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紅外輻射 |
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熱輻射及其規律加熱物體物質內部的某些運動狀態升高到激發態，當從激發態回復到較低能量的狀態時，將產生輻射，稱為熱輻射。這種輻射又可能再被物體吸收，激勵某些運動而再引起熱輻射。因而熱輻射過程有可能達到穩定的平衡狀態。例如，考慮有一個密閉的空腔，腔壁用某種材料製成。加熱使它保持在恆定溫度T0。在腔內，腔壁上任一面元dA所發射的輻射總是落在腔壁的另一部分。落在腔壁某部分的輻射，部分被吸收,其餘部分被反射出來又落到腔壁的另一部分。因此，不管從腔壁哪一部分發射出來的輻射，最後總是進入腔壁。在達到熱平衡的條件下，任何面元所產生的輻射，在頻率和強度等方面，總是等於它所吸收的輻射。否則就不是熱平衡。因此，在熱平衡條件下的空腔內部，所有的輻射必定具有穩定不變的性質，僅依賴於腔壁溫度，與腔壁材料的性質無關。黑體輻射 拿一塊任何材料的小物體，放入腔內,不與腔壁接觸。不久，這塊物體就被加熱到與腔壁相同的溫度，即與腔壁達到熱平衡。這時，小物體表面所發出的輻射，在頻率和強度等方面，都必定與它所吸收的輻射相等。設物體表面所接受的輻照度為E(瓦/米2),物體對輻射的吸收比(吸收功率與入射功率之比)為α，它的輻射出射度為M（瓦/米2）,則對任一部分錶面，熱平衡條件為 M=αE (10) 上式表明，一個物體對輻射的吸收比越大，它的輻射出射度也就越大，即吸收越強的物體發射輻射也越強。這就是基爾霍夫定律。 當α=1時，輻射出射度就達到最大。具有這種特性的物體稱為黑體。它所發射的輻射稱為黑體輻射。右上角加肩標“bb”表示黑體輻射的量。 當α=1時，腔內物體所受到的輻照度就是 E=Mbb (11) 換句話說，熱平衡空腔內的輻射就是黑體輻射。因而任意物體的輻射出射度就是 M=αMbb (12) 它總是小於黑體的輻射出射度。 黑體並不難得，如在上述空腔壁上開一個很小的孔，孔的面積遠遠小於腔壁的面積，則從小孔發射出來的輻射能很小，不足以影響腔內的熱平衡。從外面射入小孔的輻射，經腔壁多次反射，總是全部被吸收掉，不再從小孔反射出來,因而吸收比等於1。帶有小孔的空腔就是黑體，從小孔發射出來的輻射就是黑體輻射。 黑體輻射是19世紀末葉研究得最多的物理學問題之一。對空腔發射出來的輻射進行了很多測量，證明黑體輻射屬於朗伯型，它的輻射功率按波長或頻率的分佈是穩定的，僅與腔壁溫度有關,與製造腔體的材料無關。圖2為黑體在幾個溫度下，輻射出射度按波長的分佈曲線。每個溫度的分佈曲線上都出現一個峰值,峰值所在的波長λm 隨溫度升高而向短波移動。 紅外輻射 從測量數據可得到兩條很有用的經驗定律，即斯忒藩定律和維恩位移定律。 斯忒藩定律 黑體的輻射出射度，包括各種波長在內的總輻射功率與黑體溫度(絕對溫標)T 的4次方成正比 Mbb=σT4 (/m2) (13) σ 是比例常數。 T4的關係是玻耳茲曼用熱力學方法推導出來的，因此，這一定律常稱為斯忒藩-玻耳茲曼定律。維恩位移定律峰值波長λm與黑體溫度T 的乘積為常數 λmT ≈3000 從理論上推導出黑體的輻射出射度對波長(頻率)的分佈曲線(圖2),是19世紀末葉極為重要的物理學課題。 1900年，M.普朗克提出了一個新的概念,即輻射能並不是連續的，只能以一定的份量被吸收或被發射。這個份量叫做量子(此處也稱光子),它與輻射的頻率成正比。即光子的能量為hν，比例常數h稱為普朗克常數。後來，精確測定證明,h=6.626×10-34焦·秒。 紅外輻射 普朗克用量子概念進行推導，得到黑體的輻射出射度的公式為 (14) 或 (15) 式中c為光速；κ為玻耳茲曼常數。這個公式稱為普朗克輻射定律。 這個公式能精確地解釋已有的一切實驗數據，而且還把上述兩經驗公式中的常數用更基本的物理常數表達出來。 普朗克公式不僅可以解釋當時已有的全部實驗事實，而且在60年代以後，天文學家發現宇宙間充滿著一類長波紅外輻射，其波長分佈完全與普朗克公式相符，證明宇宙間存在著2.7K背景溫度。 用普朗克公式能精確地計算出黑體輻射，因而黑體已成為輻射測量的標準。已製造出各種形式的黑體，其中有些黑體非常接近理想黑體。按普朗克公式計算出來的黑體輻射數據表已成為紅外工程設計人員的手冊。 |
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