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第三章-热辐射的基本定律

第三章 热辐射的基本规律 引言 热辐射——红外辐射 概念:物体以自身温度而向外发射能量称热辐射,亦称温度辐射。 在光学范畴内,在可见光范围内的辐射一般称为发光,在红外部分通常称为辐射。 红外辐射的发射和接收都是热交换。红外技术的应用都是基于热交换的。 §3-2 基尔霍夫定律 发射本领: 吸收本领: 如果有三个物体,则 基尔霍夫定律的描述1: 在给定温度下,对某一波长来说,物体的吸收本领和发射本领的比值与物体本身的性质无关,对于一切物体都是恒量。即MλT/αλT对所有物体都是一个普适函数(即黑体的发射本领),而MλT和αλT两者中的每一个都随着物体而不同。 “发射大的物体必吸收大”,或“善于发射的物体必善于接收”,反之亦然。 基尔霍夫定律的描述 2 : 关于基尔霍夫定律的说明: 1.基尔霍夫定律是平衡辐射定律,与物质本身的性质无关,(当然对黑体也适用); 2.吸收和辐射的多少应在同一温度下比较,(温度不同时就没有意义了); 3.任何强烈的吸收必发出强烈的辐射,无论吸收是由物体表面性质决定的,还是由系统的构造决定的; 4.基尔霍夫定律所描述的辐射与波长有关,不与人眼的视觉特性和光度量有关; 5.基尔霍夫定律只适用于温度辐射,对其它发光不成立。 判断:在室温,绿色玻璃强烈地吸收红光,但是辐射出的红光却很少,这是否违反基尔霍夫定律,为什么? §3-3 黑体及其辐射定律 黑体是一个抽象的概念,可以从几个方面认识: 1、(理论上讲)ɑ=1的物体。全吸收,没有反射和透射。 2、(结构上讲)封闭的等温空腔内的辐射是黑体辐射。 3、(从应用角度)如果把等温封闭空腔开一个小孔,则从小孔发出的辐射能够逼真地模拟黑体辐射。这种装置称为黑体炉。(黑体模型 ) 黑体的应用价值(实用意义): 1.标定各类辐射探测器的响应度; 2.标定其他辐射源的辐射强度; 3.测定红外光学系统的透射比; 4.研究各种物质表面的热辐射特性; 5.研究大气或其他物质对辐射的吸收或透射特性。主要做光源(辐射源) 普朗克公式: M bλ——黑体的光谱辐射出射度 C —— 真空光速 C1—— 第一辐射常数 c1=2πhc2=3.7418×108m/s C2—— 第二辐射常数 c2=hc/k=1.4388×10-16W·m2 h —— 普朗克常数 6.626176×10-34J·s k —— 波尔兹曼常数 1.38×10-23J/K 曲线的说明(黑体的辐射特性): M bλ随波长连续变化。对应某一个温度就有固定的一条曲线。(一旦温度确定,则M在某波长处有为一的固定 值) 温度越高,M bλ越大。(全辐射出射度M是曲线下面积) 随着温度T的升高,M的峰值波长向短波方向移动。(T再高就可见了) 黑体的辐射特性只与其温度有关,与其它参数无关。 黑体辐射亮度与观察角度无关。 (1)当c2/(λT)>>1时 ------------ 维恩公式,它仅适用于黑体辐射的短波部分 (2)当c2/(λT)<<1时, 这时普朗克公式变为 -------------- 瑞利—普金公式,它仅适用于黑体辐射的长波部分。 维恩、瑞利-普金公式和经典辐射模型的困难 维恩位移定律 令x = c2/λT X何值时M最大,应 若上式为零,须 解此方程 x = 4.9651142 即: c2/λT = 4.9651142 λT = 2898 (μm·K) -------- 维恩位移定律,其中的λ即某温度T时黑体辐射出射度Mbλ的峰值波长λm,通常写为 人体(T=310K)的峰值波长为多少? 太阳(T=6000K)的峰值波长为多少?  维恩(wien)最大发射本领定律: 描述黑体光谱辐射出射度的峰值与温度关系的公式。 将维恩位移定律代入普朗克公式 其中 B = 1.2867×10-11W·m-2·μm-1·K-5 (另书 1.2866732×10-5 W·m-3·K-5 )  意义: 1、只先知一个温度T,便知最大M 所在处 的波长及M 值。 2、M 数值随温度升高很快。(M bλm峰值升高,曲线下面积增大,M 也大) 四、斯特番—波尔兹曼定律  描述黑体全辐射出射度与温度关系的公式。 令 x = c2/λT 则 λ= c2/xT dλ=-(c2/x2T)dx (积分限λ:0~∞,则x:∞~0) 因为

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