黑体辐射

什么是黑体辐射

中学物理上就讲到，任何物体都具有不断辐射、吸收、反射电磁波的性质。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射。为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家们定义了一种理想物体——黑体(black body)，以此作为热辐射研究的标准物体。

那么什么是黑体呢。黑体是指在任何条件下，对任何波长的外来辐射完全吸收而无任何反射的物体，即吸收比为1的物体。理想黑体可以吸收所有照射到它表面的电磁辐射，并将这些辐射转化为热辐射，黑体这个特征我们称之为黑体辐射，其光谱特征仅与该黑体的温度有关，与黑体的材质无关。

黑体辐射特性

黑体辐射是指由理想放射物放射出来的辐射，在特定温度及特定波长放射Z大量之辐射。同时，黑体是可以吸收所有入射辐射的物体，不会反射任何辐射，但黑体未必是黑色的，例如太阳为气体星球，可以认为射向太阳的电磁辐射很难被反射回来，所以认为太阳是一个黑体(黑体是不存在的)。理论上黑体会放射频谱上所有波长之电磁波。维恩位移定律是描述黑体电磁辐射能流密度的峰值波长与自身温度关系的定律。

在黑体辐射中，随着温度不同，光的颜色各不相同，黑体呈现由红——橙红——黄——黄白——白——蓝白的渐变过程。某个光源所发射的光的颜色，看起来与黑体在某一个温度下所发射的光颜色相同时，黑体的这个温度称为该光源的色温。“黑体”的温度越高，光谱中蓝色的成份则越多，而红色的成份则越少。例如，白炽灯的光色是暖白色，其色温表示为4700K，而日光色荧光灯的色温表示则是6000K。

黑体辐射定律

1900年马克斯·普朗克(德国物理学家)所创的黑体辐射定律，是公认的物体间热力传导基本法则，虽然有物理学家怀疑此定律在两个物体极度接近时不能成立，但始终无法证明和提出实证。美国麻省理工学院(MIT)2009年7月30日宣布，该校动力工程学华裔教授陈刚与其团队的研究，首次打破“黑体辐射定律”的公式，证实物体在极度近距时的热力传导，可以高到定律公式所预测的一千倍之多。该研究将在“NanoLetter”2009年8月号科学杂志上发表。

普朗克对黑体作了如下两点假设：

（1）黑体是由无穷多个各种固有频率的简谐振子构成的发射体，而每个频率的简谐振子的能量只能取Z小的能量E=hv的整数倍：E,2E,3E,.....,nE,其中h为普朗克常数，v为简谐振子的频率。

（2）简谐振子不能连续发射或吸收能量，只能以E=hv为单位一份一份的跳跃式进行。因此，简谐振子只能从一个能级跃迁到另一个能级，而不能处于两个能级间的某一能量状态，简谐振子跃迁时伴随着辐射的发射或吸收。

黑体辐射与“紫外灾难”

19世纪末，卢梅尔（Lummer 1860－1925）等人的实验―黑体辐射实验，发现黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体的温度有关。从经典物理学的角度看来，这个实验的结果是不可思议的。

怎样解释黑体辐射实验的结果呢？当时，人们都从经典物理学出发寻找实验的规律。前提和出发点不正确，Z后都导致了失败的结果。例如，德国物理学家维恩建立起黑体辐射能量按波长分布的公式，但这个公式只在波长比较短、温度比较低的时候才和实验事实符合。英国物理学家瑞利和物理学家、天文学家金斯认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。

但是，从瑞利一金斯公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。它的失败无可怀疑地表明经典物理学理论在黑体辐射问题上的失败，所以这也是整个经典物理学的“灾难”。