文档介绍：第2章热辐射定律及辐射源 物体因温度而辐射能量的现象叫热辐射。热辐射是自然界中普遍存在的现象,一切物体,只要其温度高于绝对零度(- ? C)都将产生辐射. 黑体(或称绝对黑体)是一个能完全吸收入射在它上面的辐射能的理想物体。绝对黑体在辐射度学中的地位: 基准(比较\测量) 黑体辐射的基本定律 1859 年基尔霍夫指出:物体的辐射出射度 M和吸收本领 a的比值 M/a与物体的性质无关,都等于同一温度下绝对黑体(a =1) 的辐射出射度 M 0—基尔霍夫定律典型的腔型黑体辐射源 1 2 0 1 2 ... ( ) M M M f T a a ? ???全波长表达式 1 2 0 1 2 ... ( , ) M M M f T a a ? ??? ??? ???单波长表达式说明: 基尔霍夫定律是一切物体热辐射的普遍定律。定律表明: 吸收本领大的物体,其发射本领也大, 如果物体不能发射某波长的辐射能,则也不能吸收该波长的辐射能, 反之亦然。绝对黑体对于任何波长在单位时间,单位面积上发出或吸收的辐射能都比同温度下的其它物体要多。 (或称比辐射率) ??的概念 为了描述非黑体的辐射,引入“辐射发射率”的概念,定义为:在相同温度下,辐射体的辐射出射度与黑体的辐射出射度之比。 0 0 e M e M ? ??? ??? ???是波长?和温度 T 的函数,也与辐射体的表面性质有关, 数值在 0~1 之间变化。按照??的不同,一般将辐射体分为三类: 黑体, ??=1 ; 灰体, ??=?<1 ,与波长无关; 选择体, ??<1 且随波长和温度而变化。一般地,对于任意物体的辐射, 可以表示为: 0 ( ) ( ) ( ) M T T M T ? ????表 2-1 列出了常用材料的辐射发射率。 3. 黑体辐射定律 1) 普朗克辐射定律 基尔霍夫定律说明了黑体辐射出射度是波长和温度的函数, 使寻找黑体辐射出射度的具体表达式成为研究热辐射理论的最基本问题。历史上曾作了很长时间的理论与实验研究,然而,用经典理论得到的公式始终不能完全解释实验事实。直到 1900 年,普朗克提出一种与经典理论完全不同的学说,才建立与实验完全符合的辐射出射度公式。普朗克对黑体作了如下两点假设: , 而每个频率的简谐振子的能量只能取最小能量 E = hv的整数倍: E,? 2E, 3E…..., nE ,其中 h为普朗克常数, v是简谐振子的频率。 ,只能以 E= hv为单位一份一份地跳跃式进行。因此,谐振子只能从一个能级跃迁到另一能级,而不能处于两个能级间的某一能量状态,谐振子跃迁时伴随着辐射的发射或吸收。普朗克公式的几种表示形式: ?普朗克公式最常用的形式是以波长表示的方式 1)/ exp( 1),( 2 5 10??Tc cTM???其中, 第一辐射常数 c 1 =2 ? hc 2 = ×10 -16 (W ?m 2 ); 第二辐射常数 c 2= hc/k = ×10 -2 (m?K ); k为波尔兹曼常数; c为光速?普朗克公式也可用频率表示 1)/ exp( 2),( 3 0??Th hc TM??????由于黑体是朗伯辐射体,故也可得到辐亮度公式 1)/ exp( 1),( 2 5 10??Tc cTL?????如果 exp( c 2/? T ) ?? 1, 则可得到维恩近似式)/ exp( ),( 25 10Tc cTM?????图 2-3 黑体辐射曲线意义: 普朗克定律描述了黑体辐射的光谱分布规律,揭示了辐射与物质相互作用过程中和辐射波长及黑体温度的依赖关系,是黑体辐射理论的基础。 2)斯蒂芬—玻尔兹曼定律 在全波长内对普朗克公式积分,得到黑体辐射出射度与温度之间的关系——斯蒂芬—玻尔兹曼定律。 4 4 4 1 0 0 4 02 ( ) ( , ) 15 c M T M T d T T c ?? ? ??? ???[W/m 2] 其中, = ? 10 -8 (W ?m -2?K -4)称为斯蒂芬—玻尔兹曼常数。斯蒂芬—玻尔兹曼定律表明:黑体在单位面积单位时间内辐射的总能量与黑体温度 T 的四次方成正比。 4 4 1