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§2.1黑体及辐射定律§2.2辐射体的温度§2.3辐射源§2.1黑体及辐射定律概述:1.热辐射:只要通过加热来维持它的温度,辐射就可以不断地进行下去。2.发光形式:热辐射发光、化学发光、光致发光阴极发光3.热辐射光谱:连续光谱,辐射性质与温度有关,可用辐射本领来描述4.光谱辐射本领:面元s在单位面积,单位波长范围内辐射量:温度为T的辐射体，在单位时间单位表面积所辐射的总发射本领为：5.光谱吸收本领:()(,)eedMTdds0(,)MMeTd(,)MeT'((,)(eeTTT、）、）6.基尔霍夫定律:在热平衡条件下12(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)MeTMeTMeTfTTTT7.黑体:能在任何温度下,全部吸收任何波长的辐射的物体。设以和表示黑体的光谱辐射本领和吸收本领，恒等于1,由基尔霍夫定律得:(,)bT(,)(,)(,)(,)(,)(,)bbMTMeTMeTfTTT(,)bMT(,)bT8.空腔辐射黑体模型及黑体基准器(如下图）:绝对黑体的辐射定律:1.普朗克辐射公式:普朗克在能量子假设基础上应用统计理论,最后导出黑体的光谱辐射本领2/51(,)(1)cTbMTCe16213.741510CWm221.438810CmK2.黑体的光谱辐射亮度与光谱辐射出度之间的关系:3.斯蒂芬波长定律：将式两边积分有：1(,)(,)bbLTMT8245.6703210WmK2/5140()(,)(1)cTbbMTMTdCedT4()bMTT4.维恩定律:对普朗克辐射公式求导后,令有,:给定温度下，取最大值时对应的波长可见b一定,即当绝对温度增高时,黑体的光谱辐射本领的最大值向短波方向移动,图如下:mT(,)0bdMTdmbT(,)bMT32.89810bmKm(,)bMT5.最大辐射定律:黑体最大辐射出射度与T的五次方成正比。例题:假定太阳表面的行为和黑体表面一样,从实验测得太阳辐射的试估算太阳表面温度和出射度?解：由47mnm484265.6703106160/bMTWm728.1710/Wm382.8981061604.710mmbbTKT§2.2辐射体的温度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=300K）、白炽灯色温与相关色温:１.色温:Tc(colourtemperature)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辐亮度温度：实际发射体在某一波长（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辐射源腔型黑体辐射源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：铜芯面型差分黑体源半导体帕尔帖效应：1843年，法国物理学家帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝，再将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上，通电后，他惊奇的发现一个接头变热，另一个接头变冷；这个现象后来就被称为“帕尔帖效应”。“帕尔帖效应”的物理原理为：电荷载体在导体中运动形成电流，由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，就会释放出多余的热量。反之，就需要从外界吸收热量（即表现为制冷）所以，半导体电子制冷的效果就主要取决于电荷载体运动的两种材料的能级差，即热电势差。纯金属的导电导热性能好，但制冷效率极低（不到1%）。半导体材料具有极高的热电势，可以成功的用来做小型的热电制冷器。经过多次实验，科学家发现：P型半导体（Bi2Te3-Sb2Te3）和N型半导体(Bi2Te3-Bi2Se3)的热电势差最大，应用中能够在冷接点处表现出明显制冷效果。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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3μm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，以获得2-38µm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10µm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200℃～1300℃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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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ShanghaiSynchrotronRadiationfacility，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。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;高耀度：其耀度是最强的Ｘ光机的上亿倍，主要光谱复盖区的光耀度为1017～1020光子/（S.mm2.mrad2.10－3bw）。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：总共将建设近60条以上光束线和上百个实验站，给用户的供光机时将超过5000小时/年，每天可容纳几百名来自海内外不同学科领域或公司企业的科学家/工程师，夜以继日地在各自的实验站上使用同步辐射光；灵活性：光源可运行于单束团、多束团、高通量、高亮度和窄脉冲等多种模式，可依据用户需求快速变换运行模式，以满足用户的多种需求；前瞻性：首批光束线站的科学目标先进，能够满足我国多个学科领域对同步辐射应用的迫切需要，并至少具有30年科学寿命。标准照明体和标准光源标准照明体：规定光谱能量分布标准光源：规定该光源的基本特性以及光