第二章热辐射定律及标准光源

1、第二章第二章 热辐射定律及标准光源热辐射定律及标准光源2.2.1 1 黑体及辐射定律黑体及辐射定律2 2.2 .2 辐射体的温度辐射体的温度2 2.3 .3 辐射源辐射源2 2. .1 1 黑体及辐射定律黑体及辐射定律 概述概述: :1.1.热辐射热辐射: :只要通过加热来维持它的温度只要通过加热来维持它的温度, ,辐射就可辐射就可 以不断地进行下去。以不断地进行下去。2 2. .发光形式发光形式: :热辐射发光、化学发光、光致发光热辐射发光、化学发光、光致发光 阴极发光阴极发光3 3. .热辐射光谱热辐射光谱: :连续光谱连续光谱, ,辐射性质与温度有关辐射性质与温度有关, ,可可 用辐射本

2、领来描述用辐射本领来描述4 4. .光谱辐射本领光谱辐射本领: : 面元面元s s在单位面积在单位面积, ,单位波长范围内辐射量单位波长范围内辐射量: : 温度为温度为T T的辐射体，在单位时间单位表面积所辐的辐射体，在单位时间单位表面积所辐射的总发射本领为：射的总发射本领为：5 5. .光谱吸收本领光谱吸收本领: :( )( , )eedMTdds 0( , )MMeTd( , )MeT( ,)(eeTTT 、 ）、 ）6 6. .基尔霍夫定律基尔霍夫定律: : 在热平衡条件下在热平衡条件下12( , )( , )( , )( , )( , )( , )( , )MeTMeTMeTfTTTT

3、 7 7. .黑体黑体: :能在任何温度下能在任何温度下, ,全部吸收任何波长的辐射全部吸收任何波长的辐射 的物体的物体。 设以设以 和和 表示黑体的光谱辐射本领表示黑体的光谱辐射本领和吸收本领和吸收本领， 恒等于恒等于1,1, 由基尔霍夫定律得由基尔霍夫定律得: :( , )bT ( , )( , )( , )( , )( , )( , )bbMTMeTMeTfTTT ( , )bMT( , )bT 绝对黑体的辐射定律绝对黑体的辐射定律: :1 1. .普朗克辐射公式普朗克辐射公式: :普朗克在能量子假设基础上应普朗克在能量子假设基础上应 用统计理论用统计理论, ,最后导出黑体的光最后导出黑

4、体的光 谱辐射本领谱辐射本领2/51( , )(1)cTbMTCe16213.7415 10CW m221.4388 10Cm K2.2.黑体的光谱辐射亮度与光谱辐射出度之间的关系黑体的光谱辐射亮度与光谱辐射出度之间的关系: :3 3. .斯蒂芬波长定律：将式两边积分有：斯蒂芬波长定律：将式两边积分有：1(,)(,)bbLTMT8245.67032 10 W mK2/5140( )( , )(1)cTbbM TMT dCedT4( )bM TT4.4.维恩定律维恩定律: :对普朗克辐射公式求导后对普朗克辐射公式求导后, , 令令 有有 , , : :给定温度下，给定温度下， 取最大值时对应的波

5、长取最大值时对应的波长可见可见b b一定一定, , 即当绝对温度增高时即当绝对温度增高时, ,黑体黑体的光谱辐射本领的光谱辐射本领 的最大值向短波方向移的最大值向短波方向移动动, ,图如下图如下: :mT( , )0bdMTdmbT( , )bMT32.898 10bm Km( , )bMT曲线的说明（黑体的辐射特性）：M b随波长连续变化。对应某一个温度就有固定的一条曲线。（一旦温度确定，则M在某波长处有唯一的固定值） 温度越高，M b越大。（全辐射出射度M是曲线下面积） 随着温度T的升高，M的峰值波长向短波方向移动。（T再高就进入可见光区域了） 黑体的辐射特性只与其温度有关，与其它参数无关

6、。 黑体辐射亮度与观察角度无关。普朗克公式在以下两种极限条件下的情况。 （1）当c2/（T）1时，即hc/KBT，此时对应短波或低温情形，普朗克公式中的指数项远大于1，故可以把分母中的1忽略，这时普朗克公式变为 这就是维恩公式，它仅适用于黑体辐射的短波部分 （2）当c2/（T）1时，即hc/KBT，此时对应长波或高温情形，可将普朗克公式中的指数项展成级数，并取前两项 这时普朗克公式变为 这就是瑞利普金公式，它仅适用于黑体辐射的长波部分。 瑞利金斯公式和经典辐射模型的困难 维恩位移定律维恩位移定律 令x = c2/T X何值时M最大，应 若上式为零 须 解此方程 x = 4.9651142 即：

7、c2/T = 4.9651142 T = 2898 (mK) 此乃维恩位移定律，其中的即某温度T时黑体辐射出射度Mb的峰值波长m，通常写为 xxexex54) 1(5=0 Tbm维恩（wien）最大发射本领定律： 描述黑体光谱辐射出射度的峰值与温度关系的公式。 将维恩位移定律代入普朗克公式 其中 B = 1.286210-11Wm-2m-1K-5 5/51112BTecMTcmbmm意义： 1、只先知一个温度T，便知最大M 所在处的波长及M 值。 2、M 数值随温度升高很快。 （M 峰值升高，曲线下面积增大，M 也大） bm 例题例题: :假定太阳表面的行为和黑体表面一样假定太阳表面的行为和黑

8、体表面一样, ,从从 实验测得太阳辐射的实验测得太阳辐射的 试估算太阳表试估算太阳表 面温度和出射度面温度和出射度? ? 解：由解：由47mnm484265.6703 106160/bMTWm728.1710/Wm382.898 1061604.710mmbbTKT2 2. .2 2 辐射辐射体的温度体的温度 常用的用来描述光源、辐射体等地某些辐射特性的温度有分布温度、色温（相关色温）、亮温和辐射温度。 分布温度：是指在一定谱段范围内光源光谱辐亮度曲线和黑体的光谱辐亮度曲线成比例或近似地成比例时的黑体温度。 灰体概念：在一定温度下发射和黑体光谱辐亮度分布成比例的光谱辐射能的发射体 举例：水（T

9、=300K）、白炽灯 色温与相关色温: .色温:Tc(colour temperature) 待测辐射源在温度T时所呈现的颜色与某一温度Tc时的黑体颜色相同(色品相同)则称Tc为该辐射体光源的颜色与色温的色温度。简称色温Tc(单位:) .相关色温： 在均匀色品图中黑体轨迹上与待测辐射体色品最接近的色温度称之为相关色温用表示（单位：）各光源的色温各光源的色温 u-v色度图中黑体轨迹和等色温线色度图中黑体轨迹和等色温线为了使照明具有良好的效果，所选用的光源的色温必须与要为了使照明具有良好的效果，所选用的光源的色温必须与要求的照度相适应求的照度相适应. . 照度和光源色温的关系 辐亮度温度：实际发射

10、体在某一波长（窄谱段范围内）的光谱辐亮度和黑体在某一温度同一波长下的光谱辐亮度相等时，黑体温度称为发射体的辐亮度温度。（可见光范围内，称为亮度温度） 辐射温度：在整个光辐射的谱段范围内的辐亮度与某温度黑体辐亮度相等时黑体的温度。 人工标准黑体辐射源 自然辐射源 人工辐射源 标准照明体和标准光源2 2. .2 2 辐射辐射源源腔型黑体辐射源 构成：包容腔体的黑体芯子、加热绕组、测量与控制腔体温度的温度计和温度控制器 腔体形态：一般为球形、圆柱形、圆锥形 高温黑体源：石墨或陶瓷芯 中温黑体源：铬镍不锈钢芯 低温黑体源：铜芯自然辐射源 太阳 地球 月球 星球 大气辉光 夜天空辐射人体热辐射人工辐射源

11、 白炽灯 气体放电灯 半导体发光二极管（LED） 激光光源白炽灯 真空钨丝灯 充气钨丝灯 卤钨灯钨丝灯、钨带灯和钨管灯 钨丝灯是近红外测量中常用的辐射源。但由于玻璃泡透过区域的限制，这种灯的辐射波长通常在3m以下。 钨带灯是将钨带通电加热而使其发光的光源。钨带常做成狭长的条形，宽约为2mm，厚度约为0.05mm左右。 钨管灯是由一根在真空或氩气中通电加热的钨管做成的。真空灯的温度可达1100，充氩灯的温度可达2700。能斯脱灯 由锆、钇、钍等金属氧化物组成辐射体，通电发热后发射红外辐射，是红外光谱仪上常用的红外辐射源。 一般利用NaCl、KBr、CsI等对红外透明的晶体制备三棱镜进行色散分光，

12、以获得2-38m红外辐射光谱区中的某一段。 能斯脱灯有寿命长，工作温度高，黑体特性好和不需要水冷等特性。管子两端绕有铂丝，以作为电极与电路的连接。 由于能斯脱灯都是细长的圆柱形，因而对分光光度计狭缝的照明特别有用。能斯脱灯的主要缺点是机械强度低，稍受压，就会损坏。 典型能斯脱灯的各项参数如下：功率消耗为45W、工作电流为0.1A；工作温度为1980K；尺寸为3.1mm（直径）12.7mm（长度）。硅碳棒 通电加热到1273K以上时，在10m以上的光谱区，其发射的红外辐射比能斯托灯更强。 硅碳棒的主要缺点是最高工作温度较低，需要镇流的电源设备。同时，由于碳化硅材料的升华效应，会使材料粉末沉积在光

13、学仪器表面上，因此它不能靠近精密光学仪器附近工作。另外，工作时需要水冷装置，耗电量较大等。 乳白石英加热管 乳白石英加热管是一种新型红外加热元件。 乳白石英加热管是以天然水晶为原料，在以石墨电极为坩埚发热体的真空电阻炉中熔融（1740）拉制而成的。在熔融过程中，使气体在熔体中形成大量的小气泡，故外观呈乳白色。乳白石英玻璃材料耐热性能好（可耐2001300高温），热膨胀系数低，有优良的抗热震性能和电绝缘性能，此外，还具有很好的化学稳定性，但机械强度和耐冲击性能较差。 气体放电辐射源气体放电辐射源 当电流通过气体媒质时，会产生放电现象，利用这种放电现象可制作辐射源。 1水银灯 2氙气 3碳弧气体放

14、电灯 低压气体放电（原子发光，线光谱 波长标准灯 低压汞灯、低压钠灯等） 高压气体放电（高压氢灯氘灯、高压汞灯、长弧氙灯） 超高压气体放电（短弧氙灯）半导体发光二极管 目前，技术上最成熟、使用量最大的是在室温工作的GaAs发光二极管。 此外还有III-V族InP、GaSb、InAs、InSb、InGaAs、InPAs、InSbAs（近红外中波红外） II-VI族CdTe（近红外）、HgCdTe（近红外到长波红外） IV-VI族PbS、PbTe、PbSnTe（近红外到长波红外）半导体发光二级管（LED） 注入型电致发光器件 PN结 特点：工作电流小于25mA时发光亮度与正向电流基本呈线性关系、响

15、应速度快、工作电压低、小巧轻便耐振动寿命长单色性好、发光效率低、有效发光面积问题半导体二极管激光器 与LED的区别：有法布里-珀罗谐振腔，工作在强电流注入区激光光源 光束发散角极小 0.1mrad 单色性好 相干长度长 功率密度高如何实现？ 首先要有能实现能级粒子束反转的工作物质 还必须建立谐振腔 造成连锁反应 雪崩放大常用的激光器 气体激光器：He-Ne激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器等 固体激光器：红宝石激光器、玻璃激光器、YAG激光器等 可调谐染料激光器 半导体激光器自由电子激光器 特点 （1）输出的光辐射可以在从毫米波到X射线的频率范围内连续可调； （2）可以获得极大的输出功率，由

16、注入的电子束能量决定； （3）理论上能量转换效率可达50% （4）自由电子激光是脉冲光，具有很好的时间分辨率 （5）自由电子激光的通量高、强度大同步辐射 高能电子在运动过程中，只要有加速度就会辐射波长连续的电磁波。 （1）同步辐射光的光谱范围极宽，可从红外线直到X射线。 （2）同步辐射光的光谱范围和强度容易控制。通过合适的窗口，也可以选择所需要的光谱波段。 （3）同步辐射是脉冲光，具有很好的时间分辨率 （4）同步辐射光的通量高、强度大、准直好。同步辐射与同步辐射光源 第一代同步辐射光源是寄生于高能物理实验专用的高能对撞机的兼用机，如北京光源（BSR）就是寄生于北京正负电子对撞机（BEPC）的典

17、型第一代同步辐射光源；第二代同步辐射光源是基于同步辐射专用储存环的专用机，如合肥国家同步辐射实验室（HLS）； 第三代同步辐射光源是基于性能更高的同步辐射专用储存环的专用机，如上海光源(SSRF)。上海光源是一台高性能的中能第三代同步辐射光源，它的英文全名为Shanghai Synchrotron Radiation facility，简称SSRF。它是我国迄今为止最大的大科学装置和大科学平台。 上海光源的先进性性能价格比高：储存环的能量3.5GeV，在中能区光源中能量最高，性能优化在用途最广的X射线能区。利用近年来插入件技术的新进展，不仅可在光子能量为15keV产生最高耀度的同步辐射光，而且

18、在520keV光谱区间可产生性能趋近68GeV高能量光源所产生的高耀度硬X光；全波段：波长范围宽，从远红外直到硬X射线，且连续可调。利用不同波长的单色光，可揭示用其他光源无法得知的科学秘密； 高强度：总功率为600千瓦，是光机的上万倍。光通量大于1015光子/（S103 bw）。高强度和高通量为缩短实验数据获取时间、进行条件难以控制的实验以及医学、工业应用提供了可能;高耀度：其耀度是最强的光机的上亿倍，主要光谱复盖区的光耀度为10171020光子/（Smm2mrad2103 bw）。高亮度为取得突破性科技成果提供了高空间分辨、高动量分辨和超快时间分辨的条件；优良的脉冲时间结构：其脉冲宽度仅为几十皮秒，可以单束团或多束团模式运行，相邻脉冲间隔可调为几纳秒至微秒量级，能为研究化学反应动力过程、生命过程、材料结构变化过程和大气环境污染过程等提供正确可信的数据； 高偏振：上海光源中在电子轨道平面上放出的同步光是完全线极化的, 而离开电子轨道平面方向发射的同步光则是椭圆极化的，因而是研究具有旋光性的生物分子、药物分子和表现为双色性的磁性材料的有力工具； 准相干：上海光源从插入件引出的高耀度光具有部分相干性, 为众多前沿学科的显微全息成像分析开辟了道路；高稳定性，可以提供十几到几十小时的稳定束流，光束位置稳定度仅约光斑的10%； 高效性：