熱輻射定律及標準光源

關于熱輻射定律及標準光源§2.1黑體及輻射定律概述:1.熱輻射:只要通過加熱來維持它的溫度,輻射就可以不斷地進行下去。2.發(fā)光形式:熱輻射發(fā)光、化學發(fā)光、光致發(fā)光陰極發(fā)光3.熱輻射光譜:連續(xù)光譜,輻射性質與溫度有關,可用輻射本領來描述第2頁,共58頁，2024年2月25日，星期天4.光譜輻射本領:面元s在單位面積,單位波長范圍內輻射量:

溫度為T的輻射體，在單位時間單位表面積所輻射的總發(fā)射本領為：5.光譜吸收本領:第3頁,共58頁，2024年2月25日，星期天6.基爾霍夫定律:在熱平衡條件下第4頁,共58頁，2024年2月25日，星期天7.黑體:能在任何溫度下,全部吸收任何波長的輻射的物體。設以和表示黑體的光譜輻射本領和吸收本領，恒等于1,由基爾霍夫定律得:第5頁,共58頁，2024年2月25日，星期天8.空腔輻射黑體模型及黑體基準器(如下圖）:第6頁,共58頁，2024年2月25日，星期天絕對黑體的輻射定律:1.普朗克輻射公式:普朗克在能量子假設基礎上應用統(tǒng)計理論,最后導出黑體的光譜輻射本領第7頁,共58頁，2024年2月25日，星期天2.黑體的光譜輻射亮度與光譜輻射出度之間的關系:3.斯蒂芬波長定律：將式兩邊積分有：第8頁,共58頁，2024年2月25日，星期天4.維恩定律:對普朗克輻射公式求導后,令有,

:給定溫度下，取最大值時對應的波長可見b一定,即當絕對溫度增高時,黑體的光譜輻射本領的最大值向短波方向移動,圖如下:第9頁,共58頁，2024年2月25日，星期天第10頁,共58頁，2024年2月25日，星期天曲線的說明（黑體的輻射特性）：Mbλ隨波長連續(xù)變化。對應某一個溫度就有固定的一條曲線。（一旦溫度確定，則M在某波長處有唯一的固定值）溫度越高，Mbλ越大。（全輻射出射度M是曲線下面積）隨著溫度T的升高，M的峰值波長向短波方向移動。（T再高就進入可見光區(qū)域了）黑體的輻射特性只與其溫度有關，與其它參數(shù)無關。黑體輻射亮度與觀察角度無關。第11頁,共58頁，2024年2月25日，星期天普朗克公式在以下兩種極限條件下的情況。（1）當c2/（λT）＞＞1時，即hc/λ＞＞KBT，此時對應短波或低溫情形，普朗克公式中的指數(shù)項遠大于1，故可以把分母中的1忽略，這時普朗克公式變?yōu)檫@就是維恩公式，它僅適用于黑體輻射的短波部分第12頁,共58頁，2024年2月25日，星期天（2）當c2/（λT）＜＜1時，即hc/λ＜＜KBT，此時對應長波或高溫情形，可將普朗克公式中的指數(shù)項展成級數(shù)，并取前兩項這時普朗克公式變?yōu)?/p>

這就是瑞利—普金公式，它僅適用于黑體輻射的長波部分。第13頁,共58頁，2024年2月25日，星期天瑞利－金斯公式和經(jīng)典輻射模型的困難第14頁,共58頁，2024年2月25日，星期天維恩位移定律

令x=c2/λTX何值時M最大，應第15頁,共58頁，2024年2月25日，星期天若上式為零須

解此方程

x=4.9651142即：c2/λT=4.9651142

λT=2898(μm·K)此乃維恩位移定律，其中的λ即某溫度T時黑體輻射出射度Mbλ的峰值波長λm，通常寫為

=0第16頁,共58頁，2024年2月25日，星期天維恩（wien）最大發(fā)射本領定律：

描述黑體光譜輻射出射度的峰值與溫度關系的公式。

將維恩位移定律代入普朗克公式

其中

B=1.2862×10-11W·m-2·μm-1·K-5

第17頁,共58頁，2024年2月25日，星期天意義：1、只先知一個溫度T，便知最大M所在處的波長及M值。2、M數(shù)值隨溫度升高很快。（M峰值升高，曲線下面積增大，M也大）bλm

第18頁,共58頁，2024年2月25日，星期天例題:假定太陽表面的行為和黑體表面一樣,從實驗測得太陽輻射的試估算太陽表面溫度和出射度?解：由第19頁,共58頁，2024年2月25日，星期天§2.2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（相關色溫）、亮溫和輻射溫度。第20頁,共58頁，2024年2月25日，星期天分布溫度：是指在一定譜段范圍內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的黑體溫度?；殷w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）、白熾燈第21頁,共58頁，2024年2月25日，星期天色溫與相關色溫:１.色溫:Tc(colourtemperature)待測輻射源在溫度T時所呈現(xiàn)的顏色與某一溫度Tc時的黑體顏色相同(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:Ｋ)２.相關色溫：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色溫用Ｔ表示（單位：Ｋ）第22頁,共58頁，2024年2月25日，星期天各光源的色溫第23頁,共58頁，2024年2月25日，星期天

u-v色度圖中黑體軌跡和等色溫線第24頁,共58頁，2024年2月25日，星期天照度與色溫關系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.

照度和光源色溫的關系第25頁,共58頁，2024年2月25日，星期天輻亮度溫度：實際發(fā)射體在某一波長（窄譜段范圍內）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，黑體溫度稱為發(fā)射體的輻亮度溫度。（可見光范圍內，稱為亮度溫度）輻射溫度：在整個光輻射的譜段范圍內的輻亮度與某溫度黑體輻亮度相等時黑體的溫度。第26頁,共58頁，2024年2月25日，星期天人工標準黑體輻射源自然輻射源人工輻射源標準照明體和標準光源§2.2輻射源第27頁,共58頁，2024年2月25日，星期天腔型黑體輻射源構成：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：銅芯第28頁,共58頁，2024年2月25日，星期天第29頁,共58頁，2024年2月25日，星期天自然輻射源太陽地球月球星球大氣輝光夜天空輻射第30頁,共58頁，2024年2月25日，星期天人體熱輻射第31頁,共58頁，2024年2月25日，星期天人工輻射源白熾燈氣體放電燈半導體發(fā)光二極管（LED）激光光源第32頁,共58頁，2024年2月25日，星期天白熾燈真空鎢絲燈充氣鎢絲燈鹵鎢燈第33頁,共58頁，2024年2月25日，星期天鎢絲燈、鎢帶燈和鎢管燈鎢絲燈是近紅外測量中常用的輻射源。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3μm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1100℃，充氬燈的溫度可達2700℃。第34頁,共58頁，2024年2月25日，星期天能斯脫燈由鋯、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等對紅外透明的晶體制備三棱鏡進行色散分光，以獲得2-38μm紅外輻射光譜區(qū)中的某一段。第35頁,共58頁，2024年2月25日，星期天能斯脫燈有壽命長，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，以作為電極與電路的連接。由于能斯脫燈都是細長的圓柱形，因而對分光光度計狹縫的照明特別有用。能斯脫燈的主要缺點是機械強度低，稍受壓，就會損壞。典型能斯脫燈的各項參數(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）。第36頁,共58頁，2024年2月25日，星期天硅碳棒通電加熱到1273K以上時，在10μm以上的光譜區(qū)，其發(fā)射的紅外輻射比能斯托燈更強。硅碳棒的主要缺點是最高工作溫度較低，需要鎮(zhèn)流的電源設備。同時，由于碳化硅材料的升華效應，會使材料粉末沉積在光學儀器表面上，因此它不能靠近精密光學儀器附近工作。另外，工作時需要水冷裝置，耗電量較大等。第37頁,共58頁，2024年2月25日，星期天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200℃～1300℃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，還具有很好的化學穩(wěn)定性，但機械強度和耐沖擊性能較差。第38頁,共58頁，2024年2月25日，星期天氣體放電輻射源當電流通過氣體媒質時，會產(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．碳弧第39頁,共58頁，2024年2月25日，星期天氣體放電燈低壓氣體放電（原子發(fā)光，線光譜波長標準燈低壓汞燈、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（短弧氙燈）第40頁,共58頁，2024年2月25日，星期天半導體發(fā)光二極管目前，技術上最成熟、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）第41頁,共58頁，2024年2月25日，星期天半導體發(fā)光二級管（LED）注入型電致發(fā)光器件PN結特點：工作電流小于25mA時發(fā)光亮度與正向電流基本呈線性關系、響應速度快、工作電壓低、小巧輕便耐振動壽命長單色性好、發(fā)光效率低、有效發(fā)光面積問題第42頁,共58頁，2024年2月25日，星期天半導體二極管激光器與LED的區(qū)別：有法布里-珀羅諧振腔，工作在強電流注入?yún)^(qū)第43頁,共58頁，2024年2月25日，星期天激光光源光束發(fā)散角極小0.1mrad單色性好相干長度長功率密度高如何實現(xiàn)？首先要有能實現(xiàn)能級粒子束反轉的工作物質還必須建立諧振腔造成連鎖反應雪崩放大第44頁,共58頁，2024年2月25日，星期天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激光器等可調諧染料激光器半導體激光器第45頁,共58頁，2024年2月25日，星期天自由電子激光器特點（1）輸出的光輻射可以在從毫米波到X射線的頻率范圍內連續(xù)可調；（2）可以獲得極大的輸出功率，由注入的電子束能量決定；（3）理論上能量轉換效率可達50%（4）自由電子激光是脈沖光，具有很好的時間分辨率（5）自由電子激光的通量高、強度大第46頁,共58頁，2024年2月25日，星期天同步輻射高能電子在運動過程中，只要有加速度就會輻射波長連續(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，具有很好的時間分辨率（4）同步輻射光的通量高、強度大、準直好。第47頁,共58頁，2024年2月25日，星期天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驗專用的高能對撞機的兼用機，如北京光源（BSR）就是寄生于北京正負電子對撞機（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存環(huán)的專用機，如合肥國家同步輻射實驗室（HLS）；第48頁,共58頁，2024年2月25日，星期天第三代同步輻射光源是基于性能更高的同步輻射專用儲存環(huán)的專用機，如上海光源(SSRF)。上海光源是一臺高性能的中能第三代同步輻射光源，它的英文全名為ShanghaiSynchrotronRadiationfacility，簡稱SSRF。它是我國迄今為止最大的大科學裝置和大科學平臺。

第49頁,共58頁，2024年2月25日，星期天上海光源的先進性性能價格比高：儲存環(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的新進展，不僅可在光子能量為1~5keV產(chǎn)生最高耀度的同步輻射光，而且在5~20keV光譜區(qū)間可產(chǎn)生性能趨近6~8GeV高能量光源所產(chǎn)生的高耀度硬X光；全波段：波長范圍寬，從遠紅外直到硬X射線，且連續(xù)可調。利用不同波長的單色光，可揭示用其他光源無法得知的科學秘密；高強度：總功率為600千瓦，是Ｘ光機的上萬倍。光通量大于1015光子/（S·10－3bw）。高強度和高通量為縮短實驗數(shù)據(jù)獲取時間、進行條件難以控制的實驗以及醫(yī)學、工業(yè)應用提供了可能;高耀度：其耀度是最強的Ｘ光機的上億倍，主要光譜復蓋區(qū)的光耀度為1017～1020光子/（S·mm2·mrad2·10－3bw）。高亮度為取得突破性科技成果提供了高空間分辨、高動量分辨和超快時間分辨的條件；優(yōu)良的脈沖時間結構：其脈沖寬度僅為幾十皮秒，可以單束團或多束團模式運行，相鄰脈沖間隔可調為幾納秒至微秒量級，能為研究化學反應動力過程、生命過程、材料結構變化過程和大氣環(huán)境污染過程等提供正確可信的數(shù)據(jù)；

第50頁,共58頁，2024年2月25日，星期天高偏振：上海光源中在電子軌道平面上放出的同步光是完全