什么是黑體輻射

中學(xué)物理上就講到，任何物體都具有不斷輻射、吸收、反射電磁波的性質(zhì)。輻射出去的電磁波在各個波段是不同的，也就是具有一定的譜分布。這種譜分布與物體本身的特性及其溫度有關(guān)，因而被稱之為熱輻射。為了研究不依賴于物質(zhì)具體物性的熱輻射規(guī)律，物理學(xué)家們定義了一種理想物體——黑體(black body)，以此作為熱輻射研究的標準物體。

那么什么是黑體呢。黑體是指在任何條件下，對任何波長的外來輻射完全吸收而無任何反射的物體，即吸收比為1的物體。理想黑體可以吸收所有照射到它表面的電磁輻射，并將這些輻射轉(zhuǎn)化為熱輻射，黑體這個特征我們稱之為黑體輻射，其光譜特征僅與該黑體的溫度有關(guān)，與黑體的材質(zhì)無關(guān)。

黑體輻射特性

黑體輻射是指由理想放射物放射出來的輻射，在特定溫度及特定波長放射Z大量之輻射。同時，黑體是可以吸收所有入射輻射的物體，不會反射任何輻射，但黑體未必是黑色的，例如太陽為氣體星球，可以認為射向太陽的電磁輻射很難被反射回來，所以認為太陽是一個黑體(黑體是不存在的)。理論上黑體會放射頻譜上所有波長之電磁波。維恩位移定律是描述黑體電磁輻射能流密度的峰值波長與自身溫度關(guān)系的定律。

在黑體輻射中，隨著溫度不同，光的顏色各不相同，黑體呈現(xiàn)由紅——橙紅——黃——黃白——白——藍白的漸變過程。某個光源所發(fā)射的光的顏色，看起來與黑體在某一個溫度下所發(fā)射的光顏色相同時，黑體的這個溫度稱為該光源的色溫?！昂隗w”的溫度越高，光譜中藍色的成份則越多，而紅色的成份則越少。例如，白熾燈的光色是暖白色，其色溫表示為4700K，而日光色熒光燈的色溫表示則是6000K。

黑體輻射定律

1900年馬克斯·普朗克(德國物理學(xué)家)所創(chuàng)的黑體輻射定律，是公認的物體間熱力傳導(dǎo)基本法則，雖然有物理學(xué)家懷疑此定律在兩個物體極度接近時不能成立，但始終無法證明和提出實證。美國麻省理工學(xué)院(MIT)2009年7月30日宣布，該校動力工程學(xué)華裔教授陳剛與其團隊的研究，首次打破“黑體輻射定律”的公式，證實物體在極度近距時的熱力傳導(dǎo)，可以高到定律公式所預(yù)測的一千倍之多。該研究將在“NanoLetter”2009年8月號科學(xué)雜志上發(fā)表。

普朗克對黑體作了如下兩點假設(shè)：

（1）黑體是由無窮多個各種固有頻率的簡諧振子構(gòu)成的發(fā)射體，而每個頻率的簡諧振子的能量只能取Z小的能量E=hv的整數(shù)倍：E,2E,3E,.....,nE,其中h為普朗克常數(shù)，v為簡諧振子的頻率。

（2）簡諧振子不能連續(xù)發(fā)射或吸收能量，只能以E=hv為單位一份一份的跳躍式進行。因此，簡諧振子只能從一個能級躍遷到另一個能級，而不能處于兩個能級間的某一能量狀態(tài)，簡諧振子躍遷時伴隨著輻射的發(fā)射或吸收。

黑體輻射與“紫外災(zāi)難”

19世紀末，盧梅爾（Lummer 1860－1925）等人的實驗―黑體輻射實驗，發(fā)現(xiàn)黑體輻射的能量不是連續(xù)的，它按波長的分布僅與黑體的溫度有關(guān)。從經(jīng)典物理學(xué)的角度看來，這個實驗的結(jié)果是不可思議的。

怎樣解釋黑體輻射實驗的結(jié)果呢？當(dāng)時，人們都從經(jīng)典物理學(xué)出發(fā)尋找實驗的規(guī)律。前提和出發(fā)點不正確，Z后都導(dǎo)致了失敗的結(jié)果。例如，德國物理學(xué)家維恩建立起黑體輻射能量按波長分布的公式，但這個公式只在波長比較短、溫度比較低的時候才和實驗事實符合。英國物理學(xué)家瑞利和物理學(xué)家、天文學(xué)家金斯認為能量是一種連續(xù)變化的物理量，建立起在波長比較長、溫度比較高的時候和實驗事實比較符合的黑體輻射公式。

但是，從瑞利一金斯公式推出，在短波區(qū)（紫外光區(qū)）隨著波長的變短，輻射強度可以無止境地增加，這和實驗數(shù)據(jù)相差十萬八千里，是根本不可能的。所以這個失敗被埃倫菲斯特稱為“紫外災(zāi)難”。它的失敗無可懷疑地表明經(jīng)典物理學(xué)理論在黑體輻射問題上的失敗，所以這也是整個經(jīng)典物理學(xué)的“災(zāi)難”。

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