3K背景辐射

宇宙背景辐射微波辐射宇宙微波背景（英语：Cosmic Microwave Background，简称CMB，又称3K背景辐射）是宇宙学中“大爆炸”遗留下来的热辐射。

在早期的文献中，“宇宙微波背景”称为“宇宙微波背景辐射”（CMBR）或“遗留辐射”，是一种充满整个宇宙的电磁辐射。

特征和绝对温标2.725K的黑体辐射相同。

频率属于微波范围。

宇宙微波背景是宇宙背景辐射之一，为观测宇宙学的基础，因其为宇宙中最古老的光，可追溯至再复合时期。

宇宙微波背景很好地解释了宇宙早期发展所遗留下来的辐射，它的发现被认为是一个检测大爆炸宇宙模型的里程碑[1]。

宇宙微波背景是宇宙学中“大爆炸”遗留下来的热辐射。

历史1964年美国射电天文学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊偶然发现宇宙微波背景，这一发现是基于于1940年代开始的研究，并于1978年获得诺贝尔奖[2]。

预测时间轴1934年，Tolman发现在宇宙中辐射温度的演化里温度会随着时间演化而改变；而光子的频率随时间演化（即宇宙学红移）也会有所不同。

1941年安德鲁·麦凯勒试图测量星际介质的平均温度，并提出依据星际吸收线的观测研究，辐射热平均温度为2.3 K。

1946年罗伯特·迪克预测“…辐射来自宇宙物质”，约为20 K，但未提及背景辐射1948年伽莫夫计算温度为50 K（假设为3亿岁的宇宙。

1948年拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼估计“宇宙中的温度”为5 K。

即使他们未具体提出微波背景辐射，但可由此推断。

1950年拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼重新估算的温度在28 K1953年伽莫夫估计为7 K。

1955年埃米尔·勒鲁的南塞放射天文台，在天空对λ= 33公分搜寻，发现接近各向同性的背景辐射为3开尔文，加减2。

1956年伽莫夫估计为6 K。

1957年迪格兰夏玛诺夫（Tigran Shmaonov）报告说，“绝对有效的辐射放射背景温度……为4±3K”。

宇宙微波背景辐射（又称3K背景辐射）是一种充满整个宇宙的电磁辐射。

特徵和绝对温标2.725K的黑体辐射相同。

频率属与微波范围。

预测1934年，Tolman是第一个研究有关宇宙背景辐射的人。

他发现在宇宙中辐射温度的演化里温度会随著时间演化而改变；而光子的频率随时间演化(即宇宙学红移)也会有所不同。

但是当两者一起考虑时，也就是讨论光谱时(是频率与温度的函数)两者的变化会抵销掉，也就是黑体辐射的形式会保留下来。

1948年，由旅美的俄国物理学家伽莫夫带领的团队估算出，如果宇宙最初的温度约为十亿度，则会残留有约5~10k 的黑体辐射。

然而这个工作并没有引起重视。

1964年，苏联的泽尔多维奇(Zel'dovich)、英国的霍伊尔(Hoyle)、泰勒(Tayler)、美国的皮伯斯(Peebles)等人的研究预言，宇宙应当残留有温度为几开的背景辐射，并且在厘米波段上应该是可以观测到的，从而重新引起了学术界对背景辐射的重视。

美国的狄克(Dicke)、劳尔(Roll)、威尔金森(Wilkinson)等人也开始着手制造一种低噪声的天线来探测这种辐射，然而另外两个美国人无意中先于他们发现了背景辐射。

发现1964年，美国贝尔实验室的工程师阿诺〃彭齐亚斯(Penzias)和罗伯特〃威尔逊(Wilson)架设了一台喇叭形状的天线，用以接受“回声”卫星的信号。

为了检测这台天线的噪音性能，他们将天线对准天空方向进行测量。

他们发现，在波长为7.35cm的地方一直有一个各向同性的讯号存在，这个信号既没有周日的变化，也没有季节的变化，因而可以判定与地球的公转和自转无关。

起初他们怀疑这个信号来源于天线系统本身。

1965年初，他们对天线进行了彻底检查，清除了天线上的鸽子窝和鸟粪，然而噪声仍然存在。

于是他们在《天体物理学报》上以《在4080兆赫上额外天线温度的测量》为题发表论文正式宣布了这个发现。

紧接着狄克、皮伯斯、劳尔和威尔金森在同一杂志上以《宇宙黑体辐射》为标题发表了一篇论文，对这个发现给出了正确的解释：即这个额外的辐射就是宇宙微波背景辐射。

人教版（2019）选择性必修第二册《4.2电磁场与电磁波-4.4电磁波谱》2024年同步练习卷（1）一、单选题：本大题共6小题，共24分。

1.下列各组电磁波，其波长由小到大的排列顺序正确的是()A.红外线、可见光、紫外线、射线B.射线、可见光、红外线、无线电波C.射线、X射线、红外线、可见光D.X射线、可见光、紫外线、红外线2.红外夜视镜是利用了()A.红外线波长长，容易绕过障碍物的特点B.红外线的热效应强的特点C.一切物体都在不停地辐射红外线的特点D.红外线不可见的特点3.古代也采用过“无线”通信的方式，如利用火光传递信息的烽火台，利用声音传递信号的鼓等．关于声音与光，下列说法正确的是()A.声音和光都是机械波B.声音和光都是电磁波C.声音是机械波，光是电磁波D.声音是电磁波，光是机械波4.太阳表面温度约为6000K，主要发出可见光；人体温度约为310K，主要发出红外线；宇宙间的温度约为3K，所发出的辐射称为“3K背景辐射”，它是宇宙“大爆炸”之初在空间上保留下的余热，若要进行“3K 背景辐射”的观测，应该选择下列哪一个波段()A.无线电波B.紫外线C.X射线D.射线5.电磁波与机械波具有的共同性质是()A.都是横波B.都能传输能量C.都能在真空中传播D.都以光速传播6.当用手机A拨打手机B时，能听见B发出响声并且看见B上显示A的号码。

若将手机A置于透明真空罩中，再用手机B拨打手机A，则()A.能听见A发出响声，但看不到A上显示B的号码B.能听见A发出响声，也能看到A上显示B的号码C.既不能听见A发出响声，也看不到A上显示B的号码D.不能听见A发出响声，但能看到A上显示B的号码二、多选题：本大题共4小题，共16分。

7.根据麦克斯韦电磁场理论，下列说法正确的是()A.电场周围一定产生磁场B.磁场周围也一定产生电场C.均匀变化的磁场产生恒定的电场D.均匀变化的电场产生恒定的磁场8.关于电磁场和电磁波，下列说法正确的是()A.有电磁场就有电磁波B.电磁波的传播需要介质C.电磁波能产生干涉和衍射现象D.电磁波中电场和磁场的方向处处相互垂直9.关于电磁波谱，下列说法正确的是()A.无线电波被广泛用于通讯B.紫外线可用于杀菌消毒C.验钞机利用了红外线的荧光作用D.骨折到医院拍X 光片是利用了X 射线穿透性10.应用麦克斯韦的电磁场理论判断如图所示的表示电场产生磁场或磁场产生电场的关系图象中每个选项中的上图表示的是变化的场，下图表示的是变化的场产生的另外的场，正确的是()A. B.C. D.答案和解析1.【答案】B【解析】解：电磁波按波长由大到小的顺序排列为：无线电波，微波，红外线，可见光，紫外线，伦琴射线，射线，则波长由小到大的是：射线、可见光、红外线、无线电波；故B正确，ACD错误．故选：依照波长的长短的不同，电磁波谱可大致分为：无线电波，微波，红外线，可见光，紫外线，伦琴射线，射线伽马射线本题关键是明确无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、射线都是电磁波，同时要知道它们的波长的大小关系和频率大小关系．2.【答案】C【解析】解：红外线比可见光波长长，更容易发生衍射，则容易绕过障碍物，但红外夜视镜是利用一切物体都在不停地辐射红外线的特点，从而放大转化为可见光，故C正确，ABD错误；故选：C。

专题15 光、电磁波、相对论（选修3-4）一、单项选择题1.【2013·西安铁一中国际合作学校高三上学期期末考试】太阳表面温度约为6000K，主要发出可见光；人体温度约为310K，主要发出红外线；宇宙间的温度约为3K，所发出的辐射称为“3K背景辐射”，它是宇宙“大爆炸”之初在空间上保留下的余热，若要进行“3K背景辐射”的观测，应该选择下列哪一个波段（）A．无线电波 B．紫外线 C．X射线 D．γ射线2.【2013·西安铁一中国际合作学校高三上学期期末考试】假设一个沿着一定方向运动的光子和一个静止的自由电子发生碰撞后，电子向某一方向运动，光子将偏离原来的运动方向，这种现象称为光子的散射，散射后的光子跟原来相比A．光子将从电子处获得能量，因而频率增大B．散射后的光子运动方向将与电子运动方向在一条直线上C．由于电子受到碰撞，散射光子的频率低于入射光子的频率D．散射光子虽改变原来的运动方向，但频率不变.【答案】C【解析】试题分析：由碰撞知识可得：光子与电子碰撞，一部分能量转移给电子，所以光子能量减小，可得v减小，即光子频率减小．所以散射后光子的频率小于入射光子的频率．故根据E hvAD错误，C正确；光子与电子碰撞后偏离原来的运动方向，根据动量守恒知，散射后光子的运动方向与电子的运动方向不在同一条直线上．故B错误．考点：本题关键抓住动量守恒和能量守恒，以及波速、波长、频率的关系进行分析求解．二、多项选择题3.【2014·桑植一中高三联考】关于光学镜头增透膜的以下说法中，正确的是 A 增透膜是为了减少光的反射损失，增加透射光的强度； B 增透膜的厚度等于入射光在真空中波长的1/4； C 增透膜的厚度等于入射光在薄膜中波长的1/4；D 因为增透墨的厚度一般适合绿光反射时相互抵消，红光、紫光的反射不能完全抵消，所以涂有增透膜的镜头呈淡紫色。

三、非选择题4.【2013·景德镇高三第二次质检】（9分）如图，厚度为D 的玻璃砖与水平实验桌成45°角放置。

古代中国的诸子百家当中，其思想表述与奇点问题不谋而合的当属（）。

正确答案： D 我的答案：D36根据洛希极限，质量十倍于太阳的黑洞，其引潮力的半径是（）万公里。

采取“卧看牵牛织女星”的姿势，是因为两颗星升上中天时高度很大，不适合长时间站着或坐着观看。

（）正确答案：√我的答案：√5苏东坡名句“寄蜉蝣于天地，渺沧海之一粟”，前句体现了时间上的不同尺度之间的巨大反差，后句则体现了空间上的。

（）正确答案：√我的答案：√6寒来暑往的现象是地球公转加以自转轴存在倾斜角所致。

（）正确答案：√我的答案：√7星系中，越处于边缘的恒星的运动速度反而越接近最大速度，这与开普勒定律推出的体系是不一致的。

（）正确答案：√我的答案：√8“旅行者”号携带的光盘刻录了地球上自然和人类社会的各种声音。

（）正确答案：√我的答案：√9由大望远镜拍摄制作的星团等深空天体的照片，其上各种或苍白或绚烂的色彩均是人眼可见。

（）正确答案：×我的答案：×10所有的星系都在退行，说明宇宙是在膨胀的。

（）正确答案：√我的答案：√11在地球上看到的星空是永远不变的，恐龙时代的星空与今天完全一样。

（）正确答案：×我的答案：×12凌星法一般更容易发现较大体积的系外行星。

（）正确答案：√我的答案：√13天鹅X-1的星等、光谱型等数据，是属于黑洞-巨星双星系统中的巨星。

（）正确答案：√我的答案：√14生物的多样性与一致性的统一与对立，其本质是基因的组成、序列与表达问题。

（）正确答案：√我的答案：√15引潮力使任何物体在一个方向上被无限极压，而在相反的方向被无限拉伸。

（）正确答案：√我的答案：√16太阳发出的光一共只有赤橙黄绿青蓝紫七种单色光。

（）正确答案：×我的答案：×17在几大空间望远镜中，具有红外线探测拍摄功能的包括“哈勃”和“斯皮策”望远镜。

（）正确答案：√我的答案：√18根据中国古籍的记载，超新星爆发的特点包括出现得特别突兀、亮度特别大、持续时间长。

3K微波背景辐射，原是宇宙引力波能的热辐射作者：江苏·扬州市亿顺科技有限公司耿玉顺今年，是美国科学家彭齐亚斯和威尔逊发现3K宇宙微波背景辐射50周年，在此作者首先向前辈深表敬意！一．背景自3K微波背景辐射发现以来，美国宇航局（NASA）于1989年发射的"COBE探测器"，先后发回了海量观测数据，验证了整个宇宙中都存在着各向均匀的2.7Κ微波背景幅射的事实，其是现代科学发展史上的一个重要里程碑。

但目前人们对宇宙微波背景辐射的本质及来源，众说纷纷，最出名的要数宇宙大爆炸论的作者。

其认为当宇宙创生之初必会产生大量辐射，并转化成物质，在宇宙背景下，至今还应有一些热辐射遗迹残存，充斥了整个宇宙空间。

如能观察到这种辐射，其波长红移约是现今的微波段，温度冷却到约5K左右。

现彭齐亚斯和威尔逊发现的3K宇宙微波背景辐射，验证了宇宙大爆炸理论的正确性。

事实果真如此吗？非也！二．3K微波背景辐射，原是宇宙引力波能的热辐射。

据作者近30年来的研究发现，万有引力及其初速度，并非天体之间运动的“永动机”，也非牛顿晚年身处教堂研究所言的“上帝”推动，而是物质的微观电子之间的电荷相互作用构成的一种宏观作用力，由此揭示了万有引力本质，并求得万有引力常数8=⨯G，（量纲：厘米³∕克·秒²，与目前精确实验值G误差仅为1.8‰）；及相.6-10685476互关联的引力波长λ≈0.53cm，并由此得到引力波能的热辐射T≈2.71Κ。

由此证明，彭齐亚斯和威尔逊发现的3K宇宙微波背景辐射，原是宇宙引力波能量的热辐射。

三．宇宙来源奇点大爆炸正确吗？非也！宇宙大爆炸论，是当今流行的研究宇宙起源和演化的一种学术理论，其得到以下所谓的四个“科学”验证。

1．宇宙大爆炸后的余热——3Κ微波背景幅射。

2．哈勃星系红移退行速度及宇宙膨胀理论。

3．宇宙中的氦丰度相同。

4．宇宙年龄为137.3亿年。

宇宙微波背景辐射在宇宙诞生的最初一段时间里，宇宙处于完全的热平衡态，并伴有光子的不断吸收和发射，从而产生了一个黑体辐射的频谱。

其后随着宇宙的膨胀，温度逐渐降低到光子不能继续产生或湮灭，不过此时的高温仍然足以使电子和原子核彼此分离。

因而，此时的光子不断地被这些自由电子“反射”，这一过程的本质是汤姆孙散射。

由于这种散射的持续存在，早期宇宙对电磁波是不透明的。

当温度继续降低到几千开尔文时，电子和原子核开始结合成原子，这一过程在宇宙学中被称为复合。

由于光子被中性原子散射的几率很小，当几乎所有电子都与原子核发生复合之后，光子的电磁辐射与物质脱耦。

这一时期大约发生在大爆炸后三十七万九千年，被称作“最终的散射”时期。

这些光子构成了可以被今人观测到的背景辐射，而观测到的背景辐射涨落图样正是这一时期早期宇宙的直接写照。

随着宇宙的膨胀，光子的能量因红移而随之降低，从而使光子落入了电磁波谱的微波频段。

微波背景辐射被认为在宇宙中的任何一点可被观测，并且在各个方向上都几乎具有相同的能量密度。

1964年，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在使用贝尔实验室的一台微波接收器进行诊断性测量时，意外发现了宇宙微波背景辐射的存在。

他们的发现为微波背景辐射的相关预言提供了坚实的验证———辐射被观测到是各向同性的，并且对应的黑体辐射温度为3K———并为大爆炸假说提供了有力的证据。

彭齐亚斯和威尔逊为这项发现获得了诺贝尔物理学奖。

1989年，NASA美国宇航局发射了宇宙背景探测者卫星COBE，并在1990年取得初步测量结果，显示大爆炸理论对微波背景辐射所作的预言和实验观测相符合。

COBE测得的微波背景辐射余温为2．726K，并在1992年首次测量了微波背景辐射的涨落各向异性，其结果显示这种各向异性在十万分之一的量级。

约翰·马瑟和乔治·斯穆特因领导了这项工作而获得诺贝尔物理学奖。

在接下来的十年间，微波背景辐射的各向异性被多个地面探测器以及气球实验进一步研究。