第10章 热辐射的基本定律

第10章 热辐射的基本定律 图10-1 带有小孔的空腔作为黑体模型
第10章 热辐射的基本定律
在日常生活中，白天遥望远处楼房的窗口，会发现窗口 特别幽暗，就类似于黑体。这是因为光线进入窗口后，经过 墙壁多次反射吸收，很少再从窗口射出的缘故。在金属冶炼 炉上开一个观测炉温的小孔，这里小孔也近似于一个绝对黑 体的表面。现实世界中许多光源可近似认为是黑体，例如太 阳、星球等。
看不见发光。随着温度的升高，不仅物体辐射的能量愈来愈 大，而且颜色开始呈暗红色，继而变成赤红、橙红、黄白色， 达到1500℃，出现白光。其它物体加热时发光的颜色也有类 似随温度而改变的现象。这说明在不同温度下物体能发出不 同波长的电磁波。实验表明，任何物体在任何温度下，都向 外发射各种波长的电磁波。在不同温度下发出的各种电磁波 的能量按波长的分布不同。这种能量按波长的分布随温度而 不同的电磁辐射叫做热辐射。
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第10章 热辐射的基本定律
全反射比与光谱反射比、全吸收比与光谱吸收比以及全
透射比与光谱透射比之间的关系如下
P P
0




P
d

0 Pd
(10-9)
P P
0




Pd

0 Pd
(10-10)
P P


0


(10-12)
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10.1.3 绝对黑体 一般来说，入射到物体上的电磁辐射，并不能全部被物
体所吸收。物体吸收电磁辐射的能力随物体而异。我们设想 有一物体，它能够在任何温度下吸收一切外来的电磁辐射， 这种物体称之为绝对黑体，简称黑体。在自然界中，绝对黑 体是不存在的，即使最黑的煤烟也只能吸收入射电磁辐射的 95%，黑体只是一种理想模型。如果在一个由任意材料(钢、 铜、陶瓷或其它)做成的空腔壁上开一个小孔(如图10-1所示)， 小孔口表面就可近似地当作黑体。这时因为射入小孔的电磁 辐射，要被腔壁多次反射，每反射一次，壁就要吸收一部分 电磁辐射能，以致射入小孔的电磁辐射很少有可能从小孔逃 逸出来。
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假设功率为P的入射辐射能投射到某半透明的样品表面 上，其中一部分辐射功率Pρ被表面反射，另一部分辐射功率 Pα被媒质内部吸收，还有一部分辐射功率Pτ从媒质中透射过
因此得到
P=Pρ+Pα+Pτ
(10-2)
1 P P P PPP
(10-3)
如果我们把在样品上反射、吸收和透射的辐射功率与入

P 0 Pd
则反射、吸收和透射的全辐射功率分别为
(10-5)
P
0




P
d
P
0




P
d
P



0



Pd
(10-6) (10-7) (10-8)
分别将反射、吸收和透射的全辐射功率与入射的全辐射功率
的比值称为全反射比、全吸收比和全透射比。
单位面积上，所辐射出的各种波长的电磁波的能量总和，称
为辐射出射度，简称辐出度，它只是物体的热力学温度T的
函数，用M(T)表示。其值显然可由单色辐出度Mλ(T)对所有 波长的积分求得，即

M (T ) 0 M (T )d
(10-1)
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10.1.2 反射比、吸收比及透射比 任何物体在向周围发射辐射能的同时，也吸收周围物体
吸收的本领也不同。
物体在温度为T时，对于波长在λ和λ+dλ范围内辐射能的
吸收比，称为单色吸收比，用α(λ,T)表示。相应地，物体在
温度为T时，对于波长在λ和λ+dλ范围内辐射能的反射比和透
射比，则称为单色反射比和单色透射比，分别用ρ(λ,T)和
τ(λ,T)表示。它们也满足关系式(10-4)。
α(λ,T)+ρ(λ,T)+τ(λ,T)=1
第10章 热辐射的基本定律
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10.1 黑体辐射的基本定律 10.2 朗伯辐射体及其辐射特性 10.3 辐射量的计算 10.4 发射率和实际物体的辐射
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10.1 黑体辐射的基本定律
10.1.1 热辐射 当加热一个铁棒时，温度在300℃以下，只感觉它发热，
如果投射到样品上的辐射是波长为λ的光谱辐射，则相
应有
光谱反射比 P
P
光谱吸收比 P
P
光谱透射比 P
P 式中ρ(λ)、α(λ)和τ(λ)都是波长λ的函数，对于给定的波
长λ，它们也满足关系式(10-4)。
第10章 热辐射的基本定律 若入射的辐射是全辐射功率

P
d

0 Pd
(10-11)
只要将式(10-6)、(10-7)和(10-8)中的积分上下限换成从λ1到λ2， 就可以定义在光谱带λ1～λ2之间的相应量。
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物体的反射比和吸收比，也是随物体的温度和入射波的
波长而改变的。物体在同一温度下，对不同波长的吸收本领
是不同的，同样相同波长的入射波，在物体温度不同时，其
所放出的辐射能。这就是说，物体在任何时候都存在发射和 吸收电磁辐射的过程。如果某物体吸收的辐射能多于同一时 间放出的辐射能，则其总能量增加，温度升高；反之能量减 少，温度降低。
当辐射能入射到一个物体表面时，将发生三个过程：一 部分能量被物体吸收，一部分能量从物体表面反射，一部分 透射。对于不透明的物体，一部分能量被吸收，另一部分能 量从表面反射出去。
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为了定量描述某物体在一定温度下发出的辐射能随波长
的分布，引入“单色辐射出射度”的概念。波长为λ的单色
辐射出射度是指单位时间内从热力学温度为T的物体的单位
面积上发出的波长在λ附近单位波长间隔所辐射的电磁波能
量，简称单色辐出度。显然，单色辐出度是黑体的热力学温
度T和波长λ的函数，用Mλ(T)表示。从物体表面发射的电磁 波包含各种波长，在单位时间内从热力学温度为T的物体的
射的辐射功率之比分别定义为该样品的反射比、吸收比和透
射比，即
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反射比 吸收比
P
P P
P
P
P
ρ+α+τ=1
(10-4)
式中的反射比、吸收比和透射比均与样品的性质(材料种类、
表面状态及均匀性等)和温度有关，并随着入射辐射能的波
长及偏振状态变化。
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