熱輻射的研究

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1、熱輻射的研究　　熱輻射是19世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新學(xué)科，它的研究得到了熱力學(xué)和光譜學(xué)的支持，同時(shí)用到了電磁學(xué)和光學(xué)的新興技術(shù)，因此發(fā)展很快。到19世紀(jì)末，這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到這樣的高峰，以致于量子論這個(gè)嬰兒注定要從這里誕生?！　彷椛鋵?shí)際上就是紅外輻射。1800年，赫謝爾（W.Herschel）在觀察太陽(yáng)光譜的熱效應(yīng)時(shí)首先發(fā)現(xiàn)了紅外輻射，并且證明紅外輻射也遵守折射定律和反射定律，只是比可見(jiàn)光更易于被空氣和其他介質(zhì)吸收。1821年，塞貝克（T.J.Seebeck）發(fā)現(xiàn)溫差電現(xiàn)象并用之于測(cè)量溫度。1830年，諾比利（L.N

2、obili）發(fā)明了熱輻射測(cè)量?jī)x。他用溫差電堆接收包括紅外輻射在內(nèi)的熱輻射能量，再用不同材料置于其間，比較它們的折射和吸收作用。他發(fā)現(xiàn)巖鹽對(duì)熱輻射幾乎是完全透明的，后來(lái)就用巖鹽一類(lèi)的材料做成了各種適用于熱輻射的“光學(xué)”器件?！　∨c此同時(shí)，別的國(guó)家也有人對(duì)熱輻射進(jìn)行研究。例如：德國(guó)的夫瑯和費(fèi)在觀測(cè)太陽(yáng)光譜的同時(shí)也對(duì)光譜的能量分布作了定性觀測(cè)；英國(guó)的丁鐸爾（J.Tyndall）、美國(guó)的克羅瓦（A.P.P.Crova）等人都測(cè)量了熱輻射的能量分布曲線(xiàn)。　　其實(shí)，熱輻射的能量分布問(wèn)題很早就在人們的生活和生產(chǎn)中有所觸及。例如

3、：爐溫的高低可以根據(jù)爐火的顏色判斷；明亮得發(fā)青的灼熱物體比暗紅的溫度高；在冶煉金屬中，人們往往根據(jù)觀察憑經(jīng)驗(yàn)判斷火候。因此，很早就對(duì)熱輻射的能量分布問(wèn)題發(fā)生了興趣。美國(guó)人蘭利（S.P.Langley）對(duì)熱輻射做過(guò)很多工作。1881年，他發(fā)明了熱輻射計(jì)，可以很靈敏地測(cè)量輻射能量。圖19.13就是蘭利的熱輻射計(jì)。他用四個(gè)鉑電阻絲組成電橋，從檢流計(jì)測(cè)出電阻的溫度變化。為了測(cè)量熱輻射的能量分布，他設(shè)計(jì)了很精巧的實(shí)驗(yàn)裝置，用巖鹽作成棱鏡和透鏡，仿照分光計(jì)的原理，把不同波長(zhǎng)的熱輻射投射到熱輻射計(jì)中，測(cè)出能量隨波長(zhǎng)變化的曲線(xiàn)，

4、從曲線(xiàn)可以明顯地看到最大能量值隨溫度增高向短波方向轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)（圖19.14）。1886年，他用羅蘭凹面光柵作色散元件，測(cè)到了相當(dāng)精確的熱輻射能量分布曲線(xiàn)。蘭利的工作大大激勵(lì)了同時(shí)代的物理學(xué)家從事熱輻射的研究。隨后，普林舍姆（E.Pringsheim）改進(jìn)了熱輻射計(jì)；波伊斯（C.V.Boys）創(chuàng)制了微量輻射計(jì)；帕邢（F.Paschen）又將微量輻射計(jì)的靈敏度提高了多倍。這些設(shè)備為熱輻射的實(shí)驗(yàn)研究提供了極為有力的武器?！　∨c此同時(shí)，理論物理學(xué)家也對(duì)熱輻射展開(kāi)了廣泛研究。1859年，基爾霍夫證明熱輻射的發(fā)射本領(lǐng)和吸收本

5、領(lǐng)的比值與輻射物體的性質(zhì)無(wú)關(guān)，并提出了黑體輻射的概念。所謂黑體，指的是完全黑的物體，它可以吸收外來(lái)輻射的全部能量，這當(dāng)然是一種理想境界，實(shí)際上找不到這樣的物體。但是物理學(xué)家可以利用這一模型對(duì)熱輻射進(jìn)行理論計(jì)算。1879年，斯忒藩（J.Stefan）根據(jù)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出黑體輻射總能量與黑體溫度四次方成正比的關(guān)系。1884年這一關(guān)系得到玻爾茲曼從電磁理論和熱力學(xué)理論的證明。黑體輻射的維恩公式和普朗克公式　　1893年，維恩（W.Wien）仿照分子運(yùn)動(dòng)的理論從理論上推出了輻射能量分布定律，這個(gè)定律用一個(gè)指數(shù)型的函數(shù)來(lái)表示輻射

6、能量密度隨輻射波長(zhǎng)l變化的關(guān)系。這個(gè)關(guān)系能夠近似地與實(shí)驗(yàn)所得相符：波長(zhǎng)小和波長(zhǎng)大的輻射成分，其能量密度都比較小。從維恩分布定律還可以推出：對(duì)應(yīng)于能量密度最大值的波長(zhǎng)lm與溫度T成反比。人稱(chēng)維恩位移定律，這也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果大體一致。然而，究竟維恩這兩個(gè)熱輻射定律對(duì)不對(duì)？尚待更精密的熱輻射實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證?！　【S恩是一位理論、實(shí)驗(yàn)都有很高造詣的物理學(xué)家。他所在的研究單位叫德國(guó)帝國(guó)技術(shù)物理研究所（PhysikalischTechnischeReichsanstalt），簡(jiǎn)稱(chēng)PTR，以基本量度基準(zhǔn)為主要任務(wù)。當(dāng)時(shí)正值鋼鐵、化工等

7、重工業(yè)大發(fā)展的時(shí)期，急需高溫量測(cè)、光度計(jì)、輻射計(jì)等方面的新技術(shù)和新設(shè)備，所以，這個(gè)研究所就開(kāi)展了許多有關(guān)熱輻射的實(shí)驗(yàn)。所里有好幾位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，其中有魯本斯（H.Rubens）、普林舍姆、盧梅爾（O.R.Lummer）和庫(kù)爾班（F.Kurlbaum），他們都對(duì)熱輻射作出了重大貢獻(xiàn)，維恩則是這個(gè)科研集體的主將。1895年，維恩和盧梅爾建議用加熱的空腔代替涂黑的鉑片來(lái)代表黑體，使得熱輻射的實(shí)驗(yàn)研究又大大地推進(jìn)了一步。隨后，盧梅爾和普林舍姆用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的空腔爐進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本來(lái)這個(gè)項(xiàng)目是維恩發(fā)起的，他找到盧梅爾合作，后來(lái)不久

8、，維恩因和新任的研究所所長(zhǎng)意見(jiàn)不和，離開(kāi)了柏林，就改由普林舍姆和盧梅爾合作。他們用的加熱設(shè)備如圖19.16。維恩的離去使這個(gè)研究所的熱輻射研究失去了理論支柱。魯本斯有一位好友叫普朗克（MaxPlanck），是柏林大學(xué)的理論物理學(xué)教授，他建議請(qǐng)普朗克來(lái)所里作理論咨詢(xún)工作。于是，從維恩離開(kāi)不久之后，普朗克經(jīng)常來(lái)參加PTR的討論會(huì)。逐漸他也對(duì)熱輻射的研究發(fā)生了興趣。由于他在熱力