罗教明
二十世纪物理学的迷惑与无奈(3)黑体辐射认识清楚了吗?
2013-12-25 16:46
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标签:光子, 普朗克, 黑体辐射, 高温物体

     黑体辐射这一概念最初来自高温发光物体的热(光谱)辐射,十九世纪钢铁冶炼业由于缺乏高温测量的仪器,工人只能根据熔炉发光的颜色来目测温度。研究表明,物体的热辐射性质,在低温的情况下,与结构有密切的关系,室温情况下,表现是千差万别的,辐射系数与吸收系数相同,数值较低,并与波长密切相关。


  随着温度的增高,物体的热辐射系数增大,与物体的组成和结体的关系逐渐降低,在500-1000°C范围内,近似为辐射系数为0.5左右的灰体,达到2000°C时,高温物体热辐射已经是近似程度很高,辐射系数在0.8以上,与物体结构与组成关系不大的灰体。3000°C以上时,可以看成辐射系数接近1的黑体。


  太阳表面主要由氢及其同位素、氦等组成,温度在6000°C以上,热辐射光谱分布与黑体辐射分布十分接近,是天然的、理想高温辐射体。


关于描述黑体辐射规律的普朗克定律的相关知识,我们可以通过维基百科等获得:


普朗克黑体辐射定律Planck's law, Blackbody radiation law)是用于描述在任意温度T下,从一个黑体中发射的电磁辐射的辐射率与电磁辐射的频率的关系公式。这里辐射率是频率v的函数:



普朗克定律有时写做能量密度波长的函数


黑体辐射谱如下图所示:




     

     普朗克黑体辐射定律的推导,是针对密闭腔中,在一定温度下,热平衡状态电磁波(光子)能量随波长的分布情况,使用了普朗克的量子假设,还有就是相关的分布函数。得出的相关结论是,光子的分布只与温度相关,光子的能量E=hv,频率v是0-∞范围连续的。


    现在将上面的结论应用于实际的高温物体,对于熔炉中的高温铁水,热辐射光子只能来自于铁,按照量子力学的观点,可以通过其薛定谔方程来求解,结果应该是一些分裂的、不可能连续的谱线,而且与组成是密切相关的。那么实验中观察到的,在高温下的0-∞范围连续光谱应该如何解释呢?


1、太阳表面的黑体辐射也有类似情况,高温黑体表现出的组成物质无关的性质,我们应该如何理解呢?


2、高温物质发出的光子在黑体腔中会相互作用,分裂变异,成为符合普朗克分布的光子系统吗?


3、我们在铁电极电弧实验测量光谱时,得到线光谱,这与上面的实验有何本质区别?


     事实上,我们如果考虑光子是来自具体的物质结构的变化,与物质密切相关,那么我们用量子力学和统计的理论是难以解释上述现象的。


更深入的讨论见:黑体辐射未尽事宜:高温物体连续光谱出自何由? 


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