯公式适用于低频部分的黑体辐射实验结果,在高频部分黑体辐射本领趋向于无穷大,与实验矛盾,史称紫外灾难。空腔内电
磁波和腔壁做简谐振动的原子交换能量达到平衡时满足的条件是
为辐射场的谱能量密度,
间内电磁波振动模式数目,
子的平均能量 为单位体积,ν附近单位频率区为空腔器壁原子做谐振动的平均能量。为了计算谐振,瑞利和金斯采用统计力学中的能均分定理
将上式代入(1)式得到黑体辐射的瑞利-金斯公式
很明显,瑞利-金斯也符合维恩定律式的形式,不过没有出现位移的峰值。黑体辐射的高频部分当,实验结果是
瑞利-金斯公式和实验的
矛盾表明,该公式在推导过程中使用的能均分定理有问题,事实上求解谐振子平均能量时的
积分表明瑞利、金斯默认了能量无限可分的观念。
3、普朗克公式
普朗克的黑体辐射公式包含了两个常量C1和C2,而不再使用参数,αβ。由内插维恩公式和瑞利-金斯公式得到的黑体辐射公式能和当时最精确的黑体辐射实验结果相符合。
将能量E划分为P个相等的能量单元ε,于是有。这些能量单位可以按不同的比例分配给N个谐振子,这些能量单元都是不可区分的。P个能量单元分配到N个谐振子的分配方案数共有分配方案数Ω和
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