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三热辐射的基本规律;教学目的:在红外物理(技术)及其应用的科学实践和工程设计中,经常会遇到各种形式的辐射源发出辐射的问题和测量问题,解决这些问题依据的就是本章所学习的几个基本定律。本章要学习的基本规律有基尔霍夫定律、普朗克公式、维恩位移定律、斯特藩-玻耳兹曼定律的基本概念、定义及计算。
学时分配:8
重点、难点:普朗克公式、维恩位移定律、斯特藩-玻耳兹曼定律的基本概念及计算。
;引言;发光分三种 ;普雷夫定则:在单位时间内,如果两个物体吸收的能量不同,则它们发射的能量也不同。即在单位时间内,一个物体发出的能量等于它吸收的能量。
普雷夫定则小实验 ;§3-1 基尔霍夫定律;如果有三个物体,则
即所有的物体,它们的发射本领与发射本领之比都是相同的一个常数(在相同温度、相同波长条件下)。
式中 MbλT——黑体的辐射出射度。
αbλT——黑体的吸收比, αbλT = 1
(黑体的定义);基尔霍夫定律的描述:
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。;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。;§3-2 黑体及其辐射定律;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=3.7418×10-16W·m2
c2—— 第二辐射常数 c2=hc/k=0.014388m·K
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 bλ在某波长处有唯一的固定值)
温度越高,M bλ越大。(全辐射出射度Mb是曲线下面积)
随着温度T的升高,M bλ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。;普朗克公式在以下两种极限条件下的情况:
(1)当c2/(λT)>>1时,即hc/λ>>KBT,此时对应短波或低温情形,普朗克公式中的指数项远大于1,故可以把分母中的1忽略,这时普朗克公式变为
这就是维恩公式,它仅适用于黑体辐射的短波部分 ;(2)当c2/(λT)<<1时,即hc/λ<<KBT,此时对应长波或高温情形,可将普朗克公式中的指数项展成级数,并取前两项
这时普朗克公式变为
这就是瑞利—普金公式,它仅适用于黑体辐射的长波部分。 ;瑞利-金斯公式和经典辐射模型的困难
;维恩位移定律;若上式为零
须
解此方程 x = 4.9651142
即:c2/λT = 4.9651142
λT = 2898 (μm·K)
此乃维恩位移定律,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 ; 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
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