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 以不斷地進行下去。以不斷地進行下去。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)來描述用輻射本領(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，在單位時間單位表面積所輻的輻射體，在單位時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 絕對黑體的輻射定律絕對黑體的輻射定律: :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)計理論用統(tǒng)計理論, ,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( )bM TT4.4.維恩定律維恩定律: :對普朗克輻射公式求導(dǎo)后對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， 取最大值時對應(yīng)的波

5、長取最大值時對應(yīng)的波長可見可見b b一定一定, , 即當(dāng)絕對溫度增高時即當(dāng)絕對溫度增高時, ,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動, ,圖如下圖如下: :mT( , )0bdMTdmbT( , )bMT32.898 10bm Km( , )bMT曲線的說明（黑體的輻射特性）：M b隨波長連續(xù)變化。對應(yīng)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，M b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(guān)，與其它參數(shù)無關(guān)

6、。 黑體輻射亮度與觀察角度無關(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，即hc/KBT，此時對應(yīng)短波或低溫情形，普朗克公式中的指數(shù)項遠(yuǎn)大于1，故可以把分母中的1忽略，這時普朗克公式變?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，即hc/KBT，此時對應(yīng)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)?這就是瑞利普金公式，它僅適用于黑體輻射的長波部分。 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時黑體輻射出射度Mb的峰值波長m，通常寫為 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） bm 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

8、體表面一樣, ,從從 實驗測得太陽輻射的實驗測得太陽輻射的 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:) .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：實際發(fā)射

10、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，黑體溫度稱為發(fā)射體的輻亮度溫度。（可見光范圍內(nèi)，稱為亮度溫度） 輻射溫度：在整個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

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等對紅外透明的晶體制備三棱鏡進行色散分光，

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，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）。硅碳棒 通電加熱到1273K以上時，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。 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(shè)備。同時，由于碳化硅材料的升華效應(yīng)，會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，但機械強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，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碳弧氣體放

14、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（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)光二級管（LED） 注入型電致發(fā)光器件 PN結(jié) 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(guān)系、響

15、應(yīng)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 功率密度高如何實現(xiàn)？ 首先要有能實現(xiàn)能級粒子束反轉(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 （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

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，具有很好的時間分辨率 （5）自由電子激光的通量高、強度大同步輻射 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(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(fù)電子對撞機（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用儲存環(huán)的專用機，如合肥國家同步輻射實驗室（HLS）； 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。 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(shù)的新進展，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：波長范圍寬，從遠(yuǎn)紅外直到硬X射線，且連續(xù)可調(diào)。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(xué)秘密； 高強度：總功率為600千瓦，是光機的上萬倍。光通量大于1015光子/（S103 bw）。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(xué)、工業(yè)應(yīng)用提供了可能;高耀度：其耀度是最強的光機的上億倍，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、高動量分辨和超快時間分辨的條件；優(yōu)良的脈沖時間結(jié)構(gòu)：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(diào)為幾納秒至微秒量級，能為研究化學(xué)反應(yīng)動力過程、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的穩(wěn)定束流，光束位置穩(wěn)定度僅約光斑的10%； 高效性：