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2.2.1 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 2.3 .3 輻射源輻射源2 2. .1 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(guò)加熱來(lái)維持它的溫度只要通過(guò)加熱來(lái)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

2、領(lǐng)來(lái)描述用輻射本領(lǐng)來(lái)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(zhǎng)范圍內(nèi)輻射量單位波長(zhǎng)范圍內(nèi)輻射量: : 溫度為溫度為T(mén) 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

3、 7 7. .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(zhǎng)的輻射全部吸收任何波長(zhǎng)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

4、體的光 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(zhǎng)定律：將式兩邊積分有：斯蒂芬波長(zhǎng)定律：將式兩邊積分有：1(,)(,)bbLTMT8245.67032 10 W mK2/5140( )( , )(1)cTbbM TMT dCedT4( )bM TT4.4.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

5、長(zhǎng)取最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)可見(jiàn)可見(jiàn)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( , )bMT曲線(xiàn)的說(shuō)明（黑體的輻射特性）：M b隨波長(zhǎng)連續(xù)變化。對(duì)應(yīng)某一個(gè)溫度就有固定的一條曲線(xiàn)。（一旦溫度確定，則M在某波長(zhǎng)處有唯一的固定值） 溫度越高，M b越大。（全輻射出射度M是曲線(xiàn)下面積） 隨著溫度T的升高，M的峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。（T再高就進(jìn)入可見(jiàn)光區(qū)域了） 黑體的輻射特性只與其溫度有關(guān)，與其它參數(shù)無(wú)關(guān)

6、。 黑體輻射亮度與觀察角度無(wú)關(guān)。普朗克公式在以下兩種極限條件下的情況。 （1）當(dāng)c2/（T）1時(shí)，即hc/KBT，此時(shí)對(duì)應(yīng)短波或低溫情形，普朗克公式中的指數(shù)項(xiàng)遠(yuǎn)大于1，故可以把分母中的1忽略，這時(shí)普朗克公式變?yōu)?這就是維恩公式，它僅適用于黑體輻射的短波部分 （2）當(dāng)c2/（T）1時(shí)，即hc/KBT，此時(shí)對(duì)應(yīng)長(zhǎng)波或高溫情形，可將普朗克公式中的指數(shù)項(xiàng)展成級(jí)數(shù)，并取前兩項(xiàng) 這時(shí)普朗克公式變?yōu)?這就是瑞利普金公式，它僅適用于黑體輻射的長(zhǎng)波部分。 瑞利金斯公式和經(jīng)典輻射模型的困難 維恩位移定律維恩位移定律 令x = c2/T X何值時(shí)M最大，應(yīng) 若上式為零 須 解此方程 x = 4.9651142 即：

7、c2/T = 4.9651142 T = 2898 (mK) 此乃維恩位移定律，其中的即某溫度T時(shí)黑體輻射出射度Mb的峰值波長(zhǎng)m，通常寫(xiě)為 xxexex54) 1(5=0 Tbm維恩（wien）最大發(fā)射本領(lǐng)定律： 描述黑體光譜輻射出射度的峰值與溫度關(guān)系的公式。 將維恩位移定律代入普朗克公式 其中 B = 1.286210-11Wm-2m-1K-5 5/51112BTecMTcmbmm意義： 1、只先知一個(gè)溫度T，便知最大M 所在處的波長(zhǎng)及M 值。 2、M 數(shù)值隨溫度升高很快。 （M 峰值升高，曲線(xiàn)下面積增大，M 也大） bm 例題例題: :假定太陽(yáng)表面的行為和黑體表面一樣假定太陽(yáng)表面的行為和黑

8、體表面一樣, ,從從 實(shí)驗(yàn)測(cè)得太陽(yáng)輻射的實(shí)驗(yàn)測(cè)得太陽(yáng)輻射的 試估算太陽(yáng)表試估算太陽(yáng)表 面溫度和出射度面溫度和出射度? ? 解：由解：由47mnm484265.6703 106160/bMTWm728.1710/Wm382.898 1061604.710mmbbTKT2 2. .2 2 輻射輻射體的溫度體的溫度 常用的用來(lái)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(xiàn)和黑體的光譜輻亮度曲線(xiàn)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

9、=300K）、白熾燈 色溫與相關(guān)色溫: .色溫:Tc(colour temperature) 待測(cè)輻射源在溫度T時(shí)所呈現(xiàn)的顏色與某一溫度Tc時(shí)的黑體顏色相同(色品相同)則稱(chēng)Tc為該輻射體光源的顏色與色溫的色溫度。簡(jiǎn)稱(chēng)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(cè)輻射體色品最接近的色溫度稱(chēng)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(xiàn)色度圖中黑體軌跡和等色溫線(xiàn)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

10、體在某一波長(zhǎng)（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(zhǎng)下的光譜輻亮度相等時(shí)，黑體溫度稱(chēng)為發(fā)射體的輻亮度溫度。（可見(jiàn)光范圍內(nèi)，稱(chēng)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 輻射輻射源源腔型黑體輻射源 構(gòu)成：包容腔體的黑體芯子、加熱繞組、測(cè)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(yáng) 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

11、 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(cè)量中常用的輻射源。但由于玻璃泡透過(guò)區(qū)域的限制，這種燈的輻射波長(zhǎng)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(zhǎng)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，

12、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(zhǎng)，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，以作為電極與電路的連接。 由于能斯脫燈都是細(xì)長(zhǎng)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(zhǎng)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

13、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(guò)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(guò)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

14、電燈 低壓氣體放電（原子發(fā)光，線(xiàn)光譜 波長(zhǎng)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(zhǎng)弧氙燈） 超高壓氣體放電（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(zhǎng)波紅外） IV-VI族PbS、PbTe、PbSnTe（近紅外到長(zhǎng)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(xiàn)性關(guān)系、響

15、應(yīng)速度快、工作電壓低、小巧輕便耐振動(dòng)壽命長(zhǎng)單色性好、發(fā)光效率低、有效發(fā)光面積問(wèn)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，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(zhǎng)度長(zhǎng) 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(xiàn)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

16、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、強(qiáng)度大同步輻射 高能電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，只要有加速度就會(huì)輻射波長(zhǎng)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(xiàn)直到X射線(xiàn)。 （2）同步輻射光的光譜范圍和強(qiáng)度容易控制。通過(guò)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(zhuān)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

17、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(zhuān)用儲(chǔ)存環(huán)的專(zhuān)用機(jī)，如合肥國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室（HLS）； 第三代同步輻射光源是基于性能更高的同步輻射專(zhuān)用儲(chǔ)存環(huán)的專(zhuān)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(jiǎn)稱(chēng)SSRF。它是我國(guó)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(xiàn)能區(qū)。利用近年來(lái)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

18、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(zhǎng)范圍寬，從遠(yuǎn)紅外直到硬X射線(xiàn)，且連續(xù)可調(diào)。利用不同波長(zhǎng)的單色光，可揭示用其他光源無(wú)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(wàn)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(guò)程、生命過(guò)程、材料結(jié)構(gòu)變化過(guò)程和大氣環(huán)境污染過(guò)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(xiàn)極化的, 而離開(kāi)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(kāi)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：