大學物理：第五章 紅外與遙感技術(shù)

1、紅外技術(shù)紅外技術(shù)11800 年英國的天文學家年英國的天文學家赫謝耳赫謝耳（Herschel） 用分光棱鏡將太陽光分解成從紅色到紫色的單色光，用分光棱鏡將太陽光分解成從紅色到紫色的單色光，依次測量不同顏色光的熱效應(yīng)。依次測量不同顏色光的熱效應(yīng)。 發(fā)現(xiàn)，當水銀溫度計移到紅色光譜邊界以外，發(fā)現(xiàn)，當水銀溫度計移到紅色光譜邊界以外， 人眼看不見有任何光線的黑暗區(qū)的時候，人眼看不見有任何光線的黑暗區(qū)的時候， 溫度反而比紅光區(qū)域的溫度更高。溫度反而比紅光區(qū)域的溫度更高。實驗證明，在紅光外側(cè)，存在一種人眼看不見的實驗證明，在紅光外側(cè)，存在一種人眼看不見的“熱線熱線”，后來稱為后來稱為“紅外線紅外線”，也稱，也

2、稱“紅外輻射紅外輻射”。2紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。這種輻射的量主要由這個這種輻射的量主要由這個 物體的溫度和材料本身的性質(zhì)決定。物體的溫度和材料本身的性質(zhì)決定。熱輻射的強度及光譜成分取決于輻射體的熱輻射的強度及光譜成分取決于輻射體的溫度溫度，溫度這個物理量對熱輻射現(xiàn)象起著決定性的作用。溫度這個物理量對熱輻射現(xiàn)象起著決定性的作用。手持式紅外測溫儀手持式紅外測溫儀345紅外線除具有紅外線除具有 幾何光學幾何光學（直線傳播，遵守反射、折射定律）、（直線傳播，遵守反射、折射定律）、波動光學波動光學（具有散射、干涉和偏振等特性）的性質(zhì)外，（具有散射、干涉和偏振等特性）的性

3、質(zhì)外，還有其自身獨特的性質(zhì)。還有其自身獨特的性質(zhì)。6人眼看不見紅外線，在研究與應(yīng)用紅外輻射時，人眼看不見紅外線，在研究與應(yīng)用紅外輻射時， 就要尋找對紅外輻射敏感的探測器件；就要尋找對紅外輻射敏感的探測器件；紅外線的熱效應(yīng)比可見光顯著得多；紅外線的熱效應(yīng)比可見光顯著得多；任何溫度高于絕對零度的物質(zhì)都產(chǎn)生紅外輻射。任何溫度高于絕對零度的物質(zhì)都產(chǎn)生紅外輻射。人體是很好的熱輻射源，人體是很好的熱輻射源， 同時人體對紅外輻射也有較高的吸收率。同時人體對紅外輻射也有較高的吸收率。7紅外技術(shù)是研究紅外輻射的紅外技術(shù)是研究紅外輻射的產(chǎn)生、傳播、轉(zhuǎn)化、測量及其應(yīng)用的技術(shù)科學。產(chǎn)生、傳播、轉(zhuǎn)化、測量及其應(yīng)用的技術(shù)

4、科學。研究紅外輻射的性質(zhì)，研究紅外輻射的性質(zhì)， 其中有受熱物體所發(fā)射的輻射其中有受熱物體所發(fā)射的輻射 在光譜、強度和方向的分布；在光譜、強度和方向的分布；輻射在媒質(zhì)中的傳播特性輻射在媒質(zhì)中的傳播特性 反射、折射、衍射和散射；反射、折射、衍射和散射；熱電效應(yīng)和光電效應(yīng)等。熱電效應(yīng)和光電效應(yīng)等。紅外元件、部件的研制，紅外元件、部件的研制， 包括輻射源、微型制冷器、包括輻射源、微型制冷器、 紅外窗口材料和濾光電等。紅外窗口材料和濾光電等。紅外技術(shù)在軍事上和紅外技術(shù)在軍事上和 國民經(jīng)濟中的應(yīng)用。國民經(jīng)濟中的應(yīng)用。8一一 紅外輻射源紅外輻射源實驗證明，實驗證明，一切高于絕對零度的物體都會輻射紅外線。一切

5、高于絕對零度的物體都會輻射紅外線。我們稱這種現(xiàn)象為紅外輻射，我們稱這種現(xiàn)象為紅外輻射，因此，到處都是紅外輻射源，到處都充滿著紅外線。因此，到處都是紅外輻射源，到處都充滿著紅外線。 太陽，地球，高山大海，森林湖泊，冰天雪地，太陽，地球，高山大海，森林湖泊，冰天雪地，活動在地面、水面和空中的軍事裝置：活動在地面、水面和空中的軍事裝置： 如坦克、車輛、軍艦、飛機，如坦克、車輛、軍艦、飛機，照明燈、火爐，一杯熱茶，照明燈、火爐，一杯熱茶，人體自身就是一個紅外線源人體自身就是一個紅外線源其他的星球，甚至人造地球衛(wèi)星，宇宙飛船其他的星球，甚至人造地球衛(wèi)星，宇宙飛船 9由于紅外線的波長大于可見光波長，由于紅

6、外線的波長大于可見光波長， 頻率比可見光小，頻率比可見光小， 因此紅外光子的能量明顯小于可見光光子因此紅外光子的能量明顯小于可見光光子，但紅外線的熱效應(yīng)比可見光顯著得多，但紅外線的熱效應(yīng)比可見光顯著得多， 因此紅外輻射又稱熱輻射。因此紅外輻射又稱熱輻射。在溫度低于在溫度低于500時，一般的物體不會發(fā)出可見光，時，一般的物體不會發(fā)出可見光， 但能產(chǎn)生紅外線，發(fā)出熱輻射。但能產(chǎn)生紅外線，發(fā)出熱輻射。在工業(yè)應(yīng)用上，典型的紅外輻射源有：在工業(yè)應(yīng)用上，典型的紅外輻射源有： 標準輻射源標準輻射源（能斯脫燈、硅碳棒、絕對黑體模型）；（能斯脫燈、硅碳棒、絕對黑體模型）； 工程用輻射源工程用輻射源（白熾燈、電發(fā)

7、光輻射器、弧光燈等）；（白熾燈、電發(fā)光輻射器、弧光燈等）； 激光器激光器（氣體激光器、固體激光器、半導體激光器等）。（氣體激光器、固體激光器、半導體激光器等）。從紅外探測技術(shù)方面看，又可將紅外輻射源分為四類：從紅外探測技術(shù)方面看，又可將紅外輻射源分為四類： 作為輻射標準的作為輻射標準的黑體輻射黑體輻射源；源； 作為標準輻射源的主動式紅外人工輻射源；作為標準輻射源的主動式紅外人工輻射源； 紅外系統(tǒng)在進行探測、定位和識別時使用的目標輻射源；紅外系統(tǒng)在進行探測、定位和識別時使用的目標輻射源； 干擾紅外系統(tǒng)探測的背景輻射源。干擾紅外系統(tǒng)探測的背景輻射源。 101. 電熱固體紅外輻射源電熱固體紅外輻射源

8、（1）能斯脫燈）能斯脫燈（2）硅碳棒）硅碳棒（3）鎢燈）鎢燈（4）乳白石英加熱管）乳白石英加熱管2. 氣體放電輻射源氣體放電輻射源（1）氙燈）氙燈（2）水銀燈）水銀燈（3）碳弧）碳弧3. 紅外激光器紅外激光器4. 紅外發(fā)光二極管紅外發(fā)光二極管5. 自然紅外輻射源自然紅外輻射源（1）太陽輻射）太陽輻射（2）地面和云層的輻射）地面和云層的輻射（3）天空的輻射）天空的輻射6. 目標紅外輻射源目標紅外輻射源（1）飛機的輻射）飛機的輻射（2）坦克的輻射）坦克的輻射（3）火炮的輻射）火炮的輻射（4）火箭的輻射）火箭的輻射（5）人體的輻射）人體的輻射111. 電熱固體紅外輻射源電熱固體紅外輻射源（1）能斯脫

9、燈）能斯脫燈是近代紅外技術(shù)中常用的輻射光源之一，是近代紅外技術(shù)中常用的輻射光源之一，由氧化鋯和氧化釓及少量其他物質(zhì)混合制成的由氧化鋯和氧化釓及少量其他物質(zhì)混合制成的 棒狀或管狀棒狀或管狀固體紅外輻射源固體紅外輻射源。長度約長度約3cm，直徑約，直徑約3mm，兩端纏鉑絲并與電路相連接，用直流或交流供電，兩端纏鉑絲并與電路相連接，用直流或交流供電，工作溫度可達工作溫度可達2000K。能斯脫燈典型參數(shù)值為：能斯脫燈典型參數(shù)值為： 功率消耗功率消耗45W、0. 1 A； 工作溫度工作溫度TC = 1980K； 尺寸尺寸 3.1 mm12.7 mm。 12能斯脫燈在室溫下是絕緣體，能斯脫燈在室溫下是絕緣

10、體，在點燃之前需加在點燃之前需加230V左右的電壓。左右的電壓。用電熱絲或酒精燈將能斯脫燈用電熱絲或酒精燈將能斯脫燈 預(yù)熱到預(yù)熱到800左右時，左右時，棒（或管）即開始導電，棒（或管）即開始導電， 具有負阻效應(yīng)，具有負阻效應(yīng)，故電路中需加入限流器。故電路中需加入限流器。能斯脫燈的主要優(yōu)點是：能斯脫燈的主要優(yōu)點是： 可以在空氣中點燃（需玻璃外殼及紅外透射窗）。可以在空氣中點燃（需玻璃外殼及紅外透射窗）。 能斯脫燈的缺點是機械強度低，工作壽命短，能斯脫燈的缺點是機械強度低，工作壽命短，表面部分的輻射狀況常受空氣擾動變化不定，表面部分的輻射狀況常受空氣擾動變化不定，起燃也比較麻煩。起燃也比較麻煩。

11、1314（2）硅碳棒）硅碳棒1. 電熱固體紅外輻射源電熱固體紅外輻射源是用含是用含SiC超過超過95的材料制成的棒狀或管狀輻射源。的材料制成的棒狀或管狀輻射源。硅碳棒的直徑為硅碳棒的直徑為650mm，長度從幾厘米到，長度從幾厘米到lm左右。左右?？梢栽诳諝庵兄苯油娂訜?，工作溫度在可以在空氣中直接通電加熱，工作溫度在1500K以下。以下。若溫度超過若溫度超過1500K，則棒體將被氧化而損壞。，則棒體將被氧化而損壞。如果在棒表面涂上二氧化鈦保護層，如果在棒表面涂上二氧化鈦保護層，則可使工作溫度提高到則可使工作溫度提高到2200K。 1516（3）鎢燈）鎢燈1. 電熱固體紅外輻射源電熱固體紅外輻射

12、源鹵鎢燈 將鎢絲裝在一個充滿惰性氣體將鎢絲裝在一個充滿惰性氣體并帶有紅外透射窗口的燈泡內(nèi)，并帶有紅外透射窗口的燈泡內(nèi)， 可以延長紅外波段?？梢匝娱L紅外波段。根據(jù)不同需要，根據(jù)不同需要，燈絲可做成各種形狀，燈絲可做成各種形狀，鎢燈的供電電源要求穩(wěn)定。鎢燈的供電電源要求穩(wěn)定。 17（4）乳白石英加熱管）乳白石英加熱管1. 電熱固體紅外輻射源電熱固體紅外輻射源乳白石英加熱管是以天然水晶為原料，乳白石英加熱管是以天然水晶為原料，在以石墨電極為坩堝發(fā)射體的真空電阻爐中在以石墨電極為坩堝發(fā)射體的真空電阻爐中 熔融（熔融（1740）拉制而成。）拉制而成。在熔融過程中，使氣體在熔體中形成大量的小氣泡，在熔融過

13、程中，使氣體在熔體中形成大量的小氣泡，故外觀呈乳白色狀。故外觀呈乳白色狀。乳白石英玻璃材料耐熱性能好乳白石英玻璃材料耐熱性能好 （可耐（可耐2001300高溫），熱膨脹系數(shù)低，高溫），熱膨脹系數(shù)低，有優(yōu)良的抗熱震性能和電絕緣性能，有優(yōu)良的抗熱震性能和電絕緣性能，還具有很好的化學穩(wěn)定性，還具有很好的化學穩(wěn)定性，但機械強度和耐沖擊性能較差。但機械強度和耐沖擊性能較差。18工作溫度范圍廣，通常為工作溫度范圍廣，通常為400 500，也可制作表溫為也可制作表溫為750以下、以下、 100以上的加熱輻射源。以上的加熱輻射源。升溫降溫快，升溫降溫快， 只需只需7 10 min（SiC板需板需3035 mi

14、n）。）。外表純凈潔白，外表純凈潔白， 可以用在工藝衛(wèi)生要求很高的地方?？梢杂迷诠に囆l(wèi)生要求很高的地方。19202. 氣體放電輻射源氣體放電輻射源當電流通過氣體媒質(zhì)時，會產(chǎn)生多種放電現(xiàn)象，當電流通過氣體媒質(zhì)時，會產(chǎn)生多種放電現(xiàn)象，常見的有輝光放電和弧光放電兩類。常見的有輝光放電和弧光放電兩類。各種氣體放電輻射源的結(jié)構(gòu)基本相同。各種氣體放電輻射源的結(jié)構(gòu)基本相同。A和和C是放電燈的電極，是放電燈的電極，A是陽極，是陽極，C是陰極。是陰極。G為氣體介質(zhì)，它不應(yīng)與管殼和電極材料發(fā)生化學反應(yīng)，為氣體介質(zhì)，它不應(yīng)與管殼和電極材料發(fā)生化學反應(yīng)，可選用惰性氣體或金屬及金屬化合物蒸氣?？蛇x用惰性氣體或金屬及金屬

15、化合物蒸氣。21當把燈接入電源，就會放電發(fā)光。當把燈接入電源，就會放電發(fā)光。發(fā)光的基本過程可分為三個階段：發(fā)光的基本過程可分為三個階段：自由電子被外電場加速；自由電子被外電場加速；被加速的電子與氣體原子碰撞，使氣體原子受激；被加速的電子與氣體原子碰撞，使氣體原子受激；當受激原子返回基態(tài)時，則以輻射的形式釋放能量。當受激原子返回基態(tài)時，則以輻射的形式釋放能量。根據(jù)放電機制的不同，可制成多種氣體放電輻射源。根據(jù)放電機制的不同，可制成多種氣體放電輻射源。222. 氣體放電輻射源氣體放電輻射源（1）氙燈）氙燈利用惰性氣體的放電現(xiàn)象可以制成輻射源。利用惰性氣體的放電現(xiàn)象可以制成輻射源。超高壓下的氬、氪、

16、氙等惰性氣體超高壓下的氬、氪、氙等惰性氣體在紫外和可見光區(qū)域具有連續(xù)光譜，在紫外和可見光區(qū)域具有連續(xù)光譜，而在紅外波段則有明顯的線光譜疊加在連續(xù)光譜上。而在紅外波段則有明顯的線光譜疊加在連續(xù)光譜上。在惰性氣體中，以氙氣放電最為常用，在惰性氣體中，以氙氣放電最為常用，由它制成的輻射源叫做氙燈。由它制成的輻射源叫做氙燈。氙燈是一種在橢球形石英泡殼內(nèi)氙燈是一種在橢球形石英泡殼內(nèi) 充有充有0.0190.0266MPa高壓高壓氙氣、氙氣、 極間距離小于極間距離小于10mm的氙燈。的氙燈。23超高壓短弧氙燈的超高壓短弧氙燈的光譜光譜分布分布 超高壓短弧氙燈已成為電影放映光源超高壓短弧氙燈已成為電影放映光源

17、 242. 氣體放電輻射源氣體放電輻射源（2）水銀燈）水銀燈利用金屬蒸氣的放電現(xiàn)象可以制做輻射源，利用金屬蒸氣的放電現(xiàn)象可以制做輻射源，水銀燈就是利用水銀蒸氣的放電現(xiàn)象而制成的。水銀燈就是利用水銀蒸氣的放電現(xiàn)象而制成的。低壓水銀燈主要產(chǎn)生紫外輻射。低壓水銀燈主要產(chǎn)生紫外輻射。高壓水銀燈可產(chǎn)生強的紫外線和可見輻射，高壓水銀燈可產(chǎn)生強的紫外線和可見輻射， 同時也產(chǎn)生近紅外光，同時也產(chǎn)生近紅外光，這種燈廣泛用于實驗室作為單色光譜來標定光譜儀器。這種燈廣泛用于實驗室作為單色光譜來標定光譜儀器。超高壓水銀燈隨著水銀蒸氣壓的升高，超高壓水銀燈隨著水銀蒸氣壓的升高， 在紅外波段的輻射能也相應(yīng)地增加，在紅外波

18、段的輻射能也相應(yīng)地增加， 并且譜線變寬，形成連續(xù)光譜。并且譜線變寬，形成連續(xù)光譜。 當壓力達當壓力達20 MPa 時，紅外輻射占全部輻射的時，紅外輻射占全部輻射的34 %，因此它是一種良好的近紅外輻射源。因此它是一種良好的近紅外輻射源。25高壓水銀燈的高壓水銀燈的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu): 燈管用石英玻璃制成，管內(nèi)充以水銀蒸氣及少量氫氣。燈管用石英玻璃制成，管內(nèi)充以水銀蒸氣及少量氫氣。正常工作時，燈管內(nèi)的水銀蒸氣壓為正常工作時，燈管內(nèi)的水銀蒸氣壓為 0.10.5 MPa。在輔助電極與相鄰的主電極間加有在輔助電極與相鄰的主電極間加有220V的交流電壓。的交流電壓。由于電極之間的間距很近（約由于電極之間的間距很近

19、（約23 mm），），形成很強的電場，因而電極間的氣體被擊穿，形成很強的電場，因而電極間的氣體被擊穿，發(fā)生輝光放電，產(chǎn)生大量電子和離子，發(fā)生輝光放電，產(chǎn)生大量電子和離子，這些帶電粒子在電場作用下產(chǎn)生繁流過程，這些帶電粒子在電場作用下產(chǎn)生繁流過程，并過渡到兩主電極之間的弧光放電。并過渡到兩主電極之間的弧光放電。 26（3）碳?。┨蓟?. 氣體放電輻射源氣體放電輻射源碳弧是開放式放電，碳弧是開放式放電，電弧發(fā)生在大氣中的兩個碳棒之間。電弧發(fā)生在大氣中的兩個碳棒之間。為使電弧保持穩(wěn)定，陽極做成有芯結(jié)構(gòu)，為使電弧保持穩(wěn)定，陽極做成有芯結(jié)構(gòu)，一般由外殼和燈芯形成，采用純碳素材料一般由外殼和燈芯形成，采用

20、純碳素材料 （炭黑、石墨、焦炭）制作，只是燈芯材料較軟。（炭黑、石墨、焦炭）制作，只是燈芯材料較軟。放電時，陽極大量放熱，造成碳的蒸發(fā)，放電時，陽極大量放熱，造成碳的蒸發(fā)，而燈芯的蒸發(fā)比外殼厲害得多，而燈芯的蒸發(fā)比外殼厲害得多，因此便在陽極中心形成穩(wěn)定的噴火口（弧坎）。因此便在陽極中心形成穩(wěn)定的噴火口（弧坎）。碳弧的輻射約碳弧的輻射約 90是從陽極發(fā)出，是從陽極發(fā)出，其中主要是熱輻射。其中主要是熱輻射。27碳弧的輻射光譜是由熾熱電極的連續(xù)光譜碳弧的輻射光譜是由熾熱電極的連續(xù)光譜 和氣體混合物的特征譜線及帶光譜迭加而成和氣體混合物的特征譜線及帶光譜迭加而成 28293. 紅外激光器紅外激光器激光

21、器的種類繁多，可以對激光器進行不同的分類。激光器的種類繁多，可以對激光器進行不同的分類。按按工作物質(zhì)工作物質(zhì)分類，分類， 可分為固體（含半導體）、液體（含染料）、可分為固體（含半導體）、液體（含染料）、 氣體（含分子的、原子的、離子的）激光器。氣體（含分子的、原子的、離子的）激光器。按按泵浦方式泵浦方式分類，分類， 可分為光泵式、電泵式和化學反應(yīng)式激光器。可分為光泵式、電泵式和化學反應(yīng)式激光器。按按工作方式工作方式分類，分類， 可分為連續(xù)式（可分為連續(xù)式（CW）和脈沖式，）和脈沖式， 其中脈沖式又可為標準式、其中脈沖式又可為標準式、 Q 開關(guān)式和鎖模式等幾類激光器。開關(guān)式和鎖模式等幾類激光器。

22、按按輸出波長輸出波長分類，分類， 可分為紫外、可見和紅外激光器等?？煞譃樽贤?、可見和紅外激光器等。30由于激光器輸出的激光由于激光器輸出的激光 方向性強、單色性好、方向性強、單色性好、 亮度高和相位一致等優(yōu)良特性，亮度高和相位一致等優(yōu)良特性，自激光問世以來，得到了很好的開發(fā)和應(yīng)用。自激光問世以來，得到了很好的開發(fā)和應(yīng)用。紅外激光器是一類新型的紅外輻射光源紅外激光器是一類新型的紅外輻射光源 氦氖激光器氦氖激光器半導體激光器半導體激光器31典型紅外激光器典型紅外激光器 324. 紅外發(fā)光二極管紅外發(fā)光二極管紅外發(fā)光二極管（紅外發(fā)光二極管（IRLED），），通常采用復合幾率高的通常采用復合幾率高的

23、直接帶隙半導體材料制造，直接帶隙半導體材料制造，如：如：GaAs。所發(fā)射出來的光是波長在所發(fā)射出來的光是波長在750nm以上的光。以上的光。IRLED與普通與普通LED一樣，一樣，具有外形尺寸小、質(zhì)量輕、可靠性高、壽命長等特點。具有外形尺寸小、質(zhì)量輕、可靠性高、壽命長等特點。與紅外激光器相比，與紅外激光器相比， IRLED在成本、穩(wěn)定性方面具較大優(yōu)勢、在成本、穩(wěn)定性方面具較大優(yōu)勢、因而也具有廣泛的用途。因而也具有廣泛的用途。335. 自然紅外輻射源自然紅外輻射源在自然界中，太陽、月亮、星星、地面、云層等在自然界中，太陽、月亮、星星、地面、云層等 均是自然紅外輻射源。均是自然紅外輻射源。太陽、地

24、球、行星是宇宙空間的點源，太陽、地球、行星是宇宙空間的點源， 可用于宇宙飛船的定向?？捎糜谟钪骘w船的定向。太陽和地球的紅外輻射可用來太陽和地球的紅外輻射可用來 確定人造地球衛(wèi)星表面的受熱溫度。確定人造地球衛(wèi)星表面的受熱溫度。在某些情況下，在某些情況下， 自然源的輻射會干擾紅外儀器的工作。自然源的輻射會干擾紅外儀器的工作。34（1）太陽輻射）太陽輻射太陽是最強的自然紅外輻射源，太陽是最強的自然紅外輻射源， 其輻射強度達其輻射強度達6200 W/cm2。 太陽輻射譜，特別是在紅外波段，太陽輻射譜，特別是在紅外波段， 與與6000K的黑體輻射相當符合的黑體輻射相當符合 35太陽的光譜從波長為太陽的光

25、譜從波長為10 nm 或者更短的或者更短的X射線射線 一直延伸到波長大于一直延伸到波長大于100m的無線電波。的無線電波。但只有但只有 0.33m波段的太陽輻射到達地球表面，波段的太陽輻射到達地球表面，更短和更長波長的輻射被地球大氣所吸收。更短和更長波長的輻射被地球大氣所吸收。36在距太陽平均日在距太陽平均日-地距離外測得太陽的能量地距離外測得太陽的能量有有99.9是集中在是集中在0.21710.94m的波段，的波段，其中約有其中約有50的能量在紅外區(qū)域，的能量在紅外區(qū)域， 40的能量在可見光部分，的能量在可見光部分，9的能量在紫外波段。的能量在紫外波段。37（2）地面和云層的輻射）地面和云層

26、的輻射在白天，地球表面的紅外輻射由兩部分組成，在白天，地球表面的紅外輻射由兩部分組成， 即即地球本身的熱輻射地球本身的熱輻射和和反射的太陽輻射反射的太陽輻射。 在夜間，反射的太陽輻射部分消失了。在夜間，反射的太陽輻射部分消失了。 38白天的白天的雪地、草地、土壤和沙地雪地、草地、土壤和沙地的光譜輻射亮度曲線的光譜輻射亮度曲線 這些曲線與這些曲線與35黑體輻射曲線進行比較，黑體輻射曲線進行比較， 輻射與發(fā)射率為輻射與發(fā)射率為0.9以上的灰體的輻射一樣。以上的灰體的輻射一樣。 3940研究地球?qū)τ钪婵臻g的紅外輻射，研究地球?qū)τ钪婵臻g的紅外輻射， 就涉及到大氣就涉及到大氣-地球系統(tǒng)的輻射，地球系統(tǒng)的

27、輻射，因大部分地球表面經(jīng)常被云層所覆蓋。因大部分地球表面經(jīng)常被云層所覆蓋。41在不同厚度云層覆蓋的情況下，在不同厚度云層覆蓋的情況下， 被地球反射的太陽輻射的相對分布被地球反射的太陽輻射的相對分布云層下面的本征熱輻射可與云層下面的本征熱輻射可與273K黑體的輻射相比擬；黑體的輻射相比擬；云層上表面的輻射約與溫度為云層上表面的輻射約與溫度為230K的物體輻射相近。的物體輻射相近。42冬天和夏天云空的光譜輻射亮度的分布曲線冬天和夏天云空的光譜輻射亮度的分布曲線43（3）天空的輻射）天空的輻射白天和夜晚的天空輻射可白天和夜晚的天空輻射可 干擾紅外儀器工作的輻射背景。干擾紅外儀器工作的輻射背景。為了減

28、少天空背景輻射對紅外裝置靈敏度的影響，為了減少天空背景輻射對紅外裝置靈敏度的影響，可以采用窄帶濾光片和電子濾波器等多種方法，可以采用窄帶濾光片和電子濾波器等多種方法，同時還需了解天空輻射的各種特征和分布規(guī)律。同時還需了解天空輻射的各種特征和分布規(guī)律。4445白天和黑夜晴朗天空的輻射譜（相對分布）白天和黑夜晴朗天空的輻射譜（相對分布）46白天和黑夜晴朗天空的輻射譜（相對分布）白天和黑夜晴朗天空的輻射譜（相對分布）476. 目標紅外輻射源目標紅外輻射源所謂目標就是指所設(shè)計的紅外系統(tǒng)要探測、定位或所謂目標就是指所設(shè)計的紅外系統(tǒng)要探測、定位或識別的那些物體。任何一個實際的工業(yè)或軍事目標，識別的那些物體

29、。任何一個實際的工業(yè)或軍事目標，可以是一個點輻射源，也可以是一個擴展輻射源?？梢允且粋€點輻射源，也可以是一個擴展輻射源。若已知目標的一些特性，如溫度、尺寸、結(jié)構(gòu)、發(fā)若已知目標的一些特性，如溫度、尺寸、結(jié)構(gòu)、發(fā)射率、反射比等，如何求得整個目標的輻射量數(shù)值，射率、反射比等，如何求得整個目標的輻射量數(shù)值，是系統(tǒng)設(shè)計中首先要考慮的問題。是系統(tǒng)設(shè)計中首先要考慮的問題。目標的輻射通常目標的輻射通常由兩部分組成，即本身的發(fā)射輻射和對背景輻射的由兩部分組成，即本身的發(fā)射輻射和對背景輻射的反射輻射。反射輻射。如果是透射體，還應(yīng)包括背景輻射的透如果是透射體，還應(yīng)包括背景輻射的透射輻射。射輻射。目標往往是復合體或群

30、體，在計算中必須目標往往是復合體或群體，在計算中必須同時考慮上述因素，將它們的影響加起來，才能獲同時考慮上述因素，將它們的影響加起來，才能獲得目標總的輻射。得目標總的輻射。48（1）飛機的輻射）飛機的輻射各種類型的飛機、導彈、火箭和衛(wèi)星等各種類型的飛機、導彈、火箭和衛(wèi)星等 空中目標都構(gòu)成重要的紅外輻射源?？罩心繕硕紭?gòu)成重要的紅外輻射源。飛機的輻射主要包括飛機的輻射主要包括 發(fā)動機殼體及尾噴管的輻射、發(fā)動機殼體及尾噴管的輻射、 尾焰（排出的廢氣）輻射、尾焰（排出的廢氣）輻射、 以及高速飛行時的蒙皮輻射。以及高速飛行時的蒙皮輻射。但不同類型的飛機，但不同類型的飛機， 其輻射的強度和分布具有很大差別

31、。其輻射的強度和分布具有很大差別。49螺旋槳飛機螺旋槳飛機發(fā)動機外殼溫度較低（發(fā)動機外殼溫度較低（80 100），），發(fā)射率（發(fā)射率（0.2 0.45）、輻射功率也較小，）、輻射功率也較小，其排氣管溫度在接近集氣管部分為其排氣管溫度在接近集氣管部分為650 800 ，到接近排氣口處溫度降到到接近排氣口處溫度降到250 350，表面發(fā)射率可達表面發(fā)射率可達0.8 0.9。這類飛機的總輻射中，這類飛機的總輻射中，廢氣和發(fā)動機外殼的輻射占廢氣和發(fā)動機外殼的輻射占35 45%，其余則是排氣管的輻射。其余則是排氣管的輻射。50噴氣式飛機噴氣式飛機的輻射主要來源于尾噴管熱金屬輻射和尾的輻射主要來源于尾噴管

32、熱金屬輻射和尾焰輻射，其次是高速飛行時的蒙皮輻射。尾噴管實際焰輻射，其次是高速飛行時的蒙皮輻射。尾噴管實際上是一個被排出氣體加熱的圓柱形腔體，可以把它看上是一個被排出氣體加熱的圓柱形腔體，可以把它看作是作是L / R=3 8的腔形黑體輻射源，其有效發(fā)射率約的腔形黑體輻射源，其有效發(fā)射率約為為0.9，輻射面積等于排氣噴嘴面積，輻射溫度等于，輻射面積等于排氣噴嘴面積，輻射溫度等于排出氣體的溫度（排出氣體的溫度（400 700）。）。515253伊爾伊爾28、米格、米格15、米格、米格21等飛機噴口的等飛機噴口的 輻射強度的角分布輻射強度的角分布54米格米格15M飛機噴口的紅外輻射光譜飛機噴口的紅外

33、輻射光譜55三叉戟飛機噴口的紅外輻射光譜三叉戟飛機噴口的紅外輻射光譜56（2）坦克的輻射）坦克的輻射坦克的背景輻射特性比較復雜，既有各種地形地貌坦克的背景輻射特性比較復雜，既有各種地形地貌（山谷、河流、樹林、沙漠等）的差異，又有季節(jié)（山谷、河流、樹林、沙漠等）的差異，又有季節(jié)變化帶來的背景變化（大雪、植被四季變化等）。變化帶來的背景變化（大雪、植被四季變化等）。坦克的紅外輻射能是由大量熱耗產(chǎn)生的，其中發(fā)動坦克的紅外輻射能是由大量熱耗產(chǎn)生的，其中發(fā)動機能量的機能量的60是損失于熱耗，此外，傳動齒輪也是是損失于熱耗，此外，傳動齒輪也是高熱集中點。坦克的輻射包括自身輻射和反射輻射高熱集中點。坦克的輻

34、射包括自身輻射和反射輻射兩部分，其自身輻射與坦克的形狀、面積、溫度、兩部分，其自身輻射與坦克的形狀、面積、溫度、輻射方向、發(fā)射率等因素有關(guān)。坦克在冬、夏季與輻射方向、發(fā)射率等因素有關(guān)。坦克在冬、夏季與背景的平均溫差分別是背景的平均溫差分別是6.9和和5.25 。坦克涂漆表。坦克涂漆表面的發(fā)射率一般約為面的發(fā)射率一般約為0.9，但由于日曬夜露，發(fā)射率，但由于日曬夜露，發(fā)射率會有所變化，而灰塵與污染會加劇這種效應(yīng)。會有所變化，而灰塵與污染會加劇這種效應(yīng)。5758（3）火炮的輻射）火炮的輻射5960（4）火箭的輻射）火箭的輻射飛行中的彈道火箭是一種強烈的紅外輻射源。飛行中的彈道火箭是一種強烈的紅外輻

35、射源。其殼體由于火箭發(fā)動機工作時散發(fā)的熱量、其殼體由于火箭發(fā)動機工作時散發(fā)的熱量、 空氣氣動加熱和太陽輻射，可達到很高的溫度?？諝鈿鈩蛹訜岷吞栞椛?，可達到很高的溫度。飛行初始段，飛行初始段， 短時間的輻射源是燃料燃燒后的產(chǎn)物和尾焰。短時間的輻射源是燃料燃燒后的產(chǎn)物和尾焰。61含鉛的固體推進劑燃燒的近場光譜含鉛的固體推進劑燃燒的近場光譜62（5）人體的輻射）人體的輻射636465 大連理工大學物理與光電工程學院 詹衛(wèi)伸66二二 熱輻射原理熱輻射原理1. 熱輻射的基本概念熱輻射的基本概念（1）熱輻射）熱輻射物體由大量原子組成，物體由大量原子組成， 熱運動引起原子碰撞使原子熱運動引起原子碰撞使原子

36、激發(fā)激發(fā)而輻射電磁波。而輻射電磁波。原子的動能越大，原子的動能越大， 通過碰撞引起原子激發(fā)的能量就越高，通過碰撞引起原子激發(fā)的能量就越高，從而輻射電磁波的波長就越短。從而輻射電磁波的波長就越短。熱運動是混亂的，原子的動能與溫度有關(guān)，熱運動是混亂的，原子的動能與溫度有關(guān)， 因而輻射電磁波的能量也與溫度有關(guān)。因而輻射電磁波的能量也與溫度有關(guān)。 例如例如：加熱鐵塊，溫度上升，：加熱鐵塊，溫度上升， 鐵塊顏色由鐵塊顏色由“看不出發(fā)光看不出發(fā)光”到到“暗紅暗紅”， 再到再到“橙色橙色”，再到，再到“黃白色黃白色”，再到，再到“藍白色藍白色”。 1400K800K1000K1200K67在任何溫度下，物體

37、都向外發(fā)射各種頻率的電磁波。在任何溫度下，物體都向外發(fā)射各種頻率的電磁波。只是在不同的溫度下所發(fā)出的各種電磁波的只是在不同的溫度下所發(fā)出的各種電磁波的 能量按頻率有不同的分布，表現(xiàn)為不同的能量按頻率有不同的分布，表現(xiàn)為不同的顏色顏色。這種能量按頻率的分布這種能量按頻率的分布 隨溫度而不同的電磁輻射叫做隨溫度而不同的電磁輻射叫做熱輻射熱輻射。 低溫物體（例如人體）也有熱輻射，但輻射較弱，低溫物體（例如人體）也有熱輻射，但輻射較弱， 并且主要成分是波長較長的紅外線。并且主要成分是波長較長的紅外線。 并不是所有發(fā)光現(xiàn)象都是熱輻射，并不是所有發(fā)光現(xiàn)象都是熱輻射， 例如：激光、日光燈發(fā)光就不是熱輻射。例

38、如：激光、日光燈發(fā)光就不是熱輻射。 1400K800K1000K1200K一個黑白花盤子的兩張照片一個黑白花盤子的兩張照片室溫，反射光室溫，反射光1100K，自身輻射光，自身輻射光鳥的羽毛的顏色鳥的羽毛的顏色是不是熱輻射？是不是熱輻射？鳥的羽毛的顏色鳥的羽毛的顏色是不是熱輻射？是不是熱輻射？不是，不是，是反射是反射71（2）平衡熱輻射）平衡熱輻射加熱一物體，加熱一物體， 若物體所吸收的能量等于在同一時間內(nèi)輻射的能量，若物體所吸收的能量等于在同一時間內(nèi)輻射的能量，則物體的溫度恒定。則物體的溫度恒定。這種溫度不變的熱輻射稱為這種溫度不變的熱輻射稱為平衡熱輻射平衡熱輻射。72（3）單色輻出度）單色輻

39、出度d),(d)(TETM單色輻出度為：單色輻出度為： 730:（4）輻出度）輻出度0d)()(TMTMd),(d)(TETM74物體在進行熱輻射的同時，物體在進行熱輻射的同時， 也吸收照射到它的表面上的電磁波。也吸收照射到它的表面上的電磁波。實驗證明，物體的輻射能力和吸收能力實驗證明，物體的輻射能力和吸收能力 都與它的表面的材料有關(guān)，都與它的表面的材料有關(guān)，而吸收本領(lǐng)越大的物體，它輻射的本領(lǐng)也越強。而吸收本領(lǐng)越大的物體，它輻射的本領(lǐng)也越強。2. 黑體輻射黑體輻射（1）黑體）黑體白色表面吸收電磁波的能力小，白色表面吸收電磁波的能力小， 在同溫度下它輻射的電磁波的強度也小；在同溫度下它輻射的電磁

40、波的強度也??；表面越黑，吸收電磁波的能力就越大，表面越黑，吸收電磁波的能力就越大， 在同溫度下它輻射的電磁波的強度也越大。在同溫度下它輻射的電磁波的強度也越大。黑體爐黑體爐75能完全吸收射到它上面的電磁波的表面能完全吸收射到它上面的電磁波的表面 叫絕對黑體，簡稱叫絕對黑體，簡稱黑體黑體。 煤煙是很黑的，煤煙是很黑的， 但也只能吸收但也只能吸收99的入射電磁波的能量，的入射電磁波的能量，還不是理想黑體。還不是理想黑體。 76維恩黑體模型維恩黑體模型 1895年年 不管用什么材料不管用什么材料 制成一個空腔，制成一個空腔，如果在腔壁上開一個小洞，如果在腔壁上開一個小洞，那么射入小洞的光就很難那么射

41、入小洞的光就很難 有機會再從小洞出來了。有機會再從小洞出來了。這個小洞只吸收光而不反射光。這個小洞只吸收光而不反射光。這樣一個小洞實際上就能完全吸收各種波長的這樣一個小洞實際上就能完全吸收各種波長的 入射電磁波而成了一個黑體。入射電磁波而成了一個黑體。 加熱這個空腔到不同溫度，加熱這個空腔到不同溫度， 小洞就成了不同溫度下的黑體。小洞就成了不同溫度下的黑體。 77)(TM用分光技術(shù)可測出不同溫度下由它用分光技術(shù)可測出不同溫度下由它 發(fā)出的電磁波的強度按頻率分布的規(guī)律。發(fā)出的電磁波的強度按頻率分布的規(guī)律。對黑體加熱，黑體放出熱輻射（不同頻率的光）。對黑體加熱，黑體放出熱輻射（不同頻率的光）。用光

42、柵分光把輻射按頻段分開。用光柵分光把輻射按頻段分開。 78（2）黑體輻射譜）黑體輻射譜 實驗測定的不同溫度下的黑體輻射光譜輻出度曲線實驗測定的不同溫度下的黑體輻射光譜輻出度曲線 79（3）斯特藩）斯特藩-玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律4)(TTM)/(1067. 5428KmW0d)()(TMTMd),(d)(TETM80（4）維恩位移定律）維恩位移定律對應(yīng)于每一溫度下的曲線都有一個極大值，對應(yīng)于每一溫度下的曲線都有一個極大值， 即每一溫度下有一個最大單色輻出度。即每一溫度下有一個最大單色輻出度。 m1893年維恩由理論推導出年維恩由理論推導出 TCmTbmK/Hz10880. 510CKm1089

43、8. 23b81（5）維恩公式）維恩公式1896年，維恩從年，維恩從經(jīng)典熱力學經(jīng)典熱力學 和和麥克斯韋分布麥克斯韋分布出發(fā)，出發(fā)，找到了一個黑體輻射公式找到了一個黑體輻射公式 TTMexp)(5這一理論在高頻（短波）這一理論在高頻（短波）范圍內(nèi)與實驗符合的很好，范圍內(nèi)與實驗符合的很好，但在低頻（長波）范圍內(nèi)但在低頻（長波）范圍內(nèi)與實驗結(jié)果有明顯的偏差。與實驗結(jié)果有明顯的偏差。 82（6）瑞利）瑞利(Rayleigh) -金斯金斯(Jeans)公式公式1900年年6月，瑞利按經(jīng)典的能量均分定理，月，瑞利按經(jīng)典的能量均分定理，把空腔中簡諧振子平均能量取與溫度成正比的連續(xù)值，把空腔中簡諧振子平均能量

44、取與溫度成正比的連續(xù)值，得到一個黑體輻射公式得到一個黑體輻射公式42)(ckTTM8342)(ckTTM這與實驗結(jié)果不符。這與實驗結(jié)果不符。在高頻范圍內(nèi)差別更明顯，在高頻范圍內(nèi)差別更明顯，黑體輻射出的電磁波強度黑體輻射出的電磁波強度隨頻率的二次方不斷增大，隨頻率的二次方不斷增大，以致可趨于以致可趨于無限大無限大。這一經(jīng)典理論與這一經(jīng)典理論與 實驗結(jié)果的實驗結(jié)果的 巨大差別巨大差別稱為稱為“紫外災(zāi)難紫外災(zāi)難” 841911年諾貝爾年諾貝爾 物理學獎獲得者物理學獎獲得者德國物理學家德國物理學家（1864-1928）L. Rayleigh(1842-1919)42)(ckTTMTTMexp)(585

45、3. 普朗克的能量子假說和黑體輻射公式普朗克的能量子假說和黑體輻射公式1900年，認為空腔黑體的熱輻射是腔壁中的年，認為空腔黑體的熱輻射是腔壁中的 帶電諧振子向外輻射各種頻率的電磁波的結(jié)果。帶電諧振子向外輻射各種頻率的電磁波的結(jié)果。1900年年10月，普朗克利用數(shù)學上的內(nèi)插法，月，普朗克利用數(shù)學上的內(nèi)插法，把適用于高頻的維恩公式和適用于把適用于高頻的維恩公式和適用于 低頻的瑞利低頻的瑞利-金斯公式銜接起來，金斯公式銜接起來，得到一個半經(jīng)驗公式，即得到一個半經(jīng)驗公式，即普朗克黑體輻射公式普朗克黑體輻射公式：1exp12)(52TkhchcTM861exp12)(52TkhchcTM這一公式這一公

46、式在全波段范圍內(nèi)在全波段范圍內(nèi)與實驗完全符合與實驗完全符合 87為了使他的理論與實驗曲線符合，為了使他的理論與實驗曲線符合，普朗克作了一個經(jīng)典理論所不允許的普朗克作了一個經(jīng)典理論所不允許的假設(shè)假設(shè)：諧振子可能具有的能量是不連續(xù)的，諧振子可能具有的能量是不連續(xù)的，而只能取一些離散的值。而只能取一些離散的值。 , 2, 1, 0nnhE在這一假設(shè)基礎(chǔ)上，再運用經(jīng)典的統(tǒng)計物理方法在這一假設(shè)基礎(chǔ)上，再運用經(jīng)典的統(tǒng)計物理方法 就可推出普朗克黑體輻射公式。就可推出普朗克黑體輻射公式。88普朗克把諧振子能量公式給出的每一個能量值普朗克把諧振子能量公式給出的每一個能量值/hch稱做稱做“能量子能量子” 這是物

47、理學史上第一次提出量子的概念。這是物理學史上第一次提出量子的概念。 由于這一概念的革命性和重要意義，由于這一概念的革命性和重要意義，普朗克獲得了普朗克獲得了1918年諾貝爾物理學獎。年諾貝爾物理學獎。 , 2, 1, 0nnhEsJ10)52(62606876. 634h直到直到1911年，他才真正認識到：年，他才真正認識到： 量子化的全新的、基礎(chǔ)性的意義，量子化的全新的、基礎(chǔ)性的意義， 它是根本不能由經(jīng)典物理導出的。它是根本不能由經(jīng)典物理導出的。 普朗克普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck）18581947在吸收、輻射時在吸收、輻射時光是量子化的。光是量子化的。（

48、1918年諾貝爾物理學獎）年諾貝爾物理學獎）/hch904灰體輻射規(guī)律灰體輻射規(guī)律通常一個物體在輻射能量的同時，通常一個物體在輻射能量的同時， 也吸收周圍物體的輻射能，也吸收周圍物體的輻射能，如果某物體吸收的輻射能如果某物體吸收的輻射能 多于同一時間內(nèi)放出的輻射能量，多于同一時間內(nèi)放出的輻射能量，則其總能量增加，溫度升高；則其總能量增加，溫度升高；反之能量減少溫度下降。反之能量減少溫度下降。 當一個物體吸收外界的輻射能時，當一個物體吸收外界的輻射能時，一般會發(fā)生三個過程，即一部分一般會發(fā)生三個過程，即一部分反射反射， 一部分一部分吸收吸收，還有一部分，還有一部分透射透射。 對于一個對于一個不透

49、明不透明的物體，的物體，可以忽略其透射能，只考慮其反射能和吸收能?？梢院雎云渫干淠?，只考慮其反射能和吸收能。 91入射吸收EE入射反射EE顯然對于不透明物質(zhì)顯然對于不透明物質(zhì) 0透射E192這時容器內(nèi)仍存在熱交換，這時容器內(nèi)仍存在熱交換， 只不過是每一物體的吸收能等于其輻射能。只不過是每一物體的吸收能等于其輻射能。93按熱平衡理論，按熱平衡理論， 黑體黑體A輻射的能量應(yīng)輻射的能量應(yīng)等于等于其吸收的能量其吸收的能量)()()(TMTMTMABBABBATMTM1)()(94BBATMTM1)()(對于不透明物體對于不透明物體 BBATMTM)()(因此可以推論得因此可以推論得),()()()(0

50、2211TfTMTMTM基爾霍夫定律基爾霍夫定律 95對一切物體的輻出度的基爾霍夫定律可表示為對一切物體的輻出度的基爾霍夫定律可表示為 ),()()()(02211TfTMTMTM)()()()(02211TfTMTMTM一個物體的輻出度與其吸收本領(lǐng)的比值一個物體的輻出度與其吸收本領(lǐng)的比值 是與物體性質(zhì)無關(guān)的量，是與物體性質(zhì)無關(guān)的量，它等于同一溫度下的黑體的輻出度。它等于同一溫度下的黑體的輻出度。因?qū)θ魏挝矬w，吸收本領(lǐng)大的物體，輻射本領(lǐng)也大。因?qū)θ魏挝矬w，吸收本領(lǐng)大的物體，輻射本領(lǐng)也大。 如果一個物體不能輻射某一波長的電磁波，如果一個物體不能輻射某一波長的電磁波，那么它也絕對吸收不了同樣波長的

51、電磁輻射能。那么它也絕對吸收不了同樣波長的電磁輻射能。 0d)()(TMTM96),()()()(02211TfTMTMTM輻射發(fā)射率定義為一定溫度下，輻射發(fā)射率定義為一定溫度下， 某輻射體在某波長的單色輻出度，某輻射體在某波長的單色輻出度，與同一溫度下的黑體在同一波長的單色輻出度比值。與同一溫度下的黑體在同一波長的單色輻出度比值。)()(0TMTM1097自然界并不存在黑體和灰體，自然界并不存在黑體和灰體，但在限定的波長范圍內(nèi)，但在限定的波長范圍內(nèi)，許多物體的輻射特性的精度許多物體的輻射特性的精度 可近似為黑體或灰體?？山茷楹隗w或灰體。)()(0TMTM98d )( d )()(000TM

52、TMTM4400d )( )(TTTMTM)()(0TMTM10994400d )( )(TTTMTM當輻射體溫度改變當輻射體溫度改變dT時，時， 引起灰體的輻出度的相對變化率引起灰體的輻出度的相對變化率TTMMd4d對于輻射體溫度控制的要求，對于輻射體溫度控制的要求， 取決于對輻射源輻出度變化的要求。取決于對輻射源輻出度變化的要求。如果要求輻射體的輻出度變化小于如果要求輻射體的輻出度變化小于1%， 則對輻射體溫度變化的要求，應(yīng)不超過則對輻射體溫度變化的要求，應(yīng)不超過0. 25%。 100101 大連理工大學物理與光電工程學院 詹衛(wèi)伸102光照射某些金屬時，光照射某些金屬時，能從表面釋放出電子

53、的效應(yīng)。能從表面釋放出電子的效應(yīng)。三三 光電效應(yīng)光電效應(yīng)（photoelectric effect） 光電效應(yīng)中光電效應(yīng)中產(chǎn)生的產(chǎn)生的電子稱為電子稱為“光電子光電子”。光電效應(yīng)現(xiàn)象是光電效應(yīng)現(xiàn)象是赫茲赫茲在在18871887年發(fā)現(xiàn)的，年發(fā)現(xiàn)的，當當1896年年J.J.湯姆孫湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子之后，發(fā)現(xiàn)了電子之后，勒納德勒納德才證明所發(fā)出才證明所發(fā)出的帶電粒子是電子。的帶電粒子是電子。金屬金屬逸出帶逸出帶 電粒子電粒子1031.1. 光電效應(yīng)的實驗規(guī)律光電效應(yīng)的實驗規(guī)律 V GKAi逸出的光電子具有一定初動能AK加正向電壓時，具有一定初速度的光電子在電場加速下向陽極A運動，就形成光電流。 AK加反

54、向電壓，加反向電壓，光電子在電場減速下向陽極光電子在電場減速下向陽極A運動運動如果反向電壓小，如果反向電壓小，光電子仍能到達陽極，形成光電流；光電子仍能到達陽極，形成光電流；當反向電壓達到某值時，當反向電壓達到某值時，具有最大初動能的光電子也不能具有最大初動能的光電子也不能到達陽極到達陽極A，就不能形成光電流。，就不能形成光電流。 注意：不能以光電流的有無來判斷光電效應(yīng)是否發(fā)生，注意：不能以光電流的有無來判斷光電效應(yīng)是否發(fā)生，而應(yīng)以是否有光電子逸出為判斷光電效應(yīng)是否發(fā)生的標準。而應(yīng)以是否有光電子逸出為判斷光電效應(yīng)是否發(fā)生的標準。 104 V GKAi（1 1） 紅限頻率的存在紅限頻率的存在0實

55、驗表明，只有當入射光的頻率實驗表明，只有當入射光的頻率 大于某一值大于某一值 時，時，實驗還表明，不同金屬的紅限頻率不同。實驗還表明，不同金屬的紅限頻率不同。才能從金屬表面釋放電子。才能從金屬表面釋放電子。0當入射光的頻率當入射光的頻率 時，時，無論光強多強、照射時間多長、無論光強多強、照射時間多長、 加的正向電壓多大，加的正向電壓多大， 都不會有光電流產(chǎn)生，都不會有光電流產(chǎn)生， 即不能發(fā)生光電效應(yīng)。即不能發(fā)生光電效應(yīng)。0而而 的光都能產(chǎn)生光電效應(yīng)。的光都能產(chǎn)生光電效應(yīng)。0這一頻率這一頻率 稱為紅限頻率，稱為紅限頻率，0相應(yīng)的光波長相應(yīng)的光波長 稱為紅限波長。稱為紅限波長。105（2 2）光電

56、流與正向電壓的關(guān)系）光電流與正向電壓的關(guān)系當用大于紅限頻率的某固定頻率的光照射某金屬時，當用大于紅限頻率的某固定頻率的光照射某金屬時，飽和現(xiàn)象說明，此時，飽和現(xiàn)象說明，此時，單位時間內(nèi)從陰極逸出的光電子已經(jīng)全部陽極接收。單位時間內(nèi)從陰極逸出的光電子已經(jīng)全部陽極接收。光強一定時，光電流隨加速電壓的增加而增加；光強一定時，光電流隨加速電壓的增加而增加；mi當加速電壓增加到一定值時，光電流不再增加，當加速電壓增加到一定值時，光電流不再增加，而是達到一飽和值而是達到一飽和值 。2Mi 飽和飽和 光電流光電流i照射光強照射光強I2U00 V GKAi106 V GKAi（3 ）飽和電流與入射光強的關(guān)系）

57、飽和電流與入射光強的關(guān)系當用大于紅限頻率的某固定頻率的光照射某金屬時，當用大于紅限頻率的某固定頻率的光照射某金屬時，miI實驗表明，飽和電流實驗表明，飽和電流 與光強 成正比。i 飽和光電流飽和光電流U00I11Mi2MiI2I2I1照射光強照射光強107 V GKAi當反向（減速電壓）增加時，電流并不為零。當反向（減速電壓）增加時，電流并不為零。（4） 截止電壓截止電壓I1i2Mi 飽和光電流飽和光電流1MiI2I2I1U00照射光強照射光強cUcU僅當反向電壓等于某值僅當反向電壓等于某值 時，電流為零；時，電流為零；再增加反向電壓，電流一直為零。再增加反向電壓，電流一直為零。cU這一電壓值

58、這一電壓值 稱為截止電壓。稱為截止電壓。108截止電壓的存在說明，此時，截止電壓的存在說明，此時，從陰極從陰極K逸出的具有最大初動能的光電子，逸出的具有最大初動能的光電子，由于受到外加電場的阻礙，由于受到外加電場的阻礙，也不能到達陽極也不能到達陽極A了。了。 根據(jù)能量分析，得到根據(jù)能量分析，得到光電子從陰極光電子從陰極K K逸出時的最大初動能逸出時的最大初動能 與截止電壓的關(guān)系與截止電壓的關(guān)系 cmeUmV221109（5）截止電壓與入射光頻率的關(guān)系）截止電壓與入射光頻率的關(guān)系 V GKAi截止電壓與入射光頻率成線性關(guān)系。而且，對于不同的金屬材料，其直線平行。 0UkUck是普適常數(shù)與材料無關(guān)

59、是普適常數(shù)與材料無關(guān) 0U不同材料不同材料 值不同值不同 (1014Hz)cUNa5. 5oUCa7.5110 cUCaNa5. 5oU(1014Hz)7.50UkUc0221eUekmVmcmeUmV2210212mmV可見，入射光的頻率必須大于某一值，可見，入射光的頻率必須大于某一值，才能使才能使 ，kU00電子才能逸出金屬表面成為光電子，電子才能逸出金屬表面成為光電子，才能發(fā)生光電效應(yīng)。才能發(fā)生光電效應(yīng)。這一極限值就是紅限頻率這一極限值就是紅限頻率 111（6） 光電效應(yīng)與光照時間的關(guān)系光電效應(yīng)與光照時間的關(guān)系s910光電子的逸出，光電子的逸出，幾乎是在光照射到金屬表面的那一刻發(fā)生的，幾

60、乎是在光照射到金屬表面的那一刻發(fā)生的，其延時在其延時在 以下。以下。即使用極弱的光，只要光頻率大于紅限頻率，即使用極弱的光，只要光頻率大于紅限頻率，光電效應(yīng)的發(fā)生幾乎與光照時間無關(guān)。光電效應(yīng)的發(fā)生幾乎與光照時間無關(guān)。 1122. 光電效應(yīng)經(jīng)典理論解釋的困難光電效應(yīng)經(jīng)典理論解釋的困難經(jīng)典理論認為：光是一種電磁波。 經(jīng)典理論無法解釋：*光電子的初動能與入射光的頻率成線性關(guān)系， 而與入射光強無關(guān)。 *光電子的逸出幾乎與光照時間無關(guān) 經(jīng)典理論無法對光電效應(yīng)的本質(zhì)問題給出解釋 光的波動理論在光電效應(yīng)的實驗結(jié)果上遇到了光的波動理論在光電效應(yīng)的實驗結(jié)果上遇到了“災(zāi)難災(zāi)難”。*光電子能否逸出的問題， 即無法解