能量子的再发现 

科学发现系列讲座

背景 

• 物体不仅能够发射电磁波，而且也可以吸收和反射电磁波。实验表明，同一温度下，物体吸收电磁波的能力与其发射能力成正比。
• 物体在某个频率范围内发射电磁波的能力越大，则它吸收该频率范围内电磁波的能力也越大。
• 不同物体在同一频率范围内发射或吸收电磁波的能力不同，一般来说深色物体比浅色物体吸收和发射电磁波的能力强；颜色越深，吸收和发射电磁波的能力越强。

理想模型 

• 我们把能够全部吸收外来一切电磁辐射的物体称为绝对黑体，简称黑体(black body)。
• 黑体只是一种理想的模型，碳黑能够很好地吸收外来的电磁波，可以近似地看成黑体。一个开小孔的不透光空腔几乎可以全部吸收外来的电磁波，可作为黑体来进行观测和实验。
• 黑体发射出来的电磁辐射称为黑体辐射，单位时间内单位面积黑体辐射的能量(辐出度)记为M_B(T)，其中在频率?附近的单位频率间隔内的能量(单色辐出度)记为M_B(?,T) 。

实验现象 

• 根据实验，在不同温度下黑体辐射能量按频率的分布曲线如下图所示 。其中频率的单位为6.25?10⁶ MHz，由内到外的4条曲线对应的温度分别是900K、1200K、1500K和1800K。

经验公式 

• 通过对实验数据进行分析，可以得到
• 1）斯特藩-玻耳兹曼定律 (Stefan-Boltzmann law)
• 黑体的辐出度（即图19-2中曲线与横坐标轴所围的面积）与黑体的热力学温度的四次方成正比，即
•          M_B(T) = ?T⁴
• 其中比例系数? = 5.670?10?8 W m?2 K?4，称为斯特藩常量(Stefan constant)。
• 2）维恩位移定律 (Wien displacement law)
• 当黑体的热力学温度T升高时，与单色辐出度M_B(?,T)的最大值相对应的频率?_m以同样的比例向高频方向移动，即?_m ? T 。

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