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黑体热辐射实验
黑体辐射实验(41070101)
实验背景:
早在1859年,德国物理学家基尔霍夫在总结当时实验发现的基础上,用理论方法得出一切物体热辐射所遵从的普遍规律:
在相同的温度下,各辐射源的单色辐出度Mi(λ,T)与单色吸收率αi(λ,T)成正比,其比值对所有辐射源(i=1,2,┄)都一样,是一个只取决于波长λ和温度T的普适函数。
而黑色物体对可见光能强烈吸收,则当获取能量时也应有在可见光区的强烈辐射,因而从黑体辐射的角度研究确定普适函数的具体形式就具有极大的吸引力。
显然,如果单色吸收率αi(λ,T)=1,则该辐射源的单色辐出度Mi(λ,T)就是要研究的普适函数。
而
αi(λ,T)=1的辐射体就是绝对黑体,简称黑体。
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。
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;只要其温度在绝对零度以上,也要从外界吸收辐射的能量。
处在不同温度和环境下的物体,都以电磁辐射形式发出能量,而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。
在黑体辐射中,存在各种波长的电磁波,其能量按波长的分布与黑体的温度有关。
实验目的:
1、了解黑体辐射实验现象,掌握辐射研究方法;
2、学会仪器调整与参数选择,提高物理数量关系与建模能力;
3、通过验证定律,充实物理假说与思想实验能力。
实验仪器:
WGH-10型黑体实验装置专门用于进行黑体辐射能量的测量和任意发射光源的辐射能量的测量。
可以记录出发光源的辐射能量曲线。
在实验时,通过改变光源的温度,分别进行扫描,可以从记录的光谱辐射曲线直接看到维恩位移定律的现象,并能够对普朗克定律、斯忒藩-波尔兹曼定律进行较精确的验证。
WGH-10型黑体实验装置的控制系统采用WINDOWS界面,在WINDOWS95/98系统下均能适用,功能强大、操作简便。
控制软件中,根据普朗克公式可以计算出任意温度下的绝对黑体的理论曲线,用户可以根据需要提取。
WGH-10型黑体实验装置所配的光源是溴钨灯,溴钨灯的谱线大致类似于黑体,但是由于钨的发射系数不是1,所以需要进行修正。
软件可以对不同温度下溴钨灯的曲线进行发射系数(仅限于溴钨灯)的修正。
此外WGH-10型黑体实验装置还可作为光谱区间在800-2500nm范围的光栅光谱仪使用,进行其它实验。
2.1.2规格、参数:
相对孔径D/F=1/7
焦距302.5mm
色散元件300L光栅
狭缝0-2mm连续可调,示值精度0.01mm/格,最大高度20mm
主机尺寸360×300×160mm
2.1.3主要技术指标:
波长范围800—2500nm
波长精度±6nm
波长重复性3nm
杂散光≤0.3%T
2.1.4仪器的基本组成与主机结构
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。
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等。
WGH-10型黑体实验装置
2.1.5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。
2.1.6仪器的光学系统
光学系统采用C-T型,如下图。
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、Z转光镜
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
2.1.7仪器的机械传动系统
仪器采用“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,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
2.1.8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。
式中
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
或
式中B为常数,1.47×10-4
钨丝灯的辐射光谱分布RλT为
2.1.9结构
电压显示
220伏电源插座头
光源系统采用电压可调的稳压溴钨灯光源,额定电压值为12V,电压变化范围2-12v。
电流显示
排风扇
电源开关
溴钨灯电源面板溴钨灯电源背面图
溴钨灯装接图溴钨灯外形图
2.1.10光源光路图
2.1.11溴钨灯的色温
溴钨灯工作电流——色温对应表
电流(A)
色温(k)
2.1.12接收器与电控箱
本实验装置的工作区间在800-2500nm,所以选用硫化铅(PbS)为光信号接收器,从单色仪出缝射出的单色光信号经调制器,调制成50HZ的频率信号被PbS接收,选用的PbS是晶体管外壳结构、该系列探测器是将硫化铅元件封装在晶体管壳内,充以干燥的氮气或其它惰性气体,并采用熔融或焊接工艺,以保证全密封。
该器件可在高温,潮湿条件下工作且性能稳定可靠。
电控箱控制光谱仪工作,并把采集到的数据及反馈信号送入计算机。
USB接口
接收器插头
电源开关
接收器插口口
扫描电机插口
电控箱正面图
电源插座
电控箱背面图
实验原理
1.2黑体辐射定律
1.2.1黑体的积分辐射——斯忒藩—波尔兹曼定律
1879年约瑟福.斯特藩通过对实验数据的分析,提出了物体绝对温度为T、面积为S的表面,单位时间所辐射的能量(辐射功率或辐射能通量)E存在如下关系:
E=aST4
5年后,鲁德维格.波尔兹曼从理论上推导了这个公式,这就是斯特藩-波尔兹
曼定律。
a是辐射系数,它表征辐射源表面(如粗糙程度等)的辐射性质却与物体的材质无关;是斯特藩-波尔兹曼常数,是对所有物体均相同的常数。
令a=1,对应于一种理想的辐射源---绝对黑体,可得单位面积的单色辐出度:
M(T)=
(瓦特/米2)
斯忒藩—波尔兹曼常数为:
=
=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。
此式表明,绝对黑体的总辐出度与黑体温度的四次方成正比,即黑体的辐出度
(即曲线下的面积)随温度的升高而急剧增大。
由于黑体辐射是各向通行的,所以其辐射亮度L与辐射度有关系:
于是,斯忒藩—波尔兹曼定律也可以用辐射亮度表示为:
(瓦特/米2.球面度)
Lmax=4.10T510-6(瓦特/米3.球面角.开尔文5)
1.2.2维恩位移定律
对应一定温度T的M0(λ,T)曲线有一最高点,位于波长max处.温度T越高,辐射最
强的波长λm越短,即从红色向蓝紫色光移动.这对应于高温物体的颜色由暗红逐渐转向蓝白色的事实.在研究工作中,可以从实验上测量不同温度下M0(λ,T)曲线峰值所对应的波长max与温度T之间的定量关系,也可以利用经典热力学从理论上进行推导.历史上德国物理学家维恩于1893年找到了max与T之间的关系如果用数学形式描述这一实验规律,则有:
1/max∝T
即光谱亮度的最大值的波长max与它的绝对温度T成反比:
而A为一常数,即维恩常数,A=2.89610-3(米×开尔文)。
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。
由于辐射光谱的性质依赖于它的温度,我们可以用分析辐射光谱的办法来估计诸如恒星或炽热的钢水等一类炽热物体的温度.热辐射是连续谱,眼睛看到的是可见光区中最强的辐射频率.某种物质在一定温度下所辐射的能量如何分布在光谱的各种波长上,它给人们提供了某一辐射体用作光源或加热元件的功能,但它们本身并非黑体。
请注意,一般辐射源所辐射的光谱(能量按波长分布曲线)依赖于辐射源的组成成分,但对于黑体,不论它们的组成成分如何,它们在相同温度下均发出同样形式的光谱.
黑体的频谱亮度随波长的变化关系曲线图。
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线。
分析图中曲线可发现该曲线有如下特征:
(1)在任何确定的温度下,黑体对不同波长的辐射本领是不同的.
(2)在某一波长λm处有极大值,说明黑体对该波长具有最大的单色辐出度.
(3)当温度升高时,极大值位置向短波方向移动,曲线向上抬高并变得更为尖锐.
小结:
以上两定律将黑体辐射的主要性质简洁而定量地表示了出来,很有实用价值。
根据斯特藩-波尔兹曼定律,热辐射能量随温度迅速增大。
如果热力学温度加倍,例如从273K增到546K,辐射能量就增大16倍.因此,要达到非常高的温度,必须提供相应的能量以克服热辐射所造成的能量损失。
反之,在氢弹爆炸中可以出现3×107K以上的温度,在这么高的温度下,读者可算一算,一种物质1cm²表面的能量将是该物质在室温下所固守能量的多少倍呢?
利用维恩位移定律可以测定辐射体的温度,如测定了max,则可得到辐射体的温度。
例如太阳表面发出的辐射在0.5µm附近有一个极大值,我们可估算太阳的表面为6000K左右。
还可以比较辐射体表面不同区域的颜色变化情况,来确定辐射体表面的温度分布,这种以图形表示出的热力学温度称之为热象图。
热象图技术已在宇航、医学、军事等方面广为应用。
如利用热象图的遥感技术可以监测森林火警,也可以用来监测人体某些部位的病变等。
1.2.3黑体辐射的光谱分布——普朗克辐射定律
在实验测得黑体单色辐出度之后,摆在人们面前的一个饶有兴趣的问题是:
怎样来解释实验上测得的M0(λ,T)-λ曲线?
怎样从理论上求得绝对黑体单色辐出度的数学表达式?
为此,在19世纪末许多物理学家作了巨大努力,从经典热力学、统计物理学和电磁学的基础上去寻求答案,但始终没有获得完全成功。
1896年维恩根据经典热力学理论导出的公式只是在短波波长与实验曲线相符;1900年瑞利和琼斯根据统计物理学和经典电磁学理论导出的公式只是在波长很长时不偏离实验曲线。
他们的共同结论是,在波长比max短时,辐射能量将趋于无穷大。
这显然是荒谬的结果,在物理学历史上,这一个难题被称为“紫外灾难”。
“紫外灾难”表明经典物理学在解释黑体辐射的实验规律上遇到了极大的困难,是19世纪末经典物理学大厦上的两朵乌云之一。
显然,如果事实不能被理论说明,那么理论存在缺陷,必须获得重建。
1900年,对热力学有长期研究的德国物理学家普朗克综合了维恩公式和瑞利-琼斯公式,利用内插法,引入了一个自己的常数,结果得到一个公式,而这个公式与实验结果精确相符,它就是普朗克公式,即普朗克辐射定律。
此定律用光谱辐射度表示,其形式为:
M0(λ,T)=
(瓦特/米3)
式中:
第一辐射常数C1=2πhc2=3.74×10-16(瓦×米2)
第二辐射常数C2=hc/λ=1.439810-2(米×开尔文)
事实上,我们不难从普朗克公式推导出维恩公式和瑞利-琼斯公式。
可是,这个公式的理论在什么地方?
“紫外灾难”的真正原因是什么?
正是这个理论,导致了量子物理学的产生。
在经典理论中,空腔器壁上的分子、原子被看作是辐射或吸收电磁波的“振子”,这是经典物理学最基本的前提之一,其能量可以连续变化,就是说,振子与电磁波之间的能量交换可以无限制地减少或增大。
普朗克坚信振子吸收电磁辐射的规律、能量连续辐射的传统观念一定存在问题,提出了一个与经典理论格格不入的全新观点,那就是普朗克假设:
物体在发射或吸收频率为υ的电磁辐射时,只能以ε=hυ为单位进行,电磁辐射能量只能是ε的整数倍,即E=nε=nhυ,其中h就是普朗克常数,h=6.6260755×10-34J.s。
按照这个假设,他成功地从理论上推导出普朗克公式。
普朗克假设也称普朗克能量子假设,最小的能量单位就是能量子。
能量子假说的提出,给经典物理学打开了一个缺口,为量子物理学安放了一块基石,宣告了量子物理学的诞生。
但是,1900年12月24日,普朗克在德国物理学会上报告了自己的研究结果的时候,没有人认为他的这个假设是正确的,也没有人认同他的假设有什么意义,他的能量子假设遭到冷遇。
直到1905年,年轻的物理学家爱因斯坦应用普朗克能量子概念,成功地解释了光电效应,才正式确立了普朗克能量子假设正确地位,使量子物理学得到正确的发展。
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。
5.学会测量一般发光光源的辐射能量曲线。
数据处理要求
2.3.1软件
实验装置的软件有三部分:
一部分是控制软件主要是控制系统的扫描,功能、数据的采集等;
二部分是数据处理部分,用来对曲线作处理,如曲线的平滑、四则运算等;
三部分专门用于黑体实验。
前两部分很好理解,下面重点介绍第三部分。
第三部分的软件设计主要是用来完成黑体实验,主要内容:
1建立传递函数曲线
2辐射光源能量的测量
3修正为黑体(发射率
修正)
4验证黑体辐射定律
2.3.2建立传递函数曲线
图WGH-10软件工作平台
任何型号的光谱仪在记录辐射光源的能量时都受光谱仪的各种光学元件,接收器件在不同波长处的响应系数影响,习惯称之为传递函数。
为扣除其影响,我们为用户提供一标准的溴钨灯光源,其能量曲线是经过标定的。
另外在软件内存储了一条该标准光源在2940K时的能量线。
当用户需要建立传递函数时,请按下列顺序操作:
1.将标准光源电流调整为“溴钨灯的色温”表中色温为2940K时电流所在位置;
2.预热20分钟后,在系统上记录该条件下全波段图谱;该光谱曲线包含了传递函数的影响;
3.点击“验证黑体辐射定律”菜单,选“计算传递函数”命令,将该光谱曲线与已知的光源能量曲线相除,即得到传递函数曲线,并自动保存。
在做测量时,只要将软件工作平台中右上方“□传递函数”点击成:
“
传递函数”。
后再测未知光源辐射能量线时,此时测量的结果已扣除了仪器传递的影响。
2.3.3修正为黑体
任意发光体的光谱辐射本领与黑体辐射都有一系数关系,软件内提供了钨的发射系数,并能通过软件工作平台的右上方“□修正成为黑体”的菜单,点击“□修正为黑体”点击成:
“
修正为黑体”,此时,测量溴钨灯的辐射能量曲线将自动修正为同温度下的黑体的曲线。
2.3.4验证黑体辐射定律
将溴钨灯光源按说明书要求安装好,将软件工作平台中的“□传递函数及□修正为黑体”点击成:
“
传递函数及
修正为黑体”而后扫描记录溴钨灯曲线。
可设定不同的色温多次测试,并选择不同的寄存器(最多选择5个寄存器)分别将测试结果存入待用。
有了以上测试数据,操作者可点击验证黑体辐射定律,菜单如下:
可以根据软件提示,验证黑体辐射定律。
2.3.5软件工作平台的视窗操作说明
2.3.5.1工作界面介绍
点击“开始-程序-光谱仪-WGH-10型黑体实验装置”项,即可启动WGH-10型黑体实验装置软件。
进入系统后,首先弹出如图5-1的友好界面,等待用户单击鼠标或键盘上的任意键;
图5-1
当接收到鼠标、键盘信息或等待五秒钟后,马上显示工作界面,同时弹出一个对话框(如图5-2),让确认当前的波长位置是否有效、是否重新初始化。
如果选择“确定”,则确认当前的波长位置,不再进行初始化;如果选择“取消”,则进行初始化,波长位置回到800nm处。
图5-2
完成上面几步,就可以在WGH-10软件平台上工作了(工作界面如图5-3)。
工作界面主要由菜单栏、主工具栏、辅工具栏、工作区、状态栏、参数设置区以及寄存器信息提示区等组成。
图5-3
2.3.5.1.1菜单栏
菜单栏中有“文件”、“信息/视图”、“工作”、“读取数据”、“数据图形处理”、“关于”等菜单项。
单击这些菜单项可弹出下拉菜单,利用这些菜单即可执行软件的大部分命令。
下面简单介绍菜单栏中各菜单的功能:
1.“文件”菜单(如图5-4)
♦新建清除当前实验的所有数据
♦打开打开一个已经存在的数据文件
♦保存把所选择的寄存器中的数据保
存到文件中
♦打印设置设置打印机的属性及打印参数
♦打印预览显示打印时文件的外观
♦打印打印当前的谱线及数据图5-4
♦
退出退出WGH-10控制处理系统
2.“信息/视图”菜单(如图5-5)
♦采集信息输入采集环境及其它信息
♦显示网格显示网格坐标
♦加强数据点方式对数据点进行加强显示
♦数据点方式只显示数据点
♦动态方式采集时动态调整纵坐标图5-5
3.“工作”菜单(如图5-6)
♦单程扫描从起始波长扫描到终止波长
♦黑体辐射测量从起始波长扫描到终止波长,用于
验证黑体辐射定律
♦重复扫描在起始波长和终止波长间重复扫描
♦定波长扫描定点扫描-在固定波长处以时间
为横轴采集
♦停止停止扫描
♦定点测量在某一固定波长位置测量不同样品
♦浓度测量测量样品浓度图5-6
♦波长检索检索到指定的波长
♦重新初始化光栅重新定位
4.“读取数据”菜单(如图5-7)
♦读取数据读取指定点的数据
♦扩展对波长和数值进行扩展
♦取消所有扩展取消本次实验的所有扩展
♦寻峰检索峰、谷的位置
♦显示根据设置显示谱线
♦刷新刷新屏幕
♦左右坐标交换在双坐标时,左右坐标交换图5-7
♦波长修正修正波长
5.“验证热辐射定律”菜单(如图5-8)
♦
普朗克辐射定律验证普朗克辐射定律
♦斯忒藩-波尔兹曼定律验证斯忒藩-波尔兹曼定律
♦维恩位移定律验证维恩位移定律
♦发射率修正对溴钨灯的谱线进行修正
♦绝对黑体的理论谱线绘制绝对黑体的理论谱线
♦归一化对谱线进行归一化处理
♦计算传递函数计算传递函数图5-8
6.“数据图形处理”菜单(如图5-9)
♦A/T转换对设置的谱线进行A/T转换
♦微分对设置的谱线进行微分
♦计算对设置的谱线进行计算
♦平滑平滑选定的谱线
♦谱线连接对选定的两条或三条谱线进行连接
♦改变数据间隔改变数据间隔
♦改变显示数值范围改变显示数值范围
♦修改信息修改数据的采集环境及其它信息
♦修改数据修改现有数据图5-9
♦改变寄存器颜色改变寄存器颜色
♦改变寄存器线型改变选定的寄存器的线型
♦清除数据清除选定的数据
7.“关于”菜单
♦关于光谱仪显示版本信息
2.3.5.1.2工具栏
软件提供了两个工具栏,每个工具栏由一组工具按钮组成,分别对应某些菜单项或菜单命令的功能,用户只需用鼠标左键单击按钮,即可执行相应的操作或功能。
2.3.5.1.3工作区
工作区是用户绘制、浏览、编辑谱线的区域。
工作区可同时显示多条谱线。
2.3.5.1.4状态栏
状态栏用于反映当前的工作状态。
另外,当定点设备指向某一菜单项或按钮时,会在状态栏显示相应的功能说明。
2.3.5.1.5参数设置区
参数设置区包含了四个标签:
“参数设置”、“高级”、“系统”、“数据”。
♦参数设置设置工作方式、工作范围及工作状态
♦高级含四种设置:
是否使用滤光片、是否在特定波长换灯、补数方式、再次扫描设置
♦系统系统设置
♦数据显示选定的寄存器中的数据
2.3.5.1.6寄存器信息提示区
显示各寄存器的信息。
2.3.5.1.7寄存器选择及波长显示栏
选择当前寄存器,显示当前波长位置。
♦传递函数:
可以去除仪器的传递函数。
♦修正为黑体:
可在扫描过程中直接进行发射率修正。
(仅限黑体辐射测量使用)
2.3.5.1.8快捷键
按Alt键可激活菜单栏,再按菜单项中注明的字母可弹出相应的下拉菜单。
按菜单中选项旁注明的字母,可执行相应的操作或功能(与WINDOWS标准操作一致)。
F1单程扫描
F2重复扫描
F3定波长扫描
Esc停止
Ctrl+Q退出
2.3.5.2功能介绍
2.3.5.2.1基本设置
利用软件提供的参数设置区,用户可以方便的设置所使用的系统。
1.设置工作参数(Setup)
选择参数设置区的“参数设置”项,界面中显示如图5-10的对话框。
♦工作方式→模式:
所采集的数据格式,有能量(E)、透过率(%T)、吸光度(ABS)、基线(E)。
♦工作方式→间隔:
两个数据点之间的最小波长间隔,系统中有三个选项供选择,分别为2.0nm、1.0nm、0.5nm。
图5-10
♦工作范围:
在起始、终止波长和最大、最小值四个编辑框中输入相应的值,以确定扫描时的范围。
当使用动态方式时,最大值、最小值设置不起作用。
♦工作状态→增益:
设置放大器的放大率。
设1~8共八档。
♦工作状态→采集次数:
在每个数据点,采集数据取平均的次数。
拖动滑块,可在1~50次之间改变。
*在做透过率或吸光度时,要先做“基线”。
2.高级设置(Advanced)
选择参数设置区的“参数设置”项,界面显示如图5-11的对话框。
♦使用滤光片:
控制扫描过程中,在相应的位置是否提示换滤光片。
如果选择了该项,在扫描点跨过该复选框下的表中列出的波长位置时,会换滤光片提示框。
♦在特定位置换灯:
控制扫描过程中,在特定的位置是否提示换灯。
如果选择了该项,在扫描点跨过该复选框下的表中列出的波长位置时,会弹出换灯提示框。
♦补数方式:
在改变寄存器数据的间隔时,插入数据的方式。
这里只有直线填充法可供选择。
♦再次扫描设置:
在扫描时,对当前寄存器的使用方式。
“清除寄存器数据”:
在每次扫描前,清除当前寄存器数据(无提示)。
图5-11
“覆盖相关数据”:
在扫描时,直接覆盖波长对应点的数据。
“提示换寄存器”:
在每次扫描之前,检测当前寄存器中是否有
数据,如果有则提示用户换另一个寄存器。
3.系统设置(System)
选择参数设置区的“系统”项,界面中显示如图5-12的对话框。
♦“清除修正值”按钮:
单击该按钮,可使波长修正值
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