红外物理75462

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1、第三章 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。教学方法：面授教学手段：板书+多媒体学时分配：14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。作业布置：3.1 发光种类的介绍放电 化学发光光致发光电致发光热辐射按 能 量 供 给 方 式物质内部 发生了化 学变化， 如腐木的 辉光、磷 在空气中 渐渐氧化 的辉光等

2、 。物体的发 光由预先 照射或不 断照射引 起。物体发出 的辉光是 由电的作 用直接引 起的。物体在一 定温度下 发出电磁 辐射。热辐射几点说明： 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伴随能量交换。红 外技术的应用都是基于能量交换的。n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。n普雷夫定则小实验3.2 基尔霍夫定律发射本领：即物体的辐射出射度M，通常写成MT，因M与波长和温度有关。吸收本

3、领：即物体的吸收比，也与波长和温度有关，故写成T 。二者之间关系称为基尔霍夫定律同一物体，同一温度如果有三个物体，则对于黑体MbT黑体的辐射出射度bT黑体的吸收比，bT = 1 基尔霍夫定律的描述：n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MT/T对所有物体都是一个 普适函数(即黑体的发射本领)，而MT和T两者中的每一个都随着物体而不同。n“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。基尔霍夫定律的另一种表达等温腔内的物体在热平衡状态下，物体A发射的辐射功率必等于它所吸收的辐射功率， M物体A的辐射出射

4、度 物体A的吸收率 E物体A上的辐射照度 即物体的吸收率越大，则它的辐射出射度也越大，即好的吸收体必是好的发射体。 对于不透明的物体，透射率为零，则物体的反射率这表明好的发射体必是弱的反射体。 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；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热辐射，对其它发光不成立。3.3 黑体及其辐射定律黑体是一个

5、抽象的概念，可以从几方面认识：(理论上讲)=1的物体，全吸收，没有反射和透射。(结构上讲)封闭的等温空腔内的辐射是黑体辐射。(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。3.3.1 黑体现在来证明，密闭空腔中的辐射就是黑体的辐射。真空腔体中放置的物体A是黑体，则由式(3-6)得到空腔在黑体A产生的光谱辐射照度所以等温腔内的黑体黑体的应用价值（实用意义）：标定各类辐射探测器的响应度；标定其他辐射源的辐射强度；测定红外光学系统的透射比；研究各种物质表面的热辐射特性；研究大气或其他物质对辐射的吸收或透射特性。普朗克公式是确定黑体辐射光谱分布

6、的公式，也称为普朗克定律 M b黑体的光谱辐射出射度C 真空光速C1 第一辐射常数 c1=2hc2=3.7418108Wm2C2 第二辐射常数 c2=hc/k=1.438810-16mKh 普朗克常数 6.62617610-34Jsk 波尔兹曼常数 1.3810-23J/K3.3.2 普朗克公式不同温度的黑体光谱辐射出射度曲线曲线的说明（黑体的辐射特性）：Mb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Mb在某波长处有唯一固定值。温度越高，M b越大。(全辐射出射度M是曲线下面积)随着温度T的升高，M b的峰值波长向短波方向移动。(T再高可以进入可见光)黑体的辐射特性只与

7、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。普朗克公式的两种极限情况： 当c2/(T）1时，即hc/KT，此时对应短波或低温情形，这就是维恩公式，它仅适用于黑体辐射的短波部分。当c2/(T)1时，即hc/ KT，此时对应波长或高温情形，这就是瑞利-普金公式，它仅适用于黑体辐射的长波部分。3.3.3 维恩位移定律维维恩位移定律是描述黑体光谱辐谱辐 射出射度的峰值值Mm所对应的峰值波长m与黑体绝对温度T的关系表示式。令x = c2/T，则 X何值时M最大，应即解此方程 x = 4.9651142即：c2/T = 4.9651142 则常数b=c2/x=2898.80.4mK 维恩位移定

8、律表明，黑体光谱辐射出射度峰值对应的波长与温度成反比，温度越高，辐射峰值向短波方向移动。图3-3中的虚线，就是这些峰值的轨迹。知道某一物体的温度，就知其辐射的峰值波长。例如由维恩位移定律可以计算出：人体（T=310K）辐射的峰值波长约为9.4m；太阳（看作T=6000K的黑体）的峰值波长约为0.48m。 维恩最大发射本领定律：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，得到其中 B = 1.286710-11Wm-2m-1K-5 （另书 1.286673210-5 Wm-3K-5 ）维恩定律意义：只先知一个温度T，便知最大辐射出射度Mbm所在处的波长m及Mbm

9、值。Mbm数值随温度升高很快。黑体的光谱辐射出射度峰值与绝对温度的五次方成正比，即随着温度的增加辐射曲线的峰值迅速提高。 室温下，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。描述黑体全辐射出射度与温度关系的公式斯忒藩-玻耳兹曼定律。3.3.4 斯忒藩-玻耳兹曼定律令 x=c2/T 则=c2/xT d= (c2/x2T)dx不同温度黑体光谱辐射出射度曲线1. 试求绝对黑体的温度为300K、500K的最大辐 射时的波长位置，以及在相应温度下的全辐射出射度。2. 求温度为310K时，黑体辐射的峰值波长、最大 辐射出射度、全辐射出射度。3.4 黑体辐射的简易计算1. 相对光

10、谱辐射出射度函数表f(T)表 某温度下、某波长上的光谱辐射出射度Mb和该 温度下、峰值波长处的光谱辐射出射度Mbm之比。即3.4.1 黑体辐射函数2. 相对辐射出射度函数表F(T)表某温度下、某波段的辐射出射度M0和该温度 下全辐射出射度M0之比。即从0到某波长的辐射出射度 某一波段(12)之间的辐射出射度归 一 化 f(T) 和 F(T) 函 数 值例1. 已知黑体温度T=1000K，求：(1) 峰值波长(2) 光谱辐射度峰值(3) 在=4m处的光谱辐射出射度(4) 在=35m波段的辐射出射度 3.4.2 计算举例例2. 已知人体温度T=310K(假定人体皮肤是黑体)，求(1) 其峰值波长为

11、(2) 全辐射出射度为(3) 处于紫外区，波长(00.4m)的辐射出射度为(4) 处于可见光区，波长(0.40.75m)的辐射出射度为(5) 处于红外区，波长(0.75)的辐射出射度为例3. 如太阳的温度T=6000K并认为是黑体，求其辐射特性(1) 其峰值波长为(2) 全辐射出射度为(3) 紫外区的辐射出射度为(4) 可见光区的辐射出射度为(5) 红外区的辐射出射度为课 堂 作 业1. 在火箭上将大气层外的太阳光谱记录下来，测得它的最大 辐射波长位置为465nm，如果把太阳作为黑体，计算太阳表面温度。2. 假设从火炉壁小孔用光测辐射法测得辐射出射度为 22.8W/cm2，如果把从炉壁小孔发出

12、的辐射认为是黑体辐射，计算炉内的温度。3. 如果太阳的表面温度约为5762K，半径为6.96105Km，火 星与太阳的平均距离为2.77108Km，若把太阳看成黑体，求在火星上产生的平均辐射照度。3.5 发射率和实际物体的辐射1. 半球发射率辐射体的辐射出射度与同温度下黑体的辐射出射度之比称为半球发射率，分为全量和光谱量两种。半球全发射率定义为半球光谱发射率定义为则 2. 方向发射率方向发射率，也叫做角比辐射率或定向发射本领 。它是在与辐射表面法线成角的小立体角内测量的发射率。方向全发射率定义为方向光谱发射率定义为法向发射率定义为物体发射率的一般变化规律如下：n对于朗伯辐射体，三种发射率n，(

13、)和h彼此相等。n金属的发射率是较低的，但它随温度的升高而增高， 并且当表面形成氧化层时，可以成10倍或更大倍数地 增高n非金属的发射率要高些，一般大于0.8，并随温度的增 加而降低。n金属及其他非透明材料，涂敷或刷漆的表面发射率是 涂层本身的特性。n介质的光谱发射率随波长变化而变化各种材料的光谱发射率3.6 辐射对比度和辐射测温辐射对比度定义为目标和背景辐射出射度之差与背景辐射出射度之比，即目标在12波长间隔的辐射出射度背景在12波长间隔的辐射出射度3.6.1 辐射对比度不同波带对辐射比度比较1. 波长从0全波带的对比度2. 波长从3.5 5m波带对比度3. 波长从814m波带对比度热导数：

14、光谱辐射出射度与温度的微分若普朗克公式的热导数为 辐射出射度与温度的微分关系为 波段（W/m2K） 1/m2/mT=280KT=290KT=300KT=310K351.1010-1 1.5410-12.1010-12.8110-135.52.1010-1 2.7310-13.6210-14.7210-13.551.0610-1 1.4710-12.0010-12.6510-13.55.51.9710-12.6610-13.5210-14.5710-1459.1810-21.2610-11.6910-12.2310-145.51.8310-12.4510-13.2210-14.1410-1810

15、8.4710-19.6510-11.091.218121.581.771.972.178142.152.382.622.8610127.34110-18.0810-18.8110-19.5510-110141.301.421.531.6510-112145.6710-16.1010-16.5210-16.9210-1关系曲线因为所以最大对比度波长c与辐射峰值波长m的关系满足300K是通常地面背景的温度。其c近似为8m，所以，在不考虑其他因素的情况下，热像仪观察地面目标时， 采用814m波段最为理想。 3.6.2 辐射测温辐射温度：若仪器根据物体的总辐射量而定温，所得的是物体的辐射温度T ；色温度：若仪器根据两个或多个特征波长上的辐射而定温，则所得到的温度是物体的色温度Ts；亮温度：若仪器只根据某一个特征波长上的辐射而定温，则所得到的是物体的亮温度Tl。1. 辐射温度设有一物体的真实温度为T，发射率为(T)，辐射出射度为M(T)。当该物体的辐射出射度与某一温度的黑体辐射出射度相等时，这个黑体的温度就叫 做该物体的辐射温度T。即 (3-33)得