热辐射的研究

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1、热辐射的研究　　热辐射是19世纪发展起来的一门新学科，它的研究得到了热力学和光谱学的支持，同时用到了电磁学和光学的新兴技术，因此发展很快。到19世纪末，这个领域已经达到这样的高峰，以致于量子论这个婴儿注定要从这里诞生。　　热辐射实际上就是红外辐射。1800年，赫谢尔（W.Herschel）在观察太阳光谱的热效应时首先发现了红外辐射，并且证明红外辐射也遵守折射定律和反射定律，只是比可见光更易于被空气和其他介质吸收。1821年，塞贝克（T.J.Seebeck）发现温差电现象并用之于测量温度。1830年，诺比利（L.N

2、obili）发明了热辐射测量仪。他用温差电堆接收包括红外辐射在内的热辐射能量，再用不同材料置于其间，比较它们的折射和吸收作用。他发现岩盐对热辐射几乎是完全透明的，后来就用岩盐一类的材料做成了各种适用于热辐射的“光学”器件。　　与此同时，别的国家也有人对热辐射进行研究。例如：德国的夫琅和费在观测太阳光谱的同时也对光谱的能量分布作了定性观测；英国的丁铎尔（J.Tyndall）、美国的克罗瓦（A.P.P.Crova）等人都测量了热辐射的能量分布曲线。　　其实，热辐射的能量分布问题很早就在人们的生活和生产中有所触及。例如

3、：炉温的高低可以根据炉火的颜色判断；明亮得发青的灼热物体比暗红的温度高；在冶炼金属中，人们往往根据观察凭经验判断火候。因此，很早就对热辐射的能量分布问题发生了兴趣。美国人兰利（S.P.Langley）对热辐射做过很多工作。1881年，他发明了热辐射计，可以很灵敏地测量辐射能量。图19.13就是兰利的热辐射计。他用四个铂电阻丝组成电桥，从检流计测出电阻的温度变化。为了测量热辐射的能量分布，他设计了很精巧的实验装置，用岩盐作成棱镜和透镜，仿照分光计的原理，把不同波长的热辐射投射到热辐射计中，测出能量随波长变化的曲线，

4、从曲线可以明显地看到最大能量值随温度增高向短波方向转移的趋势（图19.14）。1886年，他用罗兰凹面光栅作色散元件，测到了相当精确的热辐射能量分布曲线。兰利的工作大大激励了同时代的物理学家从事热辐射的研究。随后，普林舍姆（E.Pringsheim）改进了热辐射计；波伊斯（C.V.Boys）创制了微量辐射计；帕邢（F.Paschen）又将微量辐射计的灵敏度提高了多倍。这些设备为热辐射的实验研究提供了极为有力的武器。　　与此同时，理论物理学家也对热辐射展开了广泛研究。1859年，基尔霍夫证明热辐射的发射本领和吸收本

5、领的比值与辐射物体的性质无关，并提出了黑体辐射的概念。所谓黑体，指的是完全黑的物体，它可以吸收外来辐射的全部能量，这当然是一种理想境界，实际上找不到这样的物体。但是物理学家可以利用这一模型对热辐射进行理论计算。1879年，斯忒藩（J.Stefan）根据实验总结出黑体辐射总能量与黑体温度四次方成正比的关系。1884年这一关系得到玻尔兹曼从电磁理论和热力学理论的证明。黑体辐射的维恩公式和普朗克公式　　1893年，维恩（W.Wien）仿照分子运动的理论从理论上推出了辐射能量分布定律，这个定律用一个指数型的函数来表示辐射

6、能量密度随辐射波长l变化的关系。这个关系能够近似地与实验所得相符：波长小和波长大的辐射成分，其能量密度都比较小。从维恩分布定律还可以推出：对应于能量密度最大值的波长lm与温度T成反比。人称维恩位移定律，这也与实验结果大体一致。然而，究竟维恩这两个热辐射定律对不对？尚待更精密的热辐射实验进行验证。　　维恩是一位理论、实验都有很高造诣的物理学家。他所在的研究单位叫德国帝国技术物理研究所（PhysikalischTechnischeReichsanstalt），简称PTR，以基本量度基准为主要任务。当时正值钢铁、化工等

7、重工业大发展的时期，急需高温量测、光度计、辐射计等方面的新技术和新设备，所以，这个研究所就开展了许多有关热辐射的实验。所里有好几位实验物理学家，其中有鲁本斯（H.Rubens）、普林舍姆、卢梅尔（O.R.Lummer）和库尔班（F.Kurlbaum），他们都对热辐射作出了重大贡献，维恩则是这个科研集体的主将。1895年，维恩和卢梅尔建议用加热的空腔代替涂黑的铂片来代表黑体，使得热辐射的实验研究又大大地推进了一步。随后，卢梅尔和普林舍姆用专门设计的空腔炉进行实验。本来这个项目是维恩发起的，他找到卢梅尔合作，后来不久

8、，维恩因和新任的研究所所长意见不和，离开了柏林，就改由普林舍姆和卢梅尔合作。他们用的加热设备如图19.16。维恩的离去使这个研究所的热辐射研究失去了理论支柱。鲁本斯有一位好友叫普朗克（MaxPlanck），是柏林大学的理论物理学教授，他建议请普朗克来所里作理论咨询工作。于是，从维恩离开不久之后，普朗克经常来参加PTR的讨论会。逐渐他也对热辐射的研究发生了兴趣。由于他在热力