选择题223 黑体辐射

下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中,符合黑体辐射规律的是 ( )
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分析: |
要理解黑体辐射的规律:温度越高,辐射越强越大,温度越高,辐射的电磁波的波长越短. |
解答: |
解:黑体辐射以电磁辐射的形式向外辐射能量,温度越高,辐射越强越大,故B、D错误. 黑体辐射的波长分布情况也随温度而变,如温度较低时,主要以不可见的红外光进行辐射,在500℃以至更高的温度时,则顺次发射可见光以至紫外辐射.即温度越高,辐射的电磁波的波长越短,故C错误A正确. 故选:A. |
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概念:黑体辐射
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。任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的,也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关,因而被称之为热辐射。为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律,物理学家们定义了一种理想物体——黑体(black body),以此作为热辐射研究的标准物体。
普朗克辐射定律(Planck)则给出了黑体辐射的具体谱分布,在一定温度下,单位面积的黑体在单位时间、单位立体角内和单位波长间隔内辐射出的能量为
B(λ,T)=2hc2 /λ5 /exp(hc/λKT)-1
B(λ,T)—黑体的光谱辐射亮度(W·m-2·Sr-1·μm-1 )
黑体光谱辐射出射度M(λ,T)与波长、热力学温度之间关系的公式:
M=c1/[λ5(exp(c2/λT)-1)],其中c1=2πhc2,c2=hc/k.
黑体能量密度公式:
E*dν=c1*v3*dv/[exp(c2*v/T)-1)]
E*dv表示在频率范围(v,v+dv)中的黑体辐射能量密度。
λ—辐射波长(μm)
T—黑体绝对温度(K、T=t+273k)
C—光速(2.998×108m/s )
h—普朗克常数, 6.626×10-34 J/S
K—玻尔兹曼常数(Boltzmann), 1.3806505*10-23J/K基本物理常数
由图2.2(缺)可以看出:
①在一定温度下,黑体的谱辐射亮度存在一个极值,这个极值的位置与温度有关, 这就是维恩位移定律(Wien)
λm T=2.898×10(μm·K)
λm —最大黑体谱辐射亮度处的波长(μm)
T—黑体的绝对温度(K)
根据维恩定律,我们可以估算,当T~6000K时,λm ~0.48μm(绿色)。这就是太阳辐射中大致的最大谱辐射亮度处。当T~300K, λm~9.6μm,这就是地球物体辐射中大致最大谱辐射亮度处。
②在任一波长处,高温黑体的谱辐射亮度绝对大于低温黑体的谱辐射亮度,不论这个波长是否是光谱最大辐射亮度处。
如果把B(λ,T)对所有的波长积分,同时也对各个辐射方向积分,那么可得到斯特番—波耳兹曼定律(Stefan-Boltzmann),绝对温度为T的黑体单位面积在单位时间内向空间各方向辐射出的总能量为B(T)
B(T)= δT4 (W/m2)
δ为Stefan-Boltzmann常数, 等于5.67×10-8 W/m2·K4
但现实世界不存在这种理想的黑体,那么用什么来刻画这种差异呢?对任一波长, 定义发射率为该波长的一个微小波长间隔内, 真实物体的辐射能量与同温下的黑体的辐射能量之比。显然发射率为介于0与1之间的正数,一般发射率依赖于物质特性、 环境因素及观测条件。如果发射率与波长无关,那么可把物体叫作灰体(grey body), 否则叫选择性辐射体。