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黑体辐射未尽事宜:高温物体连续光谱出自何由?

已有 10750 次阅读 2015-3-5 15:09 |个人分类:杂谈|系统分类:观点评述| 黑体辐射模型, 高温发光物体, 连续光谱

   白炽灯、太阳是处于高温状态下发光的理想光源,在可见光范围与黑体辐射理论模型的计算结果十分接近。因此,可以被看成理想的黑体。

   关于黑体辐射模型的基本知识,以及相关的问题可以参考Wiki,或我前期的博客“黑体辐射认识清楚了吗?”。在理解黑体辐射模型与实际的高温发光物体时,我们不难发现一些问题:

1、黑体辐射模型是针对光子在封闭的腔体中,光子的能量E假定为E=hv条件下,在一定温度下的平衡分布。光子系统是处于封闭孤立状态的;但实际的高温发光物体,虽然温度可以处于恒定,但光子是处于开放状态的,即没有受到空间限制。因此,理论模型与高温发光物体的实际情况有很大差异。

2、针对具体的黑体光源,例如,钨丝白炽灯,光应该由处于高温的钨原子发出。按照量子力学的求解结果,钨原子只能发出频率不连续的谱线,而不会出现黑体辐射模型描述的,白炽钨丝灯表现出的,可见光范围连续的光谱,也得不到谱线强度和分布与温度的数学关系。所以,从量子力学出发是不能解释高温物体连续光谱辐射现象的。


  上海交大吴新忠博士用光子与原子分子的碰撞来解释高温物体辐射,光谱的连续性。认为:

   “……,其实麦克斯韦-玻尔兹曼的分子速度分布就是通过你所说的特征光谱与分子碰撞后发生康普顿效应,转变为普朗克分布的。……”

  “另外,如果考虑光子相对于不同速度的物体运动时,由于多普勒效应频率变化,我们甚至可以认为宇宙中的一切光子都是全同的,光子的差别无非是因为在不同参照系中振荡频率变化了,频率不同是初始光源相对于参照系有不同速度产生多普勒效应造成的。


      我认为上述解释缺乏说服力。1、如果光子与原子分子碰撞,产生的次光子也是取决于原子分子结构的线光谱;2、运动光源会产生多普勒频率变化,导致谱线展宽,但范围不会太大,如果要实现有限分裂的线光谱成为连续的黑体辐射描述的那样,运动光源的速度可能会超光速,甚至几倍于光速。

更为有力的否定是,大家都知道,采用电极放电测量光谱,氢光谱灯实验,我们是可以获得明锐的原子线光谱,在这种情况下,你上面所讲的光子与原子的碰撞,发光原子的运动同样存在。


因此,吴博士你的解释是完全不成立的!!!


    为什么处于热力学高温的原子会发出连续谱,而电离粒子碰撞原子却发出线光谱呢?按照量子力学是没有办法解释的。如果采用经典方法,对于上述现象可以作出如下解释:

      以钨带白炽灯为例,晶格上的钨在高温情况具有热力学振动能量,处于激烈振动(或无规则运动)状态,并符合分布函数要求。振动或无规则运动会产生电磁场,因此钨原子是处于一种非常复杂的周期场之中,当环境场的周期与钨中电子轨道的周期接近,就会导致本征轨道的变形、漂移,极化等效应,并且可以是连续。也就是钨原子的本征轨道(包括基态),在热背景可以连续变化。当其产生共振跃迁时,发出的光子的能量和频率服从E=hv,由于共振起始轨道和终止轨道是连续漂移的,因此,光子的能量和频率可以连续。实验中,我们观察到的大量原子同时发光的结果,就是连续的黑体分布。

     带电粒子碰撞钨原子发光的情况完全不同,钨原子没有复杂环境场的影响,碰撞只是实现了轨道的共振跃迁,因此发出的只是原子的特征线光谱。


     因此结论应该是,热运动导致晶格原子中的电子本征轨道漂移是高温物体连续光谱辐射的主要原因。





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