高温用放射温度計の製作と熱放射実験の教材化

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大学の教養課程での物理教育の中で熱放射現象に関して様々な法則が取り上げられている。たとえば、基礎物理学の教科書においては、黒体放射の原理が扱われ、かなり詳しく解説されている。しかし、熱放射を実験的に理解させている例はほとんどない。つまり、シュテファン・ボルツマンの法則における熱放射の全エネルギーは絶対温度の4乗に比例する。あるいは黒体から放射されるエネルギーの強度が最大となる波長は、絶対温度に反比例するといった内容は、実験的に理解されることが極めて重要である。なぜなら、これらの熱放射の法則の土台をなしているのは「黒体」という概念であり、熱放射実験においては、この黒体条件を実現することが肝要であるからである。熱放射する物体を非接触で温度測定する機器を放射温度計という。従来の光高温計では、熱放射率の関係で輝度温度を赤色フィルタ(650nm)を用い、狭い波長領域を測定するため、2500K程度が限界となっている。そこで、熱放射体の放出する電磁波の波長を測定し輝度温度を求める方法により、近赤外から可視光領域(1000K〜15000K)の温度を測定できる高温用放射温度計を製作した。この温度計を用いた熱放射実験において黒体放射の原理に基づく下記の諸法則が確かめられた。(1)分光放射輝度L_λと絶対温度の4乗T^4が比例の関係になっている。このことから、ステファン・ボルツマンの法則が確かめられた。(2)分光放射輝度L_λが最大値をとる波長λ_<max>において、黒体放射のプランクの公式の理論曲線と実測値を比較した。実測値が理論曲線によく近似している。このことから、黒体条件をかなりの程度満たした黒体放射実験が実現できた。