03.02 物理学实验里的黑体,是怎样做成的?

憧灵


实验室里的黑体,用的是一种叫做黑体炉的装备。

在几乎密闭的空间里,放上一个圆柱形的匀热装置(保持温度的一致性),在匀热装置外放上加热和保温装置,再开一个口,基本上就是一个黑体炉了。当然,实际的黑体炉要求温度控制极其准确,热量分布足够均一,因此结构会更复杂一些。

把黑体炉加热到指定温度后,在小开口处观测其光谱,就可以得到黑体辐射谱。这种技术对于红外线的标定等方面,还是蛮重要的。


虽然普朗克常数,最一开始提出的时候,和黑体辐射息息相关,但是实际上,现在来测量普朗克常数的时候,基本上是不会用到“黑体”相关的东西的。


原因就在于,黑体辐射的普朗克公式是一个很复杂的公式,黑体也是一个很复杂的模型,在进行实际操作的时候,精度难以保障。


比较简单的测量普朗克常数的方法,是光电效应法。

光电效应,其中就提到了关于“截止频率”和“截止电压”的关系问题。

由公式:

hv = Ue

可以轻易算出普朗克常数。

这是大学物理级别的实验,非常简单,精度勉强说得过去。


更为精确的普朗克常数测量,则是通过一种叫做“瓦特天平”的仪器来获得的。

这种天平,是通过电磁力来测量质量,再通过量子霍尔效应测量电流和电阻,进而测出普朗克常数的。原理较为复杂,需要知识基础比较多,这里不再赘述。有兴趣的,可以自己搜索一下。


IvanZhu


物理上的黑体只是一个近似。比如一个炼钢炉,你在炼钢炉上开一个小孔。那么这个小孔就是一个黑体。注意,我说的是小孔,而不是炼钢炉本身。什么意思呢?这个小孔是一个2维面,在这个面上,进入的能量与辐射的能量是平衡的。所以小孔的温度能保持不变。因此你会发现,如果你在小孔附近取一个体积,你会发现这个体积内的温度不是唯一的,温度有一个梯度。所以这个小体积不是黑体。

因此,黑体的特点是:只有一个温度。

换句话说,黑体是温度处处均匀的物体。是一个理想模型。

黑洞与宇宙微波背景辐射可以看成是黑体。黑体是处于热平衡的,也是不携带信息的物理对象。

普朗克常数一开始不是测量出来的,而是理论上拟合出来的。当然也可以通过斯特番——玻尔兹曼定律来测量出来。


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