热辐射与黑体.pptVIP

热辐射和黑体 20 世 纪 的 经 典 热辐射的基本概念 一般的电磁辐射 热辐射 及其一般特性 一般的电磁辐射 有许多方法可以使物体激发而发出电磁辐射: 载有高频交流电的导体发射无线电波. 热的固体或液体发出热辐射. 放电气体可以发射可见光或紫外辐射. 金属板受到高速电子轰击而发射χ射线. 放射性物质可以释放γ射线. 暴露于外源辐射下的物体有可能放出荧光. 所有这些辐射都是电磁波,区别仅在于波长. 2 .热辐射及其一般特性 几个基本概念：辐射度,各向同性的,吸收系数 实验表明,物体物体发热辐射的速率取决于温度和表面的性质。单位面积上发射的总辐射的速率称为物体的辐射度。 当从各个方向射到一个物体上的热辐射能量相等时，就说该辐射是各向同性的。 一般说来，入射到吸收物体上 的所有波长的各向同性辐射，它被吸收的比率与该物体表面的温度及性质有关，这个比率称为吸收系数。 黑体 定义： 设想一种能吸收在他上面的全部热辐射的理想物质，就叫黑体（Blackbody)。 模型：一个空腔的内壁温度保持均匀，且通过一直径比空腔线度小得多的孔与外部连通，这样的空腔就是一个很好的近似黑体。进入孔内的任何辐射，一部分被吸收，一部分在内壁上受到多次漫反射，最后只有可以忽略的极小部分跑出孔外。 性质：不管空腔内壁是用什么材料做的，这个结论都成立。我们定义单位时间内落在腔内任一单位面积上的辐射能量为腔内的辐照度。假设把一温度与腔壁温度相同的黑体放进腔内，并用H表示，单位面积发射的辐射功率=RB，则 H=RB ， 即壁温为θ的空腔内的辐照度等于同一温度下黑体的辐射度。正因为如此，腔内的辐射叫做黑体辐射。 基尔霍夫定律 按照一条简单的定律可知，非黑体的辐射度既与温度有关，也与表面的性质有关。 下面我们来导出这条定律。 假设把一温度为θ，辐射度为R，吸收系数为α的非黑体放入一内壁温度与之相同，辐照度为H的空腔内，则 　　　单位面积吸收的辐射功率＝αH ， 　　　单位面积发射的辐射功率＝R 。 因为非黑体是平衡的，故 　　　　　R=αH ， 辐射热 辐射热等于吸收的热辐射能量和发射的热辐射能量之差。 设想又一空腔，其内壁维持在恒定温度θw　。 设物体面积为A，在dt时间内穿给整个物体的热量为dQ,则 　　　　dQ/dt=A(αH-R). 式中α和R是指温度为θ时的值，而H是温度为θw　。现在 H= RB(θw)和　R=α RB(θ）， 　　　故dQ/dt=Aα［ RB(θw)－ RB(θ）］， 即通过辐射传递热量的速率与黑体在两个温度下的辐射度之差成正比。 斯忒藩----波耳兹曼定律 斯忒藩根据Tynall所做的实验得出结论：辐射热与绝对温度的四次方成正比。最后波耳兹曼从热力学理论导出这一实验结果。 即 RB(θ）＝σ 这个定律叫做斯忒藩----波耳兹曼定律，其中σ是斯忒藩----波耳兹曼常数。 　　因此可得温度为θ得物体与温度为θw 得壁之间辐射热传递速率为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 式中α是温度θ时的值。 可以用两种方法来确定σ的值：平衡法和非平衡法（如果有兴趣可以查看M.W.泽门斯基和R.H.迪特曼著的《热学和热力学》） 最后解出σ的值为: 维恩定律和瑞利----金斯公式 1893年，维恩（Wilhelm Wien) 提出了黑体辐射的维恩位移定律。指出辐射最强的波长与温度的乘积是一个常数。从维恩推出的这个公式不仅能推导出已知的斯忒藩----波耳兹曼定律，还能得到一个新定律：随着黑体温度的升高，它所发射的最亮光线的波长将会变短，并向紫色光区移动，不过维恩公式只在短波区域与实验符合，在长波区域则偏离较大。 与此同时，英国物理学家瑞利和金斯也提出一个辐射公式，即瑞利----金斯公式，这个公式的基础是分子运动论中的能量均分定理，但这个公式在长波区域才与实验相符。 这两个公式分别是：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 和 　　　　　　　　　　　　　　　　　 但这两个公式都只能部分解释黑体辐射，而且彼此冲突 　　　　　　 普朗克的发展 普朗克在1900年10月“凑”出了一个辐射公式。这个公式能把维恩公式和瑞利---金斯公式完美的衔接起来。后来，他发现必须满足黑体辐射的能量