热辐射的基本规律.ppt

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1、第三章热辐射的基本规律1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。2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

2、为发光，在红外部分通常称为辐射。红外辐射的发射和接收是都热交换。红外技术的应用都是基于热交换的。3发光分三种光致发光（泵浦）电致发光化学发光（鬼火）放电激发辉光放电弧光放电4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5§3-1基尔霍夫定律发射本领：即物体的辐射出射度M，通常写成MλT，因为M=f（λ、T）吸收本领：即物体的吸收比α，α也与波长和温度有关，故写成αλT。二者之间关系（称为基尔霍夫定

3、律）6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）7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

4、亦然。8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。9§3-2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

5、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。10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）11普朗克公式：Mbλ——黑体的光谱辐射出射度c——真空光速c1——第一辐射常数c1=2πhc2=3.74

6、18×10-16W·m2c2——第二辐射常数c2=hc/k=0.014388m·Kh——普朗克常数6.626176×10-34J·sk——波尔兹曼常数1.38×10-23J/K1213曲线的说明（黑体的辐射特性）：Mbλ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Mbλ在某波长处有唯一的固定值）温度越高，Mbλ越大。（全辐射出射度Mb是曲线下面积）随着温度T的升高，Mbλ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

7、观察角度无关。14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15（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。16瑞利－金斯公式和经典辐射模型的困难两种近似式在不同λ

8、T值时的计算误差17维恩位移定律令x=c2/λTX何值时M最大，应18若上式为零须解此方程x=4.9651142即：c2/λT=4.9651142λT=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=019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1.2866732×10-5W·m-3·K-5）2