第二章:基本概念-黑体辐射定律

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黑体辐射的基本定律

黑体辐射的基本定律


C0

T 100

4
W/m2
式中,C0为黑体辐射系数,5.67W/m2·K4
2020/3/11
7
设想有一个温度均匀的包壳
包壳由一个带有活塞的汽缸所构成,假设活塞表面 为理想镜面,汽缸内空间完全真空,各表面保持温 度为T,汽缸各表面将辐射出能量,缸内充满着辐射 密度ub= f(T)的射线,对活塞壁面的压应力Pr=ub/3 【设想利用汽缸完成下列可逆循环】
0
(1

kT ) 1
kT
4
ub

8 4
kT
E


ekT 1
hv hc0
ub

8 4
kT

8 4
E

8 4



ekT 1
8 4
hc0
hc0

ekT 1
8hc0
5

e
hc0 kT
1


Eb

c0 4
ub

2hc02
T
ln ub 4 ln T ln C ub CT 4
2020/3/11
Eb

c0 4
ub
T 4
推导四次方定律的可逆热力循环
【证毕】
9
Planck认为黑体以ε=hv为基本能量单位,不断发射和吸收频率 为v的辐射, hv称为能量子,h为普朗克常数
h 6.62561034 J s k 1.38054 10 23 J K
在此基础上,振子所具有的平均能量用E来说明


2020/3/11
E ekT 1

黑体辐射的规律和结论

黑体辐射的规律和结论

黑体辐射是由德国物理学家爱因斯坦在20世纪初提出的一种热辐射的理论。

黑体辐射的规律是物体的温度越高,它所发出的辐射能量就越大。

黑体辐射的结论是:物体的温度越高,它所发出的辐射能量也就越大,而且辐射能量随着物体温度的增加而增加,并且辐射能量随着物体温度的升高而升高。

黑体辐射还有一个重要的结论,就是黑体辐射的能量分布是随着波长缩短而增加的,这个结论叫做黑体辐射定律。

黑体辐射的理论对于热学和光学领域有重要的意义,并且在宇宙学、天文学、材料科学等领域有广泛的应用。

黑体辐射是由热力学原理推导出来的,它是描述物质在高温下发射出的电磁辐射能量分布的理论。

黑体是指在黑暗中发射的辐射,它是理论上的概念,不存在真正的黑体。

黑体辐射的规律是物体的温度越高,它所发出的辐射能量就越大。

这个规律称为黑体辐射定律,也被称为爱因斯坦辐射定律。

定律表明,对于同一温度的黑体,它所发出的辐射能量是固定的,并且随着温度的升高而增加。

黑体辐射还有一个重要的结论,就是黑体辐射的能量分布是随着波长缩短而增加的,这个结论叫做黑体辐射定律。

根据这个定律,可以得出黑体辐射能量在红外波段和紫外波段较强,而在可见光波段较弱。

黑体辐射的理论对于热学和光学领域有重要的意义,并且在宇宙学、天文学、材料科学等领域有广泛的应用。

第2节郎伯余弦定律 黑体辐射定律

第2节郎伯余弦定律 黑体辐射定律
半导体基础知识
光电效应 光电探测器的噪声和特性
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第 一 章
光电检测应用基础
1.2 郎伯余弦定律 黑体辐射定律
1.郎伯余弦定律
(1) 点源 从强度为I的点源辐射到立体角Ω的通量:
(1) 若点源向各个方向的辐射是均匀的,则总的通量为: (2) 若照射一个小面元dA, dA的法线与dA到点源的连 线r的夹角θ,则照到dA上的通量为:
第 一 章
光电检测应用基础
② 郎伯源的辐出度 与辐亮度的关系
根据朗伯定律可以推算出朗伯面的单位面积向半球空间内辐 射出去的总功率(即辐射出射度 Me)与该面元的法向辐射亮 度 LN之关系
(6)
第 一 章
光电检测应用基础
③ 漫反射面 辐射亮度与辐射方向无关的辐射源称为漫辐射源。 若投射到表面的漫反射面dS上的照度E,则该面接受的 光通量为: (7) 若漫反射面的反射系数为K, 则该面散射的光通量为: (8) 由于漫反射面可近似的看作伯朗反射面,则 (9) 其中Ls为表面的视亮度,由(7)-(9)得: (10)
第 一 章
光电检测应用基础
朗伯源的亮度不随方向变化而改变( LN ),即其上单 位投影面积辐射到立体角内的功率不随立体角在空间的 取向而改变,因而从任何角度观测朗伯源的亮度是一样 的,这是因为辐射源的表观面积随表面法线与观测方向 夹角的余弦而变化。符合此规律的辐射面称为朗伯面。 对于绝对黑体,朗伯余弦定律极为正确。但在实际工作 和生活中,人们遇到的各种漫辐射源只是近似地遵从朗 伯余弦定律,所以朗伯辐射源是个理想化的概念。
第 一 章
光电检测应用基础
(4)维恩位移定律 从普朗克公式及图1-13可以看出:
当黑体温度升高时,辐射谱峰向短波方向移动,维恩

黑体辐射的基本定律

黑体辐射的基本定律
二、黑体辐射的基本定律
(Basic Law for Black Body Radiation)
黑体辐射的理论建立在如下几个基本定律基础上
➢普朗克(Plank)定律(1900) ➢ 维恩位移(Wien’s displacement)定律(1893热力学理论) ➢ 斯忒藩—波尔兹曼(Stefan-Boltzman)定律(1879实验,
如图,Eλ有最大值;随着T 增大
max向左(短波)方向移动
1893根据热力学理论得出
由Plank’s Law对 求导,并令
dEb
d

d
d

c15
ec2 T
1
T
const
0
maxT 2.8976 10 3 2.9 10 3 m K
2020/3/11
T
ln ub 4 ln T ln C ub CT 4
2020/3/11
Eb

c0 4
ub
T 4
推导四次方定律的可逆热力循环
【证毕】
9
c1 —第一辐射常量, 3.742×10-16 W ·m2 c2 —第二辐射常量, 1.438× 10-2m ·K
λ—波长,m e—自然对数的底
2020/3/11
2
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3
瑞利—金斯定律
黑体单色辐射密度(辐射场内单位体积包含的能量)
8 ub 4 kT
K为玻耳兹曼常数,kT为按能量均匀分布定律描述的一个处 于平衡状态下、温度为T的振子所具有的平均能量
0
(1

kT ) 1
kT
4
ub

8 4
kT
E

辐射换热基本定律及物体的辐射特性

辐射换热基本定律及物体的辐射特性

三.实体的辐射特性
☆.基尔霍夫(G.R.Kirchhoff)定律 基尔霍夫(G.R.Kirchhoff) 揭示了物体吸收辐射能的能力与发射辐射能的能力之间的关系. 揭示了物体吸收辐射能的能力与发射辐射能的能力之间的关系.
表达式: 表达式:
αλ (θ,ϕ,T ) = ελ (θ,ϕ,T )
说明吸收辐射能能力愈强的物体的发射辐射能能力也愈强。 说明吸收辐射能能力愈强的物体的发射辐射能能力也愈强。在温度相同的物体 黑体吸收辐射能的能力最强,发射辐射能的能力也最强. 中,黑体吸收辐射能的能力最强,发射辐射能的能力也最强.
热辐射能量的表示方法. ◆. 热辐射能量的表示方法. 辐射力E: 一定温度下, 物体在单位表面积、单位时间内向半球空间所有方向上发射出去 辐射力E: 一定温度下, 物体在单位表面积、单位时间内向半球空间所有方向上发射出去 全部波长的总能量.W/m 的全部波长的总能量.W/m2 光谱辐射能力E 在相同条件下, 物体发射的特定波长的能量. 光谱辐射能力Eλ :在相同条件下, 物体发射的特定波长的能量.
辐射换热基本定律及实体辐射特性
1.热辐射基本概念 1.热辐射基本概念 2.黑体辐射基本定律 2.黑体辐射基本定律 3.实体的辐射特性 3.实体的辐射特性
一.辐射换热
辐射是利用电磁波来传输能量,辐射换热不同于导热和对流方式: 辐射是利用电磁波来传输能量,辐射换热不同于导热和对流方式: 1.它不需要工作介质. 1.它不需要工作介质. 它不需要工作介质 2.传输的能量与涉及物体的温度的四次方或五次方成正比例. 2.传输的能量与涉及物体的温度的四次方或五次方成正比例. 传输的能量与涉及物体的温度的四次方或五次方成正比例
Lambert定律 揭示黑体发射的辐射能按空间方向的分布规律. 定律: 3. Lambert定律:揭示黑体发射的辐射能按空间方向的分布规律.

8-2 黑体辐射基本定律

8-2 黑体辐射基本定律

3. Eb 与I 的关系
黑体:
Eb I cosd
2
I cosd
2
I
2 0
2 cos sindd
0
θ

rsinθ
dA2
r
dA1
β dβ
I
漫射表面: E I cosd I 2
即当物体遵守兰贝特定律时,辐射力是任何方向上定向
辐射强度的倍。
THANKS
2
1
b
2
0
Eb d
1
0
E b
d
能量份额:
黑体辐射函数,可查表
Fb ( 0 T )
Eb(0 ) E b(0 )
0
Eb d f (T )
Eb
E b ( 1 2 ) E b ( Fb ( 0 2T ) F ) b ( 0 1T )
例: 一盏100W的白炽灯,发光时钨丝的温度可达2800K。如将灯 丝按黑体看待。试确定它发出的辐射能中可见光所占的百分数
增大, Eb 先增后减; Eb,max 对应的波长为 3)Tm升;高, m减小;
4) T升高, 可见光成分增加。
Planck定律的示图
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二、维恩位移定律
求Eb,max 时的m.
mT 2897 .6 m K
三、斯蒂芬-玻尔兹曼定律(四次方定律)
解: 利用黑体辐射函数表:1T 0.38 2800 1064m K 2T 0.76 2800 2128m K
查表,得 Fb(01T ) 0.0007 0.07%
Fb (02T ) 0.088 8.8%
可见光占的总能量百分数:8.8-0.07=8.73% 即白炽灯发出的90%多的能量仅起到红外加热作用, 不起照明作用。

热辐射与黑体辐射定律

热辐射与黑体辐射定律

热辐射与黑体辐射定律热辐射是物体由于其内部热运动而向周围空间发出的电磁波辐射。

研究热辐射现象可以帮助我们更好地理解能量转换和传递的基本原理。

在研究热辐射过程中,黑体辐射定律是非常重要的基础。

1. 什么是黑体辐射定律?黑体辐射定律是描述黑体辐射特性的基本规律。

黑体是指能够完全吸收所有辐射射入的物体,不会反射和透射任何辐射。

根据黑体辐射定律,黑体的辐射功率与其温度的四次方成正比。

2. 定义和表述黑体辐射的功率与单位面积、单位时间内辐射出的能量有关。

设黑体表面在频率范围ν到ν+Δν内单位面积、单位时间内辐射出的能量为E(ν, T),单位频率的能量密度为u(ν, T),则黑体辐射定律可表述为:u(ν, T)dν = C_1 * ν^3 / (e^(C_2 * ν / T) - 1)dν其中,C_1和C_2为物理常数;T为黑体的温度。

3. 史蒂芬-波尔兹曼定律史蒂芬-波尔兹曼定律是黑体辐射定律在宏观上的表述。

根据史蒂芬-波尔兹曼定律,单位面积的黑体表面辐射出的总功率与温度的四次方成正比。

P = σ * A * T^4其中,P为单位面积的辐射功率,A为黑体表面的面积,T为黑体的温度,σ为斯特藩-玻尔兹曼常数。

4. 海森堡不确定关系海森堡不确定关系在量子力学中对辐射的测量带来了限制。

根据海森堡不确定关系,我们无法同时精确测量一个粒子的位置和动量。

这意味着在精确测量辐射的频率时,我们无法同时确切知道辐射源的位置。

5. 应用黑体辐射定律在热学、天体物理学等领域具有广泛的应用。

例如,我们可以利用黑体辐射定律研究宇宙中的星体辐射特性,从而推断它们的温度和组成成分。

此外,在设计太阳能电池板等热能转换设备时,我们也需要考虑黑体辐射的定律。

总结:热辐射是物体由于内部热运动而向周围空间发出的电磁波辐射。

黑体辐射定律是解释和描述热辐射特性的基本规律,揭示了辐射功率与温度之间的关系。

史蒂芬-波尔兹曼定律进一步阐述了黑体的辐射功率与其温度的四次方之间的关系。

黑体辐射定律

黑体辐射定律

基尔霍夫热辐射定律基尔霍夫热辐射定律(Kirchhoff热辐射定律),德国物理学家于提出的定律,它用于描述物体的与之间的关系。

简介一般研究辐射时采用的模型由于其吸收比等于1(α=1),而实际物体的吸收比则小于1(1>α>0)。

基尔霍夫热辐射定律则给出了实际物体的与之间的关系。

M为实际物体的辐射出射度,M b为相同温度下黑体的辐射出射度。

而发射率ε的定义即为所以有ε=α。

所以,在热平衡条件下,物体对热辐射的吸收比恒等于同温度下的发射率。

而对于漫灰体,无论是否处在热平衡下,物体对热辐射的吸收比都恒等于同温度下的发射率。

不同层次的表达式对于定向的,其基尔霍夫热辐射定律表达式为对于半球空间的光谱,其基尔霍夫热辐射定律表达式为对于全波段的半球空间,其基尔霍夫热辐射定律表达式为θ为纬度角,φ为经度角,λ为光谱的波长,T为温度。

参考文献杨世铭,陶文铨。

《传热学》。

北京:高等教育出版社,2006年:356-379。

王以铭。

《量和单位规范用法辞典》。

上海:上海辞书出版社普朗克黑体辐射定律普朗克定律描述的黑体辐射在不同温度下的频谱中,普朗克黑体辐射定律(也简称作普朗克定律或黑体辐射定律)(英文:Planck's law, Blackbody radiation law)是用于描述在任意T下,从一个中发射的的与电磁辐射的的关系公式。

这里辐射率是频率的函数:这个函数在hv=时达到峰值。

如果写成的函数,在单位内的辐射率为注意这两个函数具有不同的单位:第一个函数是描述单位频率间隔内的辐射率,而第二个则是单位波长间隔内的辐射率。

因而和并不等价。

它们之间存在有如下关系:通过单位频率间隔和单位波长间隔之间的关系,这两个函数可以相互转换:电磁波和的关系为普朗克定律有时写做频谱的形式:这是指单位频率在单位内的能量,单位是焦耳/(立方米·赫兹)。

对全频域积分可得到与频率无关的能量密度。

一个黑体的辐射场可以被看作是,此时的能量密度可由气体的参数决定。

工程热力学与传热学-§11-2 黑体辐射的基本定律

工程热力学与传热学-§11-2 黑体辐射的基本定律
E L cos L cos En cos
En 为表面法线方向的定向辐射力。兰贝特定律也称为余
弦定律。 根据辐射力与辐射强度的关系可求得:
E L cosd L cos sindd
2
2
2
/2
L0 d 0 sincosd L
4
§11-2 黑体辐射的基本定律
斯忒藩—玻耳兹曼定律表达式可直接由下式导出 :
Eb

0 Ebd
0
C1
eC2 /(T
5
) 1
d
波段辐射力 Eb12
E E d b12
2 1 b

2 0
Eb d

1 0
Eb
d
Eb12


Fb02


Fb01


Eb
6
§11-2 黑体辐射的基本定律
3. 兰贝特定律
兰贝特定律:黑体的辐射强度与方向无关,半球空间各 方向上的辐射强度都相等。
漫发射体:空间各个方向上辐射强度都相等的物体。
L L 常数
根据定向辐射力与辐射强度的关系
§11-2 黑体辐射的基本定律
§11-2 黑体辐射的基本定律
黑体辐射的基本定律 普朗克(Planck)定律 斯忒藩-玻耳兹曼
(Stefan-Boltzmann)定律 兰贝特(Lambert)定律
2
§11-2 黑体辐射的基本定律
1. 普朗克定律
Eb

C1 5
eC2 /T 1
C1= 3.743×10-16 Wm2 ; C2 = 1.439×10-2 mK。
7
8
波段辐射力 Eb12 占黑体辐射力Eb的百分数

第二章_热辐射定律及标准光源

第二章_热辐射定律及标准光源
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
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:K)
2.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T 表示(单位:K)
各光源的色温
u-v色度图中黑体轨迹和等色温线
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1~5keV产生最高耀度的同步辐射光,而且在5~20keV光谱区间可产生性 能趋近6~8GeV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X光机的上万倍。光通量大于1015光子/ (S.10-3bw)。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;
4.光谱辐射本领: Me(,T )
面元s在单位面M积e (,单,T位) 波 d长d范e(d围s) 内辐射量:

黑体辐射定律

黑体辐射定律

基尔霍夫热辐射定律基尔霍夫热辐射定律(Kirchhoff热辐射定律),德国物理学家古斯塔夫·基尔霍夫于1859年提出的传热学定律,它用于描述物体的发射率与吸收比之间的关系。

简介一般研究辐射时采用的黑体模型由于其吸收比等于1(α=1),而实际物体的吸收比则小于1(1>α>0)。

基尔霍夫热辐射定律则给出了实际物体的辐射出射度与吸收比之间的关系。

•M为实际物体的辐射出射度,M b为相同温度下黑体的辐射出射度。

而发射率ε的定义即为所以有ε=α。

所以,在热平衡条件下,物体对热辐射的吸收比恒等于同温度下的发射率。

而对于漫灰体,无论是否处在热平衡下,物体对热辐射的吸收比都恒等于同温度下的发射率。

不同层次的表达式对于定向的光谱,其基尔霍夫热辐射定律表达式为对于半球空间的光谱,其基尔霍夫热辐射定律表达式为对于全波段的半球空间,其基尔霍夫热辐射定律表达式为•θ为纬度角,φ为经度角,λ为光谱的波长,T为温度。

参考文献•杨世铭,陶文铨。

《传热学》。

北京:高等教育出版社,2006年:356-379。

•王以铭。

《量和单位规范用法辞典》。

上海:上海辞书出版社普朗克黑体辐射定律普朗克定律描述的黑体辐射在不同温度下的频谱物理学中,普朗克黑体辐射定律(也简称作普朗克定律或黑体辐射定律)(英文:Planck's law, Blackbody radiation law)是用于描述在任意温度T下,从一个黑体中发射的电磁辐射的辐射率与电磁辐射的频率的关系公式。

这里辐射率是频率的函数[1]:这个函数在hv=2.82kT时达到峰值[2]。

如果写成波长的函数,在单位立体角内的辐射率为[3]注意这两个函数具有不同的单位:第一个函数是描述单位频率间隔内的辐射率,而第二个则是单位波长间隔内的辐射率。

因而和并不等价。

它们之间存在有如下关系:通过单位频率间隔和单位波长间隔之间的关系,这两个函数可以相互转换:电磁波波长和频率的关系为[4]普朗克定律有时写做能量密度频谱的形式[5]:这是指单位频率在单位体积内的能量,单位是焦耳/(立方米·赫兹)。

黑体辐射理论、黑体辐射理论以及红外微光探测理论的研究

黑体辐射理论、黑体辐射理论以及红外微光探测理论的研究

摘要自然界一切温度都高于绝对零度的物体(物质)无不在每时每刻产生着红外辐射,且这种辐射都载有物体的特征信息。

本文第一部分介绍了黑体和黑体辐射,讨论了黑体的辐射规律,即基尔霍夫辐射定律、维恩位移定律、瑞利—金斯公式、普朗克定律、斯蒂藩—玻尔兹曼定律;第二部分讨论了红外传输理论,即红外辐射在大气中传输时发生衰减的物理起因和余弦定律;第三部分介绍了微光及微光探测理论,主要解释了发射率和实际物体的辐射。

关键词:黑体黑体辐射黑体辐射红外微光探测目录摘要 (I)第一章序言 (1)第二章黑体辐射理论 (2)2.1黑体和黑体辐射 (2)2.2基尔霍夫辐射定律 (3)2.3维恩位移定律 (6)2.4瑞利—金斯公式 (9)2.5普朗克公式 (9)2.6 Stefan-Boltzmann定律 (11)第三章红外传输理论 (13)3.1红外辐射在大气中的传输 (13)3.2Lambert定律 (13)第四章红外与微光探测理论 (16)4.1实际物体的辐射力 (16)4.2实际物体的定向辐射强度 (16)4.3物体发射率的一般变化规律 (18)4.4灰体的概念及其工程应用 (19)第五章结论 (20)参考文献 (21)第一章 序言自从英国天文学家赫谢耳(Herschel )在1800年发现红外线以来,随着红外辐射理论、红外探测器、红外光学以及红外探测及跟踪系统等的发展,红外技术在国民经济、国防和科学研究中得到了广泛的应用,已成为现代光电子技术的重要组成部分,受到世界各国的普遍关注。

其中研究热辐射的基本规律是红外物理的基本内容,本文首先讨论任意物体在热平衡条件下的辐射规律,即基尔霍夫定律。

接着讨论黑体的辐射规律,即基尔霍夫辐射定律、维恩位移定律、瑞利—金斯公式、普朗克定律、斯蒂藩—玻尔兹曼定律。

基尔霍夫定律是热辐射理论的基础之一。

它不仅把物体的发射与吸收联系起来,而且好指出了一个好的吸收体必然是一个好的发射体。

普朗克公式在近代物理发展中占有极其重要的地位。

黑体辐射的实验规律

黑体辐射的实验规律

黑体辐射的实验规律
黑体辐射的实验规律由黑体辐射定律、斯特藩-玻尔兹曼定律
和维恩位移定律组成。

1. 黑体辐射定律(普朗克定律):描述了黑体辐射的能量密度与频率之间的关系。

根据该定律,黑体辐射的能量密度与频率的平方成正比。

数学表达式为:B(ν, T) = (2hν^3 / c^2) * (1 / (exp(hν / kT) - 1)),其中B(ν, T)表示单位频率范围内的能量密度,ν表示频率,T表示黑体的温度,h为普朗克常数,c为光速,k为玻尔兹曼常数。

2. 斯特藩-玻尔兹曼定律:描述了黑体辐射的总辐射功率与温
度之间的关系。

根据该定律,黑体辐射的总辐射功率与温度的四次方成正比。

数学表达式为:P = σ * A * T^4,其中P表示
黑体辐射的总辐射功率,σ为斯特藩-玻尔兹曼常数,约等于
5.67 × 10^−8 W/(m^2·K^4),A表示黑体的表面积,T表示黑体的温度。

3. 维恩位移定律:描述了黑体辐射的主峰频率与温度之间的关系。

根据该定律,黑体辐射的主峰频率与温度成反比。

数学表达式为:λ_max = b / T,其中λ_max表示主峰频率对应的波长,b为维恩位移常数,约等于2.898 × 10^−3 m·K。

这些规律揭示了黑体辐射现象与温度、频率、波长之间的基本关系,对理解和研究热辐射、热力学以及量子物理学等领域有着重要的意义。

黑体辐射定律

黑体辐射定律

基尔霍夫热辐射定律基尔霍夫热辐射定律(Kirchhoff热辐射定律),德国物理学家古斯塔夫·基尔霍夫于1859年提出的传热学定律,它用于描述物体的发射率与吸收比之间的关系。

简介一般研究辐射时采用的黑体模型由于其吸收比等于1(α=1),而实际物体的吸收比则小于1(1>α>0)。

基尔霍夫热辐射定律则给出了实际物体的辐射出射度与吸收比之间的关系。

•M为实际物体的辐射出射度,M b为相同温度下黑体的辐射出射度。

而发射率ε的定义即为所以有ε=α。

所以,在热平衡条件下,物体对热辐射的吸收比恒等于同温度下的发射率。

而对于漫灰体,无论是否处在热平衡下,物体对热辐射的吸收比都恒等于同温度下的发射率。

不同层次的表达式对于定向的光谱,其基尔霍夫热辐射定律表达式为对于半球空间的光谱,其基尔霍夫热辐射定律表达式为对于全波段的半球空间,其基尔霍夫热辐射定律表达式为•θ为纬度角,φ为经度角,λ为光谱的波长,T为温度。

参考文献•杨世铭,陶文铨。

《传热学》。

北京:高等教育出版社,2006年:356-379。

•王以铭。

《量和单位规范用法辞典》。

上海:上海辞书出版社普朗克黑体辐射定律普朗克定律描述的黑体辐射在不同温度下的频谱物理学中,普朗克黑体辐射定律(也简称作普朗克定律或黑体辐射定律)(英文:Planck's law, Blackbody radiation law)是用于描述在任意温度T下,从一个黑体中发射的电磁辐射的辐射率与电磁辐射的频率的关系公式。

这里辐射率是频率的函数[1]:这个函数在hv=2.82kT时达到峰值[2]。

如果写成波长的函数,在单位立体角内的辐射率为[3]注意这两个函数具有不同的单位:第一个函数是描述单位频率间隔内的辐射率,而第二个则是单位波长间隔内的辐射率。

因而和并不等价。

它们之间存在有如下关系:通过单位频率间隔和单位波长间隔之间的关系,这两个函数可以相互转换:电磁波波长和频率的关系为[4]普朗克定律有时写做能量密度频谱的形式[5]:这是指单位频率在单位体积内的能量,单位是焦耳/(立方米·赫兹)。

热辐射定律及辐射源

热辐射定律及辐射源
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2. 2 黑体辐射的计算
• 编制黑体表z(x), 见附表1 -2, 则黑体在[λ1,λ2 ] 波段内的辐 射出射度为
• 具体计算步骤如下; • (1) 由λm =2 898/ T 确定λm; • (2) 求出x1 = λ1 / λm和x2 = λ2 / λm, 并查表得到z(x1) 和z(
长和温度而变化。
• 一般的, 任意物体的辐射可以表示为
• 自然界的物体在一定的温度下可以近似为灰体, 表2 -1 列出了一 些常用材料和地面覆盖物的辐射发射率。
• 2. 1. 2 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
• 2. 3. 2 色温和相关色温
• 色温是颜色温度的简称, 有几种定义方法。
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2. 3 辐射体的温度
• 在可见谱段内, 当发射体和某温度的黑体有相同的颜色时, 那么黑 体温度就称为发射体的色温, 即色温是把光源用与人眼主观色度感 觉一致的黑体温度描述的方式。 然而, 色温的概念也不仅限于人眼 色觉上的一致, 可扩展到任意波长, 色的概念就是光谱能量分布。
• 根据色度学, 色具有同色异谱的性质, 即相同的颜色可由具有不同 的光谱能量分布特性的光构成。 因此, 色温不能像分布温度那样近 似说明光源的光谱能量分布特性, 但对于具有不连续光谱的发射体 或具有连续光谱但其光谱能量分布特性与黑体相差甚大的发射体, 却可用色温来描述。
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2. 3 辐射体的温度
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2. 3 辐射体的温度
• 故式(2 -18) 的使用一般仅限于光源光谱能量分布和黑体的相差 不大于5%的情况。

第2章_热辐射定律及辐射源1

第2章_热辐射定律及辐射源1
M1 M 2 ... M 0 f ( , T ) a1 a2
M1 M 2 ... M 0 f (T ) a1 a2
2.1黑体辐射的基本定律
基尔霍夫定律是一切物体热辐射的普遍定律: 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, 则也不能吸收该波长的辐射。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。 引入辐射发射率或比辐射率 0 e M 0 1
2.3.1 分布温度
光源分布温度是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,因而分布温度可描述光源的光谱能量分布特性。 与黑体光谱能量分布近 似的发射体可用分布温度的 概念,例如白炽灯在可见谱 段内的光谱辐射特性和黑体 的十分近似。

2
1
M ( ) 2 {1 } d min aM 0 ( , Tb ) a , Tb
例: 已知太阳峰值辐射波长m=0.48m,日地平均距离L =1.495108 km,太阳半径Rs=6.955105 km,如将太阳和 地球均近似看作黑体,求太阳和地球的表面温度。 解:太阳黑体,故mTs=2898,即太阳的表面温度 Ts=6037.5 (K)
s M s 4 Rs2 太阳发射的辐射强度为 I 0 M s Rs2 Ts4 Rs2 4 4 4 2 I0 T R 地球吸收太阳的辐射通量为 ea ESe 2 Re2 s 2 s Re2 L L
1

,x / m ,并以 xm , mT 2898
x 5 y f ( x) 142.32 exp(4.9651/ x) 1
M 0 ( , T ) BT 5 f ( x)

黑体辐射的应用及其原理

黑体辐射的应用及其原理

黑体辐射的应用及其原理1. 引言在物理学中,黑体辐射是一个重要的概念。

它是指一个物体完全吸收所有入射辐射的能力,并以所有波长的辐射形式重新发射出来。

黑体辐射在许多领域都有广泛的应用,包括热辐射、光学传感器、太阳能电池等。

本文将介绍黑体辐射的基本原理以及其在各个领域的应用。

2. 黑体辐射的基本原理黑体辐射是由于物体的热运动而产生的电磁辐射。

根据普朗克辐射定律,黑体辐射的能谱密度与温度呈指数关系。

具体来说,黑体辐射的辐射功率密度可以用以下公式表示:B(T, λ) = (2hc²/λ⁵) * (1/(e^(hc/λkT) - 1))其中,B(T, λ)表示温度为T时,波长为λ的辐射功率密度,h为普朗克常数,c为光速,k为玻尔兹曼常数。

3. 黑体辐射的应用3.1 热辐射黑体辐射在热辐射领域有广泛的应用。

由于热辐射的能谱密度与温度呈指数关系,因此通过测量物体发出的辐射功率密度,可以准确地测量物体的温度。

这在物体表面温度测量、红外热成像等领域具有重要的应用价值。

3.2 光学传感器黑体辐射在光学传感器领域也有重要的应用。

光学传感器利用物体发出的辐射功率密度来检测物体的特征。

例如,在光电探测器中,通过测量黑体辐射的光强来判断物体的位置和形状。

这在自动化控制、机器视觉等领域具有广泛的应用。

3.3 太阳能电池太阳能电池是一种利用太阳光转化为电能的器件。

黑体辐射在太阳能电池中起着关键的作用。

太阳光照射到太阳能电池上时,被吸收并转化为电能。

黑体辐射的性质使得太阳能电池可以高效地转化太阳光的能量。

这使得太阳能电池在可再生能源领域具有巨大的潜力。

4. 结论黑体辐射是一个重要的物理现象。

它在热辐射、光学传感器和太阳能电池等领域都有广泛的应用。

通过研究黑体辐射的基本原理,可以更好地理解这些应用的工作原理。

随着科技的不断发展,黑体辐射的应用将继续拓展,并在更多领域发挥重要作用。

参考文献:1.Planck, M. (1901). On the Law of Distribution of Energy in the NormalSpectrum. Annalen der Physik, 309(3), 553-563.2.Liu, J., et al. (2018). Application of black body radiation theory intemperature measurement. Journal of Physics: Conference Series, 1103(1),012031.3.Li, Y., et al. (2020). Design of a novel energy harvester based onthermoelectric black body radiation. Journal of Microelectronics and Solid State Devices, 7(4), 247-253.。

普朗克黑体辐射定律的物理意义解析

普朗克黑体辐射定律的物理意义解析

普朗克黑体辐射定律的物理意义解析普朗克黑体辐射定律是物理学中的一个重要定律,它被广泛应用于热力学、光谱学、宇宙学等领域。

这个定律主要描述了黑体的辐射特性,并揭示了量子力学的重要思想,那么,它的物理意义究竟是什么呢?一、普朗克黑体辐射定律的概念普朗克黑体辐射定律是描述黑体辐射特性的一个定律,它由德国物理学家马克斯·普朗克在1900年提出,同时也是量子力学的奠基性工作之一。

在经典电动力学理论中,被加热的物体或者天体在释放能量的过程中,会随着温度的升高而放射出电磁波。

它的辐射特性与物体的温度、颜色等因素有关,这些特性可以通过经典电动力学方程来描述。

然而,这个理论在描述黑体辐射时却存在了一些未解决的问题,比如紫外灾变和紫外灾变后的辐射过度以及发射的光谱中发现了一个奇怪的尖峰等等,这些都无法用经典电动力学方程来解释。

为了解决这个问题,普朗克提出了一种新的辐射理论,即假设能量仅以微粒的形式来发射,即光子。

这个假设证明了辐射能量是量子化的,然后就有了量子力学。

而黑体辐射的特性也可以通过这个定理来描述,称为普朗克黑体辐射定律。

二、普朗克黑体辐射定律的重要性普朗克黑体辐射定律的提出,破解了经典物理学对于黑体辐射的理论模型跟实验数据不符的难题,同时它也奠定了量子力学的基础。

该定律揭示了自由空间发生电磁波辐射的细节,并证明了能量不是连续的,而是分散的,这是经典物理学无法解释的。

三、普朗克黑体辐射定律的物理意义概括来说,普朗克黑体辐射定律是:$$ P_{ \lambda,T } = \frac {2hc^2} {\lambda^5} \frac {1}{e^{\frac {hc} {\lambda k_B T}}-1} $$其中,$P_{ \lambda,T }$是波长为 $\lambda$ 的光线在温度为$T$ 的黑体内的辐射功率密度,$h$是普朗克常量,$c$是光速,$k_B$是玻尔兹曼常数。

由上式可知,辐射的波长与温度之间呈反比例关系,即温度越高,波长越短,所对应的频率越大。

黑体辐射基尔霍夫定律

黑体辐射基尔霍夫定律

黑体辐射基尔霍夫定律
黑体辐射与基尔霍夫定律:探索热辐射的奥秘
热辐射,是物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。

为了更好地研究这一现象,物理学家们定义了一种理想物体——黑体,作为热辐射研究的标准物体。

而基尔霍夫辐射定律,正是描述黑体辐射特性的关键理论。

基尔霍夫辐射定律指出,在热平衡状态下,任何物体所辐射的能量与吸收的能量之比与物体本身物性无关,只与波长和温度有关。

这一规律揭示了热辐射的一个重要特性:物体的辐射能力与其温度的四次方成正比。

这意味着随着温度的升高,物体的辐射能力会显著增强。

黑体作为一种理想化的物体,具有特殊的热辐射性质。

在相同温度下,黑体的辐射能力最强,吸收能力也最强。

这意味着黑体可以发射出更多的能量,并且能更有效地吸收外来能量,从而维持其温度稳定。

这种特性使得黑体在许多领域,如能源、环保和航天工程中具有广泛应用。

此外,基尔霍夫辐射定律还指出,黑体的光谱辐射亮度与波长的关系遵循普朗克公式。

这意味着在一定温度下,黑体的光谱辐射亮度在某些波长下达到峰值。

这一特性对于理解和控制热辐射过程具有重要意义。

总之,黑体辐射与基尔霍夫定律为我们揭示了热辐射的奥秘。

通过深入研究黑体的
热辐射特性,我们可以更好地理解热辐射现象,探索其在各个领域的应用前景。

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13
(3)维恩Wien位移定律
1893年维恩从热力学理论推导出:黑体辐射最 大强度的波长与它的温度成反比。同样将 planck函数对波长微分,可得:
黑体温度越高,max 愈小。即:随着温度的升高,
辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动。
14
(4) 基尔霍夫kirchhoff定律
15
FT BT AT
A
(1)普朗克Planck Law (1901)


9
C1 2hc2
C1 5 B (T ) exp C2 T 1


第一辐射常数 : C 2hc 第二辐射常数 : C hc k 光速 c = 3.0108 m s-1, 普朗克常数 h = 6.626210-34 J s -1, 波尔兹曼常数 k=1.380610-23 JK-1。 由普朗克定律可以得出各种温度下绝对黑体 的辐射光谱曲线。
3、每一温度下,都有辐射最强 的波长 max,即光谱曲线有一 极大值,而且随温度升高, max变小。
11
620 K
380 K
12
(2)斯蒂芬-玻耳兹曼定律 Stefan-Boltzmann
普朗克定律提出之前,1879年Stefan从实验得出,后 经Boltzmann于1884年从热力学理论上予以证明。即 黑体总辐射通量随温度的增加而迅速增加,它与绝对 温度的四次方成正比。因此,温度的微小变化,就会 引起辐射通量密度很大的变化。 Stefan-Boltzmann常数
4
黑体
5
黑体和灰体

绝对黑体
对所有波长的辐射吸收率均为1

单色黑体
对某一波长的辐射吸收率为1 注意:黑体与黑色物体是有区别的! 灰体 吸收率<1的常数,不随波长而变 选择性辐射体:吸收率小于1,且随波长而变化。
6

辐射平衡
当物体放射出的辐射能恰好等于吸收的辐
射能,称该物体处于辐射平衡。
立体角
定义
锥体所拦截的球面积σ 与半径r的平方之比,单 位为球面度sr,为一无量纲量 。


r2
如:对表面积为
4π r2的球,


d d 2 sin d d r


d rd r sin d
是极坐标中的天顶角[0,90] 是方位角[0,360]
1859年提出,于1882年由热力学定律论证
在辐射平衡条件下,任何物体的单色辐射通量密度 Fλ T与吸收系数Aλ T成正比关系,二者比值只是波长和 温度的函数,与物体性质无关,比值大小等于Planck 函数的通量密度形式
物体的发射率等于吸收率。好的吸收体也是好的发射体, 如果不吸收某些波长的电磁波,也不发射该波长的电磁波。
(3)维恩Wien位移定律(1893) (4) 基尔霍夫kirchhoff定律(1859)

8
1901年Planck提出量子化辐射的假设,对于绝 对黑体物质,单色辐射通量密度与发射物质的 温度和辐射波长或频率的关系。 从理论上得出,与实验精确符合 Planck函数:
2hc 2 B (T ) 5 exp hc k T 1

2 1
2
10
Planck Law (1901)
黑体辐射与物质组成无关 1、任何温度的绝对黑体都放射 波长 0 ~无穷 mm 的辐射,但 温度不同,辐射能量集中的波 段不同。
2、温度越高,各波段放射的能 量均加大。积分辐射能力也随 温度升高而迅速加大。但能量 集中的波段则向短波方向移动。 (例:铁)
以发射体为中心的球坐标中,立体角定义为:
2
第二节 黑体辐射 定律
3
1.2.1 吸收率、反射率和透射率
定义: 吸收率A = Ea / E0, 反射率R = Er / E0, A +R+ =1 透射率 = Et / E0。 当物体不透明时, = 0, 则有A + R = 1。吸收率、 反射率、透射率的概念可用于各种波长的条件 。单 色吸收率、反射率和透射率,分别记为Aλ Rλ λ 各种物体对不同波长的辐射具有不同的吸收率与放 射率,构成了该物体的吸收光谱或辐射光谱。
温度来描述它。热力学定律可用来研究辐射平 衡态时物体吸收和发射的规律:基尔霍夫定律 和有关黑体热辐射的三个定律。
这时物体处于热平衡态,因而可以用一态函数,
7
1.2.2四个定律

(1)普朗克Planck Law (1901) (2)斯蒂芬-玻尔兹曼定律(1884) Stefan-Boltzmann
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