科普：热辐射

科普：热辐射

物体保持一定温度，即达到热平衡时，电磁辐射（简称辐射）是各种频率电磁波的混合，而且能量分布与物质结构无关，称为热辐射。温度不太高时，辐射基本上都不可见；随着温度的升高，物体发红；温度更高时，物体发白。辐射落在物体上，有反射，有吸收，物体自身也发射辐射。热辐射的研究需要结合电磁学与热力学和统计物理。

黑体颜色随温度的变化，横坐标的单位是绝对温度。

1859年，基尔霍夫提出热辐射的基尔霍夫定律：物体的发射本领与吸收本领之比只取决于温度和频率，是一个与物体无关的普适量。某个频率的发射本领是单位时间单位面积发射的该频率辐射的能量谱密度。可以证明，发射本领等于辐射本身的能量谱密度乘以1/4的光速。它对于频率的积分给出单位时间单位面积发射的总能量。吸收本领则是单位时间落在物体单位面积上的辐射被吸收的比例。

吸收本领为1的物体叫做黑体，也就是说，黑体只有吸收和发射，没有反射。因此将基尔霍夫定律用到黑体，得到普适量就是这个频率的黑体辐射能量谱密度乘以1/4的光速。实验上直接测量的是辐射强度，即单位时间单位面积单位立体角辐射的能量谱密度，等于发射本领除以π，也就是黑体辐射能量谱密度乘以光速除以4π。

1879年，斯特番（Josef Stefan）给出一个经验规律，物体单位时间单位面积发出的总能量正比于温度的4次方。这是有缺陷的，因为只有黑体才有这个规律。

1881年，兰利发现，太阳光谱中最热的部分是橙色，而不是红色。

1884年，玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）从理论上证明，黑体满足斯特番定律。

1893年，维恩（Wilhelm Wien）从理论上提出，辐射的能量谱密度（正比于辐射强度）等于频率的3次方乘以一个频率除以温度的函数，由此验证了斯特番定律，并推导出维恩位移定律：给定温度下，辐射强度作为波长的函数，最大值对应的波长与温度的乘积是一个常数。

黑体辐射的辐射强度的几个公式的比较，普朗克（Planck）公式与实验完全一致。

1895至1901年，卢默（Otto Lummer）、普林舍姆（Ernst Pringsheim）、库尔班（Ferdinand Kurlbaum）、鲁本斯（Heinrich Rubens）测量了黑体辐射在不同频率的辐射强度，给出了对频率的依赖关系，与温度有关，并证明了维恩定律。

1900年6月，斯特拉特（John William Strutt），也就是瑞利勋爵（Lord Reyleigh），使用能量均分定理（每个自由度的平均动能是RT/2N,T为温度，R是理想气体常数，N是阿伏伽德罗常数，后来人们定义R/N为玻尔兹曼常数），得到能量谱密度（正比于辐射强度）。用波长表示时，它正比于温度除以波长的4次方；用频率表达时，它是温度乘以频率的平方。对于短波长（或者说高频率），这个理论结果与实验偏离很大。为了消除这个紫外灾难，他乘上指数衰减因子。