第二章 熱輻射定律及標(biāo)準(zhǔn)光源

1、第二章第二章 熱輻射定律及標(biāo)準(zhǔn)光源熱輻射定律及標(biāo)準(zhǔn)光源2.1 2.1 黑體及輻射定律黑體及輻射定律2.2 2.2 輻射體的溫度輻射體的溫度2.3 2.3 輻射源輻射源2.1 2.1 黑體及輻射定律黑體及輻射定律 概述概述: :1.1.熱輻射熱輻射: :只要通過加熱來維持它的溫度只要通過加熱來維持它的溫度, ,輻射就可輻射就可 以不斷地進(jìn)行下去。以不斷地進(jìn)行下去。2 2. .發(fā)光形式發(fā)光形式: :熱輻射發(fā)光、化學(xué)發(fā)光、光致發(fā)光熱輻射發(fā)光、化學(xué)發(fā)光、光致發(fā)光 陰極發(fā)光陰極發(fā)光3 3. .熱輻射光譜熱輻射光譜: :連續(xù)光譜連續(xù)光譜, ,輻射性質(zhì)與溫度有關(guān)輻射性質(zhì)與溫度有關(guān), ,可可 用輻射本領(lǐng)來描述

2、用輻射本領(lǐng)來描述4 4. .光譜輻射本領(lǐng)光譜輻射本領(lǐng): : 面元面元s s在單位面積在單位面積, ,單位波長范圍內(nèi)輻射量單位波長范圍內(nèi)輻射量: : 溫度為溫度為T T的輻射體，在單位時(shí)間單位表面積所輻的輻射體，在單位時(shí)間單位表面積所輻射的總發(fā)射本領(lǐng)為：射的總發(fā)射本領(lǐng)為：5 5. .光譜吸收本領(lǐng)光譜吸收本領(lǐng): :( )( , )eedMTdds 0( , )MMeTd( , )MeT( ,)(eeTTT 、 ）、 ）6 6. .基爾霍夫定律基爾霍夫定律: : 在熱平衡條件下在熱平衡條件下12( , )( , )( , )( , )( , )( , )( , )MeTMeTMeTfTTTT 7 7

3、. .黑體黑體: :能在任何溫度下能在任何溫度下, ,全部吸收任何波長的輻射全部吸收任何波長的輻射 的物體。的物體。 設(shè)以設(shè)以 和和 表示黑體的光譜輻射本領(lǐng)表示黑體的光譜輻射本領(lǐng)和吸收本領(lǐng)，和吸收本領(lǐng)， 恒等于恒等于1,1, 由基爾霍夫定律得由基爾霍夫定律得: :( , )bT ( , )( , )( , )( , )( , )( , )bbMTMeTMeTfTTT ( , )bMT( , )bT 絕對(duì)黑體的輻射定律絕對(duì)黑體的輻射定律: :1 1. .普朗克輻射公式普朗克輻射公式: :普朗克在能量子假設(shè)基礎(chǔ)上應(yīng)普朗克在能量子假設(shè)基礎(chǔ)上應(yīng) 用統(tǒng)計(jì)理論用統(tǒng)計(jì)理論, ,最后導(dǎo)出黑體的光最后導(dǎo)出黑體的

4、光 譜輻射本領(lǐng)譜輻射本領(lǐng)2/51( , )(1)cTbMTCe16213.7415 10CW m221.4388 10Cm K2.2.黑體的光譜輻射亮度與光譜輻射出度之間的關(guān)系黑體的光譜輻射亮度與光譜輻射出度之間的關(guān)系: :3 3. .斯蒂芬波長定律：將式兩邊積分有：斯蒂芬波長定律：將式兩邊積分有：1(,)(,)bbLTMT8245.67032 10 W mK2/5140( )( , )(1)cTbbM TMT dCedT4( )bMTT4.4.維恩定律維恩定律: :對(duì)普朗克輻射公式求導(dǎo)后對(duì)普朗克輻射公式求導(dǎo)后, , 令令 有有 , , : :給定溫度下，給定溫度下， 取最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的波長取最

5、大值時(shí)對(duì)應(yīng)的波長可見可見b b一定一定, , 即當(dāng)絕對(duì)溫度增高時(shí)即當(dāng)絕對(duì)溫度增高時(shí), ,黑體黑體的光譜輻射本領(lǐng)的光譜輻射本領(lǐng) 的最大值向短波方向移的最大值向短波方向移動(dòng)動(dòng), ,圖如下圖如下: :mT( , )0bdMTdmbT( , )bMT32.898 10bm Km( , )bMT5.5.最大輻射定律最大輻射定律: : 黑體最大輻射出射度與黑體最大輻射出射度與T T的五次方成正比。的五次方成正比。例題例題: :假定太陽表面的行為和黑體表面一樣假定太陽表面的行為和黑體表面一樣, ,從從 實(shí)驗(yàn)測得太陽輻射的實(shí)驗(yàn)測得太陽輻射的 試估算太陽表試估算太陽表 面溫度和出射度面溫度和出射度? ? 解：由

6、解：由47mnm484265.6703106160/bMTWm728.1710/Wm382.898 1061604.710mmbbTKT2.2 2.2 輻射體的溫度輻射體的溫度 常用的用來描述光源、輻射體等地某些輻射特性的溫度有分布溫度、色溫（相關(guān)色溫）、亮溫和輻射溫度。 分布溫度：是指在一定譜段范圍內(nèi)光源光譜輻亮度曲線和黑體的光譜輻亮度曲線成比例或近似地成比例時(shí)的黑體溫度。 灰體概念：在一定溫度下發(fā)射和黑體光譜輻亮度分布成比例的光譜輻射能的發(fā)射體 舉例：水（T=300K）、白熾燈 色溫與相關(guān)色溫: .色溫:Tc(colour temperature) 待測輻射源在溫度T時(shí)所呈現(xiàn)的顏色與某一溫

7、度Tc時(shí)的黑體顏色相同(色品相同)則稱Tc為該輻射體光源的顏色與色溫的色溫度。簡稱色溫Tc(單位:) .相關(guān)色溫： 在均勻色品圖中黑體軌跡上與待測輻射體色品最接近的色溫度稱之為相關(guān)色溫用表示（單位：）各光源的色溫各光源的色溫 u-v色度圖中黑體軌跡和等色溫線色度圖中黑體軌跡和等色溫線為了使照明具有良好的效果，所選用的光源的色溫必須與要為了使照明具有良好的效果，所選用的光源的色溫必須與要求的照度相適應(yīng)求的照度相適應(yīng). . 照度和光源色溫的關(guān)系 輻亮度溫度：實(shí)際發(fā)射體在某一波長（窄譜段范圍內(nèi)）的光譜輻亮度和黑體在某一溫度同一波長下的光譜輻亮度相等時(shí)，黑體溫度稱為發(fā)射體的輻亮度溫度。（可見光范圍內(nèi)，

8、稱為亮度溫度） 輻射溫度：在整個(gè)光輻射的譜段范圍內(nèi)的輻亮度與某溫度黑體輻亮度相等時(shí)黑體的溫度。 人工標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源 自然輻射源 人工輻射源 標(biāo)準(zhǔn)照明體和標(biāo)準(zhǔn)光源2.2 2.2 輻射源輻射源腔型黑體輻射源 構(gòu)成：包容腔體的黑體芯子、加熱繞組、測量與控制腔體溫度的溫度計(jì)和溫度控制器 腔體形態(tài)：一般為球形、圓柱形、圓錐形 高溫黑體源：石墨或陶瓷芯 中溫黑體源：鉻鎳不銹鋼芯 低溫黑體源：銅芯自然輻射源 太陽 地球 月球 星球 大氣輝光 夜天空輻射人體熱輻射人工輻射源 白熾燈 氣體放電燈 半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED） 激光光源白熾燈 真空鎢絲燈 充氣鎢絲燈 鹵鎢燈鎢絲燈、鎢帶燈和鎢管燈 鎢絲燈是近紅外測量

9、中常用的輻射源。但由于玻璃泡透過區(qū)域的限制，這種燈的輻射波長通常在3m以下。 鎢帶燈是將鎢帶通電加熱而使其發(fā)光的光源。鎢帶常做成狹長的條形，寬約為2mm，厚度約為0.05mm左右。 鎢管燈是由一根在真空或氬氣中通電加熱的鎢管做成的。真空燈的溫度可達(dá)1100，充氬燈的溫度可達(dá)2700。能斯脫燈 由鋯、釔、釷等金屬氧化物組成輻射體，通電發(fā)熱后發(fā)射紅外輻射，是紅外光譜儀上常用的紅外輻射源。 一般利用NaCl、KBr、CsI等對(duì)紅外透明的晶體制備三棱鏡進(jìn)行色散分光，以獲得2-38m紅外輻射光譜區(qū)中的某一段。 能斯脫燈有壽命長，工作溫度高，黑體特性好和不需要水冷等特性。管子兩端繞有鉑絲，以作為電極與電路

10、的連接。 由于能斯脫燈都是細(xì)長的圓柱形，因而對(duì)分光光度計(jì)狹縫的照明特別有用。能斯脫燈的主要缺點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度低，稍受壓，就會(huì)損壞。 典型能斯脫燈的各項(xiàng)參數(shù)如下：功率消耗為45W、工作電流為0.1A；工作溫度為1980K；尺寸為3.1mm（直徑）12.7mm（長度）。硅碳棒 通電加熱到1273K以上時(shí)，在10m以上的光譜區(qū)，其發(fā)射的紅外輻射比能斯托燈更強(qiáng)。 硅碳棒的主要缺點(diǎn)是最高工作溫度較低，需要鎮(zhèn)流的電源設(shè)備。同時(shí)，由于碳化硅材料的升華效應(yīng)，會(huì)使材料粉末沉積在光學(xué)儀器表面上，因此它不能靠近精密光學(xué)儀器附近工作。另外，工作時(shí)需要水冷裝置，耗電量較大等。 乳白石英加熱管 乳白石英加熱管是一種新型紅外加

11、熱元件。 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)熱體的真空電阻爐中熔融（1740）拉制而成的。在熔融過程中，使氣體在熔體中形成大量的小氣泡，故外觀呈乳白色。乳白石英玻璃材料耐熱性能好（可耐2001300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，此外，還具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，但機(jī)械強(qiáng)度和耐沖擊性能較差。 氣體放電輻射源氣體放電輻射源 當(dāng)電流通過氣體媒質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象，利用這種放電現(xiàn)象可制作輻射源。 1水銀燈 2氙氣 3碳弧氣體放電燈 低壓氣體放電（原子發(fā)光，線光譜 波長標(biāo)準(zhǔn)燈 低壓汞燈、低壓鈉燈等） 高壓氣體放電（高壓氫燈氘燈、高壓汞燈、長弧氙燈） 超高壓氣體放電

12、（短弧氙燈）半導(dǎo)體發(fā)光二極管 目前，技術(shù)上最成熟、使用量最大的是在室溫工作的GaAs發(fā)光二極管。 此外還有III-V族InP、GaSb、InAs、InSb、InGaAs、InPAs、InSbAs（近紅外中波紅外） II-VI族CdTe（近紅外）、HgCdTe（近紅外到長波紅外） IV-VI族PbS、PbTe、PbSnTe（近紅外到長波紅外）半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管（LED） 注入型電致發(fā)光器件 PN結(jié) 特點(diǎn)：工作電流小于25mA時(shí)發(fā)光亮度與正向電流基本呈線性關(guān)系、響應(yīng)速度快、工作電壓低、小巧輕便耐振動(dòng)壽命長單色性好、發(fā)光效率低、有效發(fā)光面積問題半導(dǎo)體二極管激光器 與LED的區(qū)別：有法布里-珀羅諧振腔，

13、工作在強(qiáng)電流注入?yún)^(qū)激光光源 光束發(fā)散角極小 0.1mrad 單色性好 相干長度長 功率密度高如何實(shí)現(xiàn)？ 首先要有能實(shí)現(xiàn)能級(jí)粒子束反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì) 還必須建立諧振腔 造成連鎖反應(yīng) 雪崩放大常用的激光器 氣體激光器：He-Ne激光器、氬離子激光器、二氧化碳激光器等 固體激光器：紅寶石激光器、玻璃激光器、YAG激光器等 可調(diào)諧染料激光器 半導(dǎo)體激光器自由電子激光器 特點(diǎn) （1）輸出的光輻射可以在從毫米波到X射線的頻率范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)； （2）可以獲得極大的輸出功率，由注入的電子束能量決定； （3）理論上能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)50% （4）自由電子激光是脈沖光，具有很好的時(shí)間分辨率 （5）自由電子激光的通量高、

14、強(qiáng)度大同步輻射 高能電子在運(yùn)動(dòng)過程中，只要有加速度就會(huì)輻射波長連續(xù)的電磁波。 （1）同步輻射光的光譜范圍極寬，可從紅外線直到X射線。 （2）同步輻射光的光譜范圍和強(qiáng)度容易控制。通過合適的窗口，也可以選擇所需要的光譜波段。 （3）同步輻射是脈沖光，具有很好的時(shí)間分辨率 （4）同步輻射光的通量高、強(qiáng)度大、準(zhǔn)直好。同步輻射與同步輻射光源 第一代同步輻射光源是寄生于高能物理實(shí)驗(yàn)專用的高能對(duì)撞機(jī)的兼用機(jī)，如北京光源（BSR）就是寄生于北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC）的典型第一代同步輻射光源；第二代同步輻射光源是基于同步輻射專用儲(chǔ)存環(huán)的專用機(jī)，如合肥國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室（HLS）； 第三代同步輻射光源是基于性

15、能更高的同步輻射專用儲(chǔ)存環(huán)的專用機(jī)，如上海光源(SSRF)。上海光源是一臺(tái)高性能的中能第三代同步輻射光源，它的英文全名為Shanghai Synchrotron Radiation facility，簡稱SSRF。它是我國迄今為止最大的大科學(xué)裝置和大科學(xué)平臺(tái)。 上海光源的先進(jìn)性性能價(jià)格比高：儲(chǔ)存環(huán)的能量3.5GeV，在中能區(qū)光源中能量最高，性能優(yōu)化在用途最廣的X射線能區(qū)。利用近年來插入件技術(shù)的新進(jìn)展，不僅可在光子能量為15keV產(chǎn)生最高耀度的同步輻射光，而且在520keV光譜區(qū)間可產(chǎn)生性能趨近68GeV高能量光源所產(chǎn)生的高耀度硬X光；全波段：波長范圍寬，從遠(yuǎn)紅外直到硬X射線，且連續(xù)可調(diào)。利用不

16、同波長的單色光，可揭示用其他光源無法得知的科學(xué)秘密； 高強(qiáng)度：總功率為600千瓦，是光機(jī)的上萬倍。光通量大于1015光子/（S103 bw）。高強(qiáng)度和高通量為縮短實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取時(shí)間、進(jìn)行條件難以控制的實(shí)驗(yàn)以及醫(yī)學(xué)、工業(yè)應(yīng)用提供了可能;高耀度：其耀度是最強(qiáng)的光機(jī)的上億倍，主要光譜復(fù)蓋區(qū)的光耀度為10171020光子/（Smm2mrad2103 bw）。高亮度為取得突破性科技成果提供了高空間分辨、高動(dòng)量分辨和超快時(shí)間分辨的條件；優(yōu)良的脈沖時(shí)間結(jié)構(gòu)：其脈沖寬度僅為幾十皮秒，可以單束團(tuán)或多束團(tuán)模式運(yùn)行，相鄰脈沖間隔可調(diào)為幾納秒至微秒量級(jí)，能為研究化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力過程、生命過程、材料結(jié)構(gòu)變化過程和大氣環(huán)境污染過程等提供正確可信的數(shù)據(jù)； 高偏振：上海光源中在電子軌道平面上放出的同步光是完全線極化的, 而離開電子軌道平面方向發(fā)射的同步光則是橢圓極化的，因而是研究具有旋光性的生物分子、藥物分子和表現(xiàn)為雙色性的磁性材料的有力工具； 準(zhǔn)相干：上海光源從插入件引出的高耀度光具有部分相干性, 為眾多前沿學(xué)科的顯微全息成像分析開辟了道路；高穩(wěn)定性，可以提供十幾到幾十小時(shí)的穩(wěn)定束流，光束位置穩(wěn)定度僅約光斑的10%； 高效性：總共將建設(shè)近60條以上光束線和上百個(gè)實(shí)驗(yàn)站，給用戶的供光機(jī)時(shí)將超過