学习大学物理的同学,特别是物理专业的同学,对于黑体辐射这个概念肯定不陌生,在辐射场热力学性质、普朗克公式的推导、爱因斯坦AB系数...
学习大学物理的同学,特别是物理专业的同学,对于黑体辐射这个概念肯定不陌生,在辐射场热力学性质、普朗克公式的推导、爱因斯坦AB系数的推导等等方面都与黑体辐射打过交道。但书中往往有一个论述令人感到迷惑,类似题述的“平衡辐射也称为黑体辐射”(取自《热力学·统计物理》汪志诚),它给人一种概念上杂糅的感觉:黑体也可在非平衡情况下进行热辐射,一般物体也可在平衡条件下进行热辐射;他说的是平衡辐射与黑体辐射描述的是同一个物理现象,还是仅仅表示平衡辐射的数值等于黑体辐射呢?等等问题涌上脑门。
不管其他同学是怎样的情况,反正我已被黑体辐射的问题困扰多时了,今日终得到一个令自己信服的理解,一时心起,决定写到知乎上,如果可能的话,一来希望过路大佬不吝赐教,评判一下正误,二来也算给有着同样困惑的同学提供一个可能可行的思路。
先写结论
我认为只有将“平衡辐射也称为黑体辐射”中的“平衡辐射”理解为“与物体建立平衡辐射的辐射场 产生的辐射”(“辐射场产生的辐射”听起来怪怪的,但本质上就是指辐射场中的辐射通量密度。实际上辐射场也可称为光子气体,而“某种‘气体’产生辐射”就好理解多了),这句话才没有歧义。
详细的说明过程
一、关于平衡辐射
平衡辐射的定义:在非绝对零度的情况下,任何物体都会辐射电磁波,称之为热辐射。当物体辐射的电磁波与吸收的电磁波达到平衡时,将此时的热辐射称为平衡辐射。平衡即系统宏观上不再发生改变,在这里是指物体的温度达到均匀恒定。(一个引起思维混乱的原因是:辐射既是一个动词,指向空间中产生某种扰动或粒子这样一个物理现象;又是一个名词,指上述现象所产生的扰动或粒子。而这里的热辐射、平衡辐射都是动词)命题一:由平衡辐射产生的辐射场是空间均匀的和各向同性的,它的内能密度二、平衡辐射所产生的的辐射场/或称光子气体的一些性质
命题二:平衡辐射所产生的辐射场的辐射压强p与能量密度(及上述内能密度)u之间的关系为:三、物体(不强调是黑体)与辐射场建立平衡辐射
定义四、回到主体:黑体辐射与“平衡辐射”
黑体的定义:吸收因数为1的物体称为黑体或绝对黑体,换言之,对任意频率的电磁波都百分之百吸收、不反射的物体称为黑体。与“平衡辐射”的关系:由基尔霍夫定律,令写在最后:
我认为得到“黑体辐射的面辐射强度与平衡辐射时的辐射场的辐射通量密度相同”这个结论最大的意义在于,可以通过测量任意一个平衡的辐射场中的电磁波频谱就可以得到黑体辐射,否则我们很难构建理想的黑体来测量黑体辐射。
有许多理解上的错误以及理解不到位的地方欢迎大家指出。
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