本发明涉及近代物理实验技术领域，具体涉及一种利用固体光吸收特性测定玻尔兹曼常数的方法。
背景技术：
玻尔兹曼常数kb是热力学温度(单位为开尔文)与能量的转换因子，是近代物理学领域的一个十分重要的常数，是反映物质世界不连续特性的重要标志之一。准确测定玻尔兹曼常数有助于在应用中用玻尔兹曼常数直接导出热力学温度，在量子温度标准的制定与执行、近代物理实验教学、工程温度标定等方面意义重大。玻尔兹曼常数的光谱学测定方法主要有气体吸收谱线碰撞展宽分析方法、荧光光谱方法(荧光光谱测量玻尔兹曼常数的方法，中国，公开号：cn102103085a，公开日：2011年6月22日)，前者对实验设备要求较高，后者需要特定的荧光材料和激励光源且实验温度范围较小。
技术实现要素：
本发明所要解决的问题是：提供一种利用固体光吸收特性测定玻尔兹曼常数的方法，测量系统较为常见，成本低，操作简便，敏感材料形态稳定，实验重复性好，温度范围大，可以用于工业工程的温度校准、近代物理教学实验等方面。
本发明为解决上述问题所提供的技术方案为：一种利用固体光吸收特性测定玻尔兹曼常数的方法，所述方法包括以下步骤，
步骤一、选择有色的具有基态分裂能级的稀土化合物固体材料样品；
步骤二、用光照射样品，测量不同温度t下样品的光吸收特性；
步骤三、计算基态分裂能级参与跃迁的两条吸收谱线的强度比值r；
步骤四、线性拟合r的自然对数与温度t倒数的关系式lnr～1/t，该拟合直线有理论表达形式如下式(1)，斜率s＝δe/kb，则玻尔兹曼常数kb为基态能级分裂宽度δe与斜率s的比值。
式中，a为与实验系统有关的常数。
优选的，所述的步骤一中的稀土化合物固体材料样品在白光环境中呈现为既非白色也非黑色的中间色。
优选的，所述的步骤二中的样品的光吸收特性直接是原始的反射光谱或透射光谱，不需要换算为吸收光谱。
优选的，所述的稀土化合物固体材料中，自由稀土离子的基态能级分裂为多个彼此靠近的能级。实际应用中仅选取其中两个能级，例如ho3 的5i8能级的两个子能级。
优选的，所述的步骤二中的光为白光或者是基态分裂能级参与跃迁的两条吸收谱线对应的两个波长的光。
本发明的实质是利用热平衡状态下材料的两个彼此靠近的能级会实现热耦合，这两个能级上粒子的布居符合玻尔兹曼分布。
与现有技术相比，本发明的优点是：本发明的方法，测量系统较为常见，成本低，操作简便，敏感材料形态稳定，实验重复性好，温度范围大，可以用于工业工程的温度校准、近代物理教学实验等方面。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是ho2o3的变温反射光谱；
图2是ho2o3两个吸收跃迁波长(650nm及669nm)涉及的能级示意图；
图3是ho2o3两个波长(650nm及669nm)光吸收强度比r与温度t的关系曲线。
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
一种利用固体光吸收特性测定玻尔兹曼常数的方法，
步骤一、选择有色的具有基态分裂能级的稀土化合物固体材料样品，例如浅黄色的ho2o3粉末，自由ho3 的基态能级5i8在氧化物晶体场中分裂为多个子能级，可选的其它样品材料还有ho3 、er3 、nd3 、tm3 等稀土离子的化合物或这些离子掺杂的化合物。
步骤二、波长连续的白光照射样品，测量不同温度t下ho2o3样品的光吸收特性。可以通过ho2o3的透射光谱或反射光谱来反映该材料的光吸收特性，不需要换算为吸收光谱。例如，以卤钨灯光源照射ho2o3样品，在室温到400k温度范围内改变样品的温度t，测量记录不同温度下样品的一系列反射光谱，如图1所示。
步骤三、选取稀土离子基态分裂能级参与跃迁的两条吸收谱线，计算强度比值r，例如，从图1中选取所指示的波长为650nm和669nm的两条吸收谱线，计算它们的强度比。成对谱线的选取方式不唯一，例如，还可以选465.5nm和650nm，或487nm和542nm。
选取的原则是这两条谱线涉及的初态能级是基态能级分裂的两个能级，例如，如图2所示的两个下能级。因为分裂宽度小，两个能级是热耦合的。
步骤四、线性拟合r的自然对数与温度t倒数的关系式lnr～1/t，理论上该式的形式按以下过程推导：
从能级i到能级j的吸收跃迁的强度为：
iij∝bijνijni(2)
其中，bij为受激吸收跃迁概率；νij为吸收光的频率；ni为能级i上的稳态电子密度。
处于两个相近能级i1和i2的粒子布居符合玻尔兹曼分布，两个能级间距为δe，则：
由i1和i2能级发生向j能级的吸收跃迁，综合以上(2)、(3)两式，可得两条吸收跃迁的谱线强度比值r为：
其中b是仅与实验系统有关的常数。该式取对数，得到lnr～1/t的理论线性关系，该关系直线的斜率s的大小为δe/kb。
由实测lnr～1/t数据曲线(例如，如图3所示)的线性拟合式得到斜率s，能级差δe可以用光谱图上所选谱线的波长计算，本例中为437cm-1，从而玻尔兹曼常数kb是能级差δe和实验拟合的斜率s的商，计算结果与codata给出的玻尔兹曼常数kb参考值一致。因为用谱线波长λ表示δe时会引入普朗克常数h及真空光速c(即光子能量为hc/λ)，以上过程也就得到了玻尔兹曼常数、普朗克常数及真空光速这三个基本物理常数之间的数值关系。
以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。
1.一种利用固体光吸收特性测定玻尔兹曼常数的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤，
步骤一、选择有色的具有基态分裂能级的稀土化合物固体材料样品；
步骤二、用光照射样品，测量不同温度t下样品的光吸收特性；
步骤三、计算基态分裂能级参与跃迁的两条吸收谱线的强度比值r；
步骤四、线性拟合r的自然对数lnr与温度t倒数1/t的关系，计算出直线斜率s，玻尔兹曼常数即为基态能级分裂宽度与该斜率的比值。
2.根据权利要求1所述的一种利用固体光吸收特性测定玻尔兹曼常数的方法，其特征在于：所述的步骤一中的稀土化合物固体材料样品在白光环境中呈现为既非白色也非黑色的中间色。
3.根据权利要求1所述的一种利用固体光吸收特性测定玻尔兹曼常数的方法，其特征在于：所述的步骤二中的样品的光吸收特性直接是原始的反射光谱或透射光谱，不需要换算为吸收光谱。
4.根据权利要求1所述的一种利用固体光吸收特性测定玻尔兹曼常数的方法，其特征在于：所述的稀土化合物固体材料中，自由稀土离子的基态能级分裂为多个彼此靠近的能级。
5.根据权利要求1所述的一种利用固体光吸收特性测定玻尔兹曼常数的方法，其特征在于：所述的步骤二中的光为白光或者是基态分裂能级参与跃迁的两条吸收谱线对应的两个波长的光。
技术总结