1. 连续谱: 黑体发出的辐射覆盖了所有波长(或频率),形成一个连续的光谱。这与原子或分子发出的离散线状谱或带状谱截然不同。
2. 光谱形状(普朗克定律):
这是最核心的特征。黑体在特定波长λ处的光谱辐射出射度(单位表面积、单位波长间隔向外辐射的功率)由普朗克辐射定律精确描述:
`M_λ(λ, T) = (2πhc²) / (λ⁵) 1 / (e^(hc / (λkT))
`h`: 普朗克常数
`c`: 真空中的光速
`k`: 玻尔兹曼常数
`T`: 黑体的绝对温度 (K)
`λ`: 波长
关键形状特征:
单峰性: 对于给定的温度 T,光谱曲线呈现一个单一的、明确的峰值。
温度依赖性:
峰值波长移动: 随着温度 T 升高,峰值波长 λ_max 向短波方向移动(即向蓝光、紫外线方向移动)。这是由维恩位移定律描述的:
`λ_max T = b`
其中 b ≈ 2898 μm·K (维恩位移常数)
辐射强度增大: 对于所有波长,光谱辐射出射度 M_λ 都随着温度 T 升高而急剧增大。峰值处的辐射强度增长尤其显著。整体辐射强度随温度的四次方增长(斯特藩-玻尔兹曼定律)。
曲线不相交: 不同温度下的黑体辐射光谱曲线彼此不会相交。温度更高的曲线完全位于温度更低曲线的上方。
长波渐进行为(瑞利-金斯定律): 在波长 λ 远大于峰值波长 λ_max 的区域(长波,远红外/微波),光谱曲线近似满足经典理论的瑞利-金斯公式:
`M_λ(λ, T) ≈ (2πckT) / λ⁴`
辐射强度与温度 T 成正比,与波长的四次方 λ⁴ 成反比。
短波渐进行为(维恩公式): 在波长 λ 远小于峰值波长 λ_max 的区域(短波,近紫外/X射线),光谱曲线近似满足维恩公式:
`M_λ(λ, T) ≈ (2πhc² / λ⁵) e^(-hc/(λkT))`
辐射强度随波长减小而呈指数衰减。
3. 总辐射能量(斯特藩-玻尔兹曼定律):
整个光谱曲线下方的面积(即所有波长辐射的总功率)与黑体绝对温度 T 的四次方成正比:
`M = ∫₀^∞ M_λ dλ = σ T⁴`
其中 σ ≈ 5.67 × 10⁻⁸ W/m²K⁴ (斯特藩-玻尔兹曼常数)。
这解释了为什么温度升高一点点,物体就会显得明亮得多、热得多。
4. 颜色与温度的关系:
维恩位移定律直接解释了为什么不同温度的物体呈现不同的颜色:
低温物体(如室温 ~300K):峰值在远红外 (λ_max ≈ 9.7 μm),远超出人眼可见范围,肉眼看不见其热辐射光。
铁块加热到 ~700K:峰值在近红外 (λ_max ≈ 4.1 μm),开始发出暗红色的可见光(红光波长最长,在长波尾端)。
电炉丝 ~1200K:峰值在近红外 (λ_max ≈ 2.4 μm),发出明亮的橙/黄色光。
太阳表面 ~5800K:峰值在绿色可见光波长 (λ_max ≈ 0.5 μm),发出看起来是黄白色的光(包含了所有可见光)。
非常热的恒星 >10000K:峰值在紫外甚至更短波长,发出蓝白色的光。
通过观察热物体发光的颜色(尤其是其连续谱中最亮的颜色),可以大致估计其温度。
总结黑体辐射的关键光谱特征:
连续谱分布。
特定形状: 单峰曲线,由普朗克定律精确描述。
峰值波长随温度升高向短波移动: 维恩位移定律。
所有波长的辐射强度随温度升高而急剧增大: 斯特藩-玻尔兹曼定律(针对总强度)。
不同温度的曲线互不相交: 高温曲线始终在低温曲线上方。
颜色反映温度: 红(冷) -> 橙/黄 -> 白 -> 蓝(热)。
这些特征不仅是热力学和统计力学的重要结果(瑞利-金斯公式的紫外灾难揭示了经典物理的局限),更是量子理论诞生的直接驱动力(普朗克引入能量量子化假设成功解释了观测到的光谱)。理解黑体辐射光谱是理解恒星物理、红外遥感、热成像、照明技术等众多领域的基础。
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