瑞利-金斯公式

更新时间:2023-05-01 08:18

瑞利-金斯公式,是根据经典电动力学统计力学导出的热平衡辐射能量分布公式。瑞利(1900)和金斯,J.H.(1905)根据经典统计理论,研究密封空腔中的电磁场,得到了空腔辐射的能量密度w(v,T)按频率v分布的瑞利-金斯公式。

公式

……(1)

式中k是玻尔兹曼常数,с是真空中光速,T是热力学温度

公式推导

考虑一个体积为V的空腔,腔壁温度为T,腔内真空,由于腔壁在任何温度下都辐射电磁波,因此腔内就建立了一电磁场,并且腔壁同电磁场将达到平衡。这个辐射场可以分解为一系列单色平面波的叠加,也可以看作是一个由许多振子组成的系统。

瑞利和金斯求出在频率间隔v~v+dv内本征振动的个数为

其中因子2是由于每一频率v对应于偏振面互相垂直的两个波的缘故。

根据经典能量均分定理,每个振动自由度的平均能量为kT,即的平均动能和的平均势能,当然每一个平面波也具有kT的平均能量。

所以将式(2)乘以kT,并用体积V除,就得到频率v~v+dv之间、单位体积的能量表示式,即式(1)。

也可将式(1)换为按波长的分布公式

(3)

遇到困难

把式(3)表示能量密度w(λ,T)同波长λ的关系曲线及实验曲线画在图中,可以看出,瑞利-金斯公式在长波或高温情况下,同实验结果相符,但在短波范围,能量密度则迅速地单调上升,同实验结果矛盾。其实,对频率从0到∞积分式(1),就得到包括所有频率的能量密度为无穷大的结论,就是说空腔内的平衡辐射场只有当能量密度无穷大时才开始建立,这显然是荒谬的。

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