黑体辐射：维恩位移定律

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简介

热能或热量从一个物体转移到另一个物体。这可能是由于三种不同的可能性。它们是传导、对流和辐射。在传导过程中，能量在不移动粒子的情况下从一个物体转移到另一个物体。在对流过程中，能量转移伴随着粒子的移动。在辐射过程中，能量以波的形式穿过空间进行传递。

辐射

辐射传递是能量通过介质或空间从一个物体传递到另一个物体的过程。它可以是电离辐射或非电离辐射，这取决于辐射的能量。电离辐射的能量超过 10eV，能够电离其路径上的粒子。

X 射线、伽马射线、阿尔法射线和贝塔射线是电离辐射的一些例子。但非电离辐射没有足够的能量来电离其路径上的粒子。紫外线、红外线、可见光和微波是非电离辐射的一些例子。

黑体辐射

黑体或理想黑体是指吸收通过它的所有电磁辐射的物体，无论频率如何。没有任何辐射被反射或透射。它也可以发射电磁辐射。黑体发射的电磁波称为黑体辐射。对于理想黑体，发射率为 ε=1。

黑体辐射的特征

黑体的特征如下所示

• 该物体吸收落在其上的所有辐射。

• 该物体的吸收系数等于 1。

• 由于物体的颜色为黑色，因此其透射率和反射率为零。

维恩位移定律

黑体的频率谱仅取决于物体的温度。当物体的温度高于其绝对温度时，每个物体都会发射电磁辐射。随着温度升高，电磁辐射的波长减小。这意味着辐射频率随着温度升高而向更高频率偏移。维恩位移定律显示了黑体在不同温度下光谱线的频率的图形表示。它清楚地告诉我们，辐射光谱的峰值波长与黑体温度成反比。根据此

$$\mathrm{\lambda_{peak}\propto \frac{1}{T}}$$

$$\mathrm{\lambda_{peak}=\frac{b}{T}}$$

$$\mathrm{b=比例常数}$$

$$\mathrm{b = 2.897 \times 10^{−3}\:m\: K}$$

此定律用于确定天体的温度。此定律还解释了给定温度下固体颜色变化。

维恩位移定律的示例

当金属块被加热到特定温度时，它最初看起来是红色的，其波长较高。随着温度升高，它变成橙红色，然后变成白色，其波长较低。

https://lizenzhinweisgenerator.de/?lang=en&url=/wiki/File:Sydney_(AU),_Coast,_New_Zealand_sea_lions_--_2019_--_3489.jpg

维恩位移定律的发现

该定律以威廉·维恩命名，他通过考虑热力学来定义该定律。他的假设包括当波通过腔体进行绝热膨胀时达到热平衡。当铁棒被加热时，它在特定温度下会呈现红色。如果温度升高，则铁棒的颜色会变成橙色，然后变成黄色。最后，在非常高的温度下，它会发出蓝光。

普朗克定律公式

当黑体与环境之间没有能量净流动时，他描述了黑体在热平衡状态下发射的辐射频率。该定律描述了辐射能量的能量随着温度的升高而增加，从而其频率的峰值向较短波长侧移动。

https://lizenzhinweisgenerator.de/?lang=en&url=/wiki/File:Sydney_(AU),_Coast,_New_Zealand_sea_lions_--_2019_--_3489.jpg

根据黑体辐射的这种频率分布，由下式给出：

$$\mathrm{B_{
u(
u,T)}=2h
u^3/c^2\:e^{h
u/k}BT^{−1}}$$

普朗克说，黑体发射电磁辐射不是连续的。但它是以离散的方式发射的。

斯特藩-玻尔兹曼定律

该定律给出了黑体发射的辐射功率与物体温度之间的关系。辐射波的功率与黑体温度的四次方成正比，表示如下：

$$\mathrm{j\:\propto\: T^4}$$

T=绝对温度。

任何物体的发射率介于 0<ε<1 之间。对于理想黑体，它为 1。

黑体辐射光谱的特征

黑体的发射功率随着任何波长温度的升高而增加。

• 每个温度都具有一定的最大波长范围 λpeak。

• 不同温度下的波长峰值发生变化。如果温度升高，波长峰值向较短波长侧移动，对于温度降低，λpeak 向较长波长侧移动。

• 黑体的辐射功率由图下方的面积计算得出。

结论

辐射是能量传递的过程。如果辐射是由黑体完成的，则表示为黑体辐射。其特征由三个定律定义，例如维恩位移定律、普朗克定律和斯特藩-玻尔兹曼定律。还讨论了其光谱表示。

常见问题

Q1. 基尔霍夫热辐射定律是什么？

答：在热平衡状态下发射或吸收辐射的黑体，其发射率和吸收率相等。（即）理想黑体是理想的吸收体和理想的发射体。

$$\mathrm{发射率(\in)= 吸收率 (\alpha)}$$

Q2. 给出黑体发射功率的关系式。

答：理想黑体的发射功率与其波长的四次方成正比。

$$\mathrm{E = \sigma\:T^4}$$

Q3. 区分电离辐射和非电离辐射。

答：

电离辐射	非电离辐射
高能量，能够电离其路径上的原子	由于能量低，因此无法电离原子
与原子碰撞时，会从原子中弹出电子	与原子碰撞时，只会使电子跃迁到更高的能级
伽马射线、X 射线	紫外线、红外线等

Q4. 地球是黑体吗？

答：我们的地球不是理想黑体。因为理想黑体应该吸收和发射辐射，而不考虑波长的值。地球吸收所有电磁辐射，但它不会发射吸收的所有辐射。

Q5. 黑体辐射有哪些应用？

答：黑体辐射可用于照明和加热。高温物体以光的形式发出辐射。它也用于热成像，并用于安全系统，如警报器、光传感器等。