热辐射波在介质内的散射机理

D0I:10.13374/j.issm1001053x.2006.02.040 第28卷第2期 北京科。技大学学报 Vol.28 No.2 2006年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2006 热辐射波在介质内的散射机理 夏德宏余涛吴祥宇张省现 北京科技大学机械工程学院.北京100083 摘要从偶极子辐射理论出发导出了热辐射在介质内散射强度的一般表达式，确定了影响热辐 射散射强度的主要因素，研究表明：入射辐射频率、阻尼振子的振幅等对介质的反射率、吸收率、透 射率等热辐射特性具有决定性的影响. 关键词热辐射波；介质：散射；强化吸收 分类号0437.1 热辐射波在介质中传播时偏离原来的方向而 子振动.由经典的牛顿力学可得，热辐射波与介 分散传播的现象被称为热辐射波的散射.热辐射 质内部微观粒子间相互作用的一维阻尼振子数学 波在介质内的散射是一个普遍现象，无论在固态、 模型表示为[2]： 液态及气态介质中传播时热辐射都会发生散射. 热辐射波在气态介质中的散射较弱，可以穿透较 'Eoexp(-int)-my murm dt2 厚的气体介质层；在固态和液态中的散射较强，一 (1) 般情况下热辐射在固态和液态介质中传播时衰减 其中，m表示阻尼振子的质量，kg;E0表示阻尼 很快，其透入深度较小.从宏观上看，热辐射波只 振子所在位置附近外加电场的复振幅，V·m1； 能与固态或液态介质表层附近的粒子发生作用； wo,w分别表示阻尼振子的固有振荡频率和入射 从微观上来看，热辐射在固态或液态介质内的穿 热辐射波的频率，Hz;t表示时间，s;y称为阻尼 透深度对介质的热辐射特性有着重要的影响[). 系数，一般作为与频率无关的常数处理，Hz;e·是 因此，对热辐射在介质中散射机理的研究有着重 阻尼振子的有效电荷，C；一mr表示与位移r 要的意义. 成正比的弹性恢复力，负号表示力的方向与位移 1介质内热辐射波的散射机理 方向相反，N:-my出表示与速度成正比的图尼 力，负号表示力的方向与速度方向相反，N;e· 各种介质（包括固态、液态和气态物质）表现 出来的宏观热辐射特性，都是介质中所包含的各 Eexp(-iou)表示电场驱动力，N;m表示阻 种微观粒子（电子、离子等）在外电磁场作用下运 尼振子所受到的合力，方向和该振子的加速度的 动状态发生变化的反映.由于自由电子、束缚电 方向相同，N 子以及离子在外磁场作用下都有各自不同的运动 对方程(1)进行解析求解可得其稳定情况下 状态，因而表现出不同的宏观热辐射特性.热辐 阻尼振子离开平衡位置的位移，为： 射是一种电磁波，在热辐射的作用下，介质中的电 子与离子要产生极化，使得介质与热辐射发生相 r(t)=-2m2-ixEoexp(-ic)= 互作用成为可能.将介质中的电子、离子等带电 e"lm 粒子视为阻尼振子，这些阻尼振子在各自的平衡 [(u6-u22+y2w2]nE0 (2) 位置以一定的固有振动频率作微振幅的振动，如 exp[-i(wt -8) 图1所示. 其中， 物质内部微观粒子的振动可以描述为阻尼振 d=tan1,义 w6-u2 (3) 收稿日期：2004-12-25楼回日期：2005-12-20 由式(2)可得阻尼振子的复振幅ro为： 作者简介：夏德宏(1963一)，男，教授 ro='Eo1 (4) m (ad-w2)-iwY

第 2 8 卷 第 2 期 2 0 0 6 年 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J our n ai of U n l v e 喊ty of S e i eu ce a n d T eC b n ol o g y 价订ing V o l . 2 8 N 0 . 2 F e b . 2 0 0 6 热辐射波在介质内的散射机理 夏德 宏 余 涛 吴祥宇 张省 现 北京科技大学机械工程学院 , 北京 10 0 0 83 摘 要 从偶极子辐射理论出发导 出了热辐射在介 质内散射强度 的一般表达 式 , 确 定了影响热辐 射散射强度的主要因素 . 研究表 明 : 入射辐射频率 、 阻尼 振子的振 幅等对介质的反射率 、 吸收率 、 透 射率等热辐射特性具有决 定性的影响 . 关镶词 热辐射波 ; 介质 ; 散射 ; 强化吸收 分类号 0 4 3 7 一 热辐射波 在介质中传播 时偏离原 来的方向而 分 散传播 的现 象被 称为热 辐射波 的散射 . 热辐射 波在介质内的散射是一个 普遍现象 , 无论 在 固态 、 液态及气 态介质中传播时 热辐 射都会 发生 散射 . 热辐射波在气态介质中的 散射 较 弱 , 可 以 穿 透较 厚 的气体介质层 ; 在 固态和液 态中的散射较强 , 一 般情况 下热辐射在 固态和液 态介质中传播时衰 减 很快 , 其透入 深度较小 . 从宏观上 看 , 热辐射波只 能与固态或液 态介 质表 层 附近 的粒子 发 生作用 ; 从微观上 来看 , 热辐 射 在 固态 或液 态 介质 内的穿 透深度 对介质的热 辐射特性有 着重 要 的影 响川 . 因此 , 对热辐射在 介质 中散射机 理 的研 究有 着 重 要 的意义 . 子振 动 . 由经 典的牛顿力学 可得 , 热辐 射波 与介 质内部微观 粒子 间相互作用的一维 阻尼振 子数学 模型表示 为 2[] : , _ , . _ 、 _ . 少 2 _ e 乙 o e x p 、 一 ’ ` t ) 一 m l 丽 一 m 田 o r 一 m 立由 2 1 介质内热辐射波 的散射机理 各种介质 (包括 固态 、 液态和 气态物质 )表现 出来的宏观热辐射 特性 , 都是 介质中所 包含的 各 种微观粒子 (电子 、 离子等 ) 在外 电磁 场 作用下 运 动状 态发 生变 化 的反 映 . 由于 自由电子 、 束缚 电 子 以及 离子在 外磁场作用下都有各 自不 同的运 动 状 态 , 因而表现 出不 同的宏观热辐 射特性 . 热 辐 射 是一种电磁波 , 在 热辐射 的作用下 , 介质 中的 电 子与离子要 产 生极化 , 使得 介质与 热 辐射发 生相 互作用 成为 可能 . 将介质中的 电子 、 离子 等带 电 粒子视 为阻 尼振子 , 这 些 阻 尼振子 在各 自的平衡 位置以一定 的固有振 动 频率作微 振幅的振动 , 如 图 1 所 示 物 质 内部微观粒子 的振动可以描述为阻尼振 收稿 B 期 : 2 0 0 4 一 12佗 5 修回 B 期 : 2 0 0 5 一 12 一 2 0 作者简介 : 夏德宏 ( 1 96 3 一 ) , 男 , 教授 ( 1 ) 其中 , m 表示 阻 尼振 子的质量 , k g ; E 。 表 示 阻尼 振子所 在 位置 附近 外 加 电场 的复振 幅 , V · m 一 ` ; 。 。 , 。 分别 表示阻尼 振子 的 固有 振荡频率和 入 射 热辐射波的 频 率 , H z ;t 表 示 时间 , s ; y 称为阻 尼 系数 , 一般 作为与频率无 关的 常数 处理 , H : ; 。 ` 是 阻尼 振子 的有 效 电荷 , C ; 一 m 。 吕 r 表示 与位移 r 成正 比的弹性 恢复 力 , 负号 表示 力 的方 向与位移 方 向相反 , N ; 一 , 瓮 表 示与速度成正 比的阻 尼 力 , 负号 表 示 力 的方 向与速 度 方 向 相 反 , N ; 。 ’ _ . 、 、 _ 二 , , 二 。 、 二 、 、 矛 r * , 。 与 xe p戈一 ’ 叫 衣不 电 切雏 利 jJ, 囚 ’ m 弃衣 小 ’胜 尼振子所受到 的合力 , 方 向和该振 子 的加 速度 的 方 向相同 , N . 对方 程 ( l) 进行解析求解可得 其稳 定情况 下 阻尼振 子离开 平衡位置的位移 r 为 : · ( ! , 一 君概护 。二 p ( 一 `田! , - 。 后一 。 2 ) 2 + 7 2。 不二 ; 万二 E n ` J “ ` e 朴 / m e x p [ 一 i ( 。 t 一 占 ) 1 ( 2 ) 其中 一 1 田了 。后一 。 2 ( 3 ) 由式 ( 2) 可得阻尼 振子的 复振幅 ; 。 为 : e 爷 E o l r o一而 ( 。 吕一 。 2 ) 一 i o y ( 4 ) DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2006. 02. 040

·176· 北京科技大学学报 2006年第2期 热辐射 即被确定，因而有： 阻尼振子 热辐射作用介质 Eploclrol (8) 热辐射波是一种电磁波，其能流密度可用 Poynting矢量S=E×H来表示，而电磁波的强 度为其能流密度的时间平均值.根据文献[4]的 推导，可以得偶极子的散射强度I为： 图1热辐射能（波）与介质内部阻尼振子间的相互作用示 意图 1-百-m-分EE (9) Fig.1 Sketch about the interaction between heat radiation wave 式中，￥表示共轭；S表示能量流密度的时间平均 and damping oscillators in medium 值，wm2;e表示介质中的介电常数，F·m;4 再由式(2)对r求二阶导可得： 表示介质的磁导率，Hm1. d'r dr2s、 o2e/m [(w6-w22+y2w2]E0 JocEE'cce'E)2 1 m7(ug-u2)2+w272(10） exp[-i(wt-8)] (5) 这样的一个不断做变加速运动的振子将不新地向 2影响热辐射散射强度的因素 外辐射电磁波.J.D.Jackson)推导了离开偶极 由式(8)和(9)可知Ic|ro2.这说明散射的 子距离为R的空间某点处的电场强度为： 强度与阻尼振子振幅的平方成正比，即阻尼振子 E,4r产R[R×R×] (6) 的振幅越大则散射的电磁波的强度越大，而由式 (4)可得： 式中，eo表示真空中的介电系数，F·ml;c表示 真空中的光速，m·s1；R表示由点O指向点P rol=e 1 m[(w6-w2)2+u2y2]12 （11) 的矢量 对于给定的介质而言，|ro|值主要由入射热辐射 将式(5)代入式(6)中，可得： 波的频率w及阻尼系数y决定. RR×] E=4 e' 令相对散射强度为振子散射强度与振子在入 射频率为o、材料阻尼系数为Yo时的振子散射 -w2e"sinerolexp(-iot)e (7) 强度的比值，相对振幅为振子振幅与振子在入射 4πe0c2R 频率为wo、材料阻尼系数为Yo时的振子振幅的 式中，日表示入射电场与散射波传播方向的夹角； 比值.利用上述推导的结论可以得到热辐射散射 e。表示散射电场的单位方向矢量 强度的色散关系和热辐射散射强度与阻尼振子振 若e,表示散射波传播的单位方向矢量，e,表 幅的关系，分别如图3和图4所示 示散射电磁波磁场的单位方向矢量；。表示散射 1.0 电磁波电场的单位方向矢量，则介质中某一阻尼 振子在空间某点产生的电磁场如图2所示. 08 0.6 e, 0.4 2% 02 3 8446 14.47 14.48 14.49 lg(o/Hz） 图3热辐射散射强度的色散关系 Flg.3 Change in scattering intensity of heat radiation 图2介质中某一阻尼振子在空间某点产生的电磁场 Fig.2 Electromagnetic field induced by a damping oscillator in 2.1人射辐射频率对热辐射散射的影响 medium 由式(10)可知，当[(w6-w2)y2+w2y2]= 对于所讨论的空间上的任意点，当日和R一 定时，在介质和投射辐射确定的条件下，w和e 0时，即。2=6-时，阻尼振子的振幅最大

2 0 0` 年第 2 期 热 辐射 阻尼振子 热辐射作用介质 井井牛 即被确 定 , 因而 有 : {E P }C } r 。 } ( 8 ) 热辐射 波 是一 种 电磁 波 , 其 能 流 密 度 可 用 oP yn itn g 矢 量 s 二 E x H 来表示 , 而 电磁 波 的强 度为其能流密 度的 时 间平 均值 . 根 据文 献 【4 1的 推导 , 可以得 偶极子的散射强 度 I 为 : 图 1 意图 F l g . 1 热辐射能 (波 )与介质 内部 阻尼振子 间 的相 互作 用示 I = S = 粤E H 1 厅 _ _ , = 二丁 { - 乙书 气梦 ) 乙 V 产 ~ ~ `址 ’ ~ b ~ 网 耐 at ion w vae 式中 , * 表示共扼 表示 能量流 密度的时间平均 厂名1 an d d a m P ign 璐 cl llat o璐 盛n m ed i u m 再 由式 ( 2) 对 r 求二 阶导可得 : 值 , w · m 一 “ ; 。 表示 介 质中的介 电常数 , .F m 一 ` ; 产 表示 介质的磁导率 , H · m 一 ` . d Z r d t Z 一 。 合一 田 “ ) 2 + 7 2。 ; 二下石 E 。 ` J 儿 “ , co E · co{ ` 卫 ) ’ 1 ( 。 名一 , 2 ) “ + 。 2 y 2 ( 1 0 ) e x p [ 一 i ( 。 t 一 占) ] ( 5 ) 这样 的一个不 断做变加速运 动的振 子将不断地 向 外辐 射电磁波 . J . D . Jac k so n[ ” 〕推导 了离开 偶极 子距 离为 R 的空 间某点处 的电场强度 为 : : p 一 赫奋〔 : · ( R · 穿)」 `6 , 2 影响热辐射散射强度的因素 由式 ( 8) 和 (9 )可知 I OC } r 。 } 2 . 这说明散射的 强度与阻尼 振子 振幅 的平方 成正 比 , 即 阻尼 振 子 的振幅越大则散射的电磁波 的强 度越大 . 而 由式 ( 4 )可得 : 式 中 , 。 。 表示 真空 中的介 电 系数 , .F m 一 ` ; 。 表 示 真 空 中的光速 , m · s 一 ’ ; R 表 示 由点 O 指 向点 尸 的矢量 . 将式 ( 5) 代入式 ( 6) 中 , 可得 : l r 。 I = e . E 爪 碱 二瑞 ~ “ ` , E p 二 4兀 : o c Z尺 3 尸 z 」 2 _ \ 气 t R ` } R ` 器)」 - 一 田 Z e “ s i n s 4打 。 o c Z R 1 r o l e x p ( 一 i o t ) e ; ( 7 ) 式 中 , 夕表示入射 电场 与散射波传 播方 向的夹 角; e , 表示散 射 电场的单位方 向矢量 · 若 e r 表 示散射波 传播 的单位方 向矢量 , e 。 表 示散 射 电磁波 磁场 的单位方 向矢量 ; 。 , 表示 散射 电磁波 电场 的单 位方 向矢量 , 则介 质中某一 阻 尼 振子 在空 间某点 产生的 电磁场如 图 2 所 示 . 对 于给定的介质而 言 , } ; 。 }值主要 由入 射热辐 射 波的频率 。 及 阻尼 系数 y 决定 . 令相对 散射强 度为 振子散射强度与振子在入 射频率为 。 。 、 材料阻尼 系数 为 y 。 时 的 振子 散射 强度的 比值 , 相对振 幅为振子振 幅与振 子在入 射 频率为 。 。 、 材料阻 尼 系数为 y 。 时 的振 子 振幅的 比值 . 利用上 述推导 的结论 可以得到 热辐射散射 强度 的色散关系和热辐 射散射 强度与阻 尼振子振 幅的关系 , 分别 如图 3 和图 4 所 示 . ù片 户 台4 门乙 0 侧淇每辍友年 2 、 )以 及靠一~ 韦示 一一 万五{丽 19 (仍 / ZH ) 一 图 3 热辐射散射强度的色散关系 F i g . 3 C h a n g e 1 . s ca t t e d 鸣 I n et us i t y o f h ea t 14 49 图 2 介质 中某一阻尼振子在空间某 点产生的电磁场 F喀 . 2 E l ect , m a g n e t i e ife ld i . d . c “ b y a d别 . p i n g o s cl l a otr in m e di l 川口 2 . 1 人射辐射频率对热辐射散射 的影响 由式 ( 10) 可知 , 当 对于所 讨论 的空 间上的任意 点 , 当 6 和 R 一 。 时 , 即 。 2 二 端 定时 , 在介质和投 射辐射确 定 的条 件下 , 。 和 。 上 ` , 2 衅 一 , I “ ,J , ` ( 。 吕一 。 2 ) 2 + 。 2 了2 〕 二 阻 尼振 子的振 幅最大

Vol.28 No.2 夏德宏等：热辐射波在介质内的散射机理 ·177· 1.0 投射辐射在介质中的穿透深度 0.8 2,2阻尼振子的阻尼系数对热辐射散射的影响 从微观结构来看，表层上的微观粒子由于悬 0g4 空键的存在，使得和内部微观粒子相比较，表面微 观粒子受到周围微观粒子的影响较小，在振动 0.2 时，表面微观粒子受到周围微观粒子的阻尼较小. 02 0.40.6 0.81.0 因此，表面和界面微观粒子的振幅较内部微观粒 相对振辐 子的要大[56]，散射主要发生在介质的表面和界 图4热辐射散射强度与阻尼振子振幅的关系 面上.热辐射波和可见光在介质的界面和表面会 Fig.4 Interaction between the intensity of heat radiation and 形成强散射，表现为反射；而当热辐射波和可见光 the swing of a damping oscillator in medium 在介质内部穿行时，其散射不会如界面和表面 此时振子辐射而产生的子波的强度最大.此条件 强烈 称为共振条件，也就是说，当入射热辐射波频率满 在超细化、纳米化介质（材料）内部，由于大量 足此条件时，阻尼振子的振幅最大.在此频率下 晶界（界面）的存在，使得热辐射在晶界之间反复 所辐射的子波强度最大.一般情况下，Y<wo,因 反射，反复反射的结果，一是增加了热辐射在介 此共振几乎是在仙=w0处发生.因此，发生共振 质内部穿行的路径，热辐射在介质内部边穿行边 时散射波强度达到最大.散射波会在周围4π空 被吸收；同时，由于各个晶粒取向的不同，使得反 间内向外传播.介质中吸收热辐射波的粒子都会 射的热辐射并不能沿着某一固定的方向传播，而 发出散射波，这些散射波会在周围空间发生叠加. 是分散开，因而散射出介质表面而形成反射的热 在某些方向上，波动会得到加强，而在另外一些方 辐射很少，也就是说只要投射辐射能进入到介质 向上，波动会相互削弱甚至相互抵消 内部，它能再反射出来的能量很少，对于超细化、 在向外的方向上，这些散射波的叠加会形成 纳米化介质，介质表面上单位体积内的质量减小， 反射，因为在共振时散射的强度最大，所以，在投 与热辐射发生作用的微观粒子数目减少，所以热 射辐射与介质内的阻尼振子达到共振的条件下， 辐射能顺利地进入到介质内部[)，从而使得介质 反射最为强烈.在向内的方向上，散射波会被介 对热辐射的吸收率较常规块状介质会增大很多， 质内的阻尼振子以共振的方式吸收而衰减.衰减 因此，相比于块状黑体介质的厚度要求达到无穷 的能量的一部分转化成为焦耳热，使得介质表层 大而言，超细化、纳米化的黑体并不需要介质厚度 微观粒子的温度升高，并以导热的方式向介质内 达到很大 低温处传递热量.另一部分再次转化为热辐射能 3 而发射 结论 若投射辐射与介质没有发生共振吸收（强吸 (1)影响热辐射波散射的因素主要有投射辐 收)，而是在离共振区不太远的区域发生作用，则 射的频率ω和阻尼振子的阻尼系数Y,当投射辐 在介质表面的偶极子的散射将会在宏观上产生两 射的频率。远离介质的固有频率wo时散射最 个效果，一是在介质界面外叠加形成反射，二是将 弱，当两频率相等时散射最强；阻尼振子的阻尼系 会在介质内部叠加形成折射 数Y越小则散射作用越强 若投射辐射的频率“与组成介质的阻尼振 (2)热辐射波的折射和反射是热辐射波的散 子的固有频率0相差太远，则热辐射波基本不会 射在介质内外发生叠加的结果，热辐射波在介质 与介质中的阻尼振子发生作用，热辐射波将会沿 内部的叠加表现为折射，而在外部的叠加则表现 着本来的路径传播而不会有显著改变 为反射.热辐射波的折射穿透介质表面而进入介 因此，若要提高介质对热辐射波的吸收，在不 质内部，在介质内部传播时散射强度将比在表面 考虑透射的情况下，必须尽可能地减少介质对热 时减弱.如果散射很弱而介质的厚度不够大，则 辐射波的反射，即减少组成介质的阻尼振子对热 热辐射能够穿透介质，这部分热辐射就是透射热 辐射波的散射.而要减弱这种散射，就需要介质 辐射.若热辐射波的散射很弱而介质的厚度很大 中的阻尼振子的固有频率离入射热辐射波的频率 时，投射热辐射则能顺利地进入介质的内部而且 尽可能的远.它所产生的其中一个效果是会增加 不会穿出，这些能量在介质的内部边穿行边被吸

V o l . 2 8 N o . 2 夏德宏等 : 热 辐射波在介质内的散射机理 一 户相对振幅 图 4 热辐射散射强度与阻尼振子振幅的关系 F ig , 4 肠t ear e ti加 加t w e e n t h e i . t e ns i t y o f h ea t ar d i a t i o n a nd t触 姗ing o f a d a m p i n g 锹 11乳. t o r i n m ed l帅 此时振子辐射而 产生的子 波 的强度最大 . 此条 件 称为共振条件 , 也就是说 , 当入射热辐射波频率满 足此 条件时 , 阻 尼振 子 的振幅最大 . 在 此频 率下 所辐射的子 波强 度最 大 . 一般情况 下 , y 《 。 。 , 因 此共振 几乎是在 。 = 。 。 处 发 生 . 因此 , 发 生共 振 时散射波强 度达 到 最 大 . 散射波会 在周 围 4 二 空 间 内向外传播 . 介质中吸收热辐射波 的粒子 都会 发出散射波 , 这些散射波会 在周围空间发 生叠加 . 在某些方 向上 , 波动会得到 加强 , 而 在 另外 一些方 向上 , 波 动会相互 削弱甚 至相互抵消 . 在 向外的方 向上 , 这 些 散射波的叠加 会 形成 反射 . 因为在共振 时散射 的强度最 大 , 所 以 , 在 投 射辐射与介质 内的阻 尼振 子达到 共 振 的条 件下 , 反射 最 为强 烈 . 在 向内 的方向上 , 散 射波会被 介 质内的阻尼振子以共振的方 式吸收而 衰减 . 衰减 的能 量的一部分转化 成为焦 耳 热 , 使得介质表层 微观粒 子的温 度升高 , 并 以 导热的方式 向介质 内 低温处传递 热量 . 另一 部分再次转 化为 热辐 射 能 而发射 . 若投射辐射 与介质没 有 发生 共振 吸 收 ( 强 吸 收 ) , 而是 在离共振 区 不太 远 的区 域发 生 作用 , 则 在 介质表面 的偶极子 的散射将会在宏 观上 产生两 个效果 , 一是 在介质界 面外 叠加形成 反射 , 二是将 会 在介质内部叠 加形 成折射 若投射辐射的频率 。 与组 成 介质的阻 尼振 子 的固有频率 aJ O 相差 太远 , 则 热辐射波基 本不 会 与介质中的阻 尼振子 发生作 用 , 热辐 射波将会 沿 着本来的路径 传播而 不会有显 著改变 . 因此 , 若要提高介 质对热辐射波 的吸收 , 在 不 考虑 透射 的情况 下 , 必须 尽 可 能地 减少 介 质对 热 辐射 波的反射 , 即减少组 成介 质的 阻尼振子 对热 辐射波 的散 射 . 而 要减 弱这 种散射 , 就需 要 介质 中的阻 尼振子 的固有频 率离入射热辐射波的频率 尽 可能 的远 . 它所 产生 的其 中一 个效果是 会增 加 投射辐 射在介 质中的穿透深度 . 2 . 2 阻尼振 子的阻尼 系数对热辐射散射的影 响 从 微观结构 来看 , 表 层上 的微观 粒 子 由于 悬 空键 的存在 , 使得和 内部微观粒子相 比较 , 表面微 观粒 子 受到 周围微 观粒子 的 影 响 较 小 . 在 振 动 时 , 表面微 观粒子 受到周围微观粒子 的阻尼较小 . 因此 , 表面和 界面 微观粒 子 的 振幅较 内部微 观粒 子 的要大 5[ 引 , 散 射主要 发生 在 介质的表 面和 界 面上 . 热 辐射波和可见 光在介质的界 面和表 面 会 形 成强散射 , 表现 为反射 ; 而 当热 辐射波 和可见 光 在介 质 内部穿 行 时 , 其散射 不 会 如界 面 和 表 面 强烈 . 在 超细化 、 纳米化介质 (材 料) 内部 , 由于大量 晶界 ( 界 面 )的 存在 , 使得 热辐 射在 晶界 之 间反 复 反射 . 反复反射 的结果 , 一是增 加 了热辐 射在 介 质内部穿行的路径 , 热 辐 射在介质 内部 边 穿行 边 被吸收 ; 同 时 , 由于 各个 晶粒 取向的不 同 , 使得反 射的热辐射并不 能 沿着某一 固定 的方 向传播 , 而 是分散开 , 因而散 射出 介质表面 而 形 成反射的热 辐射很少 . 也就 是说只要 投射辐射能进入到 介质 内部 , 它 能再 反射出来的能 量很 少 . 对 于超 细化 、 纳米化 介质 , 介质表面上单位体积 内的质量减 小 , 与热辐射发生 作用 的微观粒 子数 目减少 , 所 以热 辐射能顺利地进 入 到 介质 内部7[] , 从而 使得 介质 对热辐 射的吸收 率较 常规块状 介质会 增大很 多 . 因此 , 相比于块状 黑体介质的厚 度要求达 到 无穷 大而 言 , 超 细化 、 纳 米化 的黑体并不需要 介质厚度 达到 很大 . 3 结论 ( 1) 影 响热辐射波散射的因素 主要有 投射辐 射的频率 。 和阻 尼振子 的阻尼 系数 y . 当投射辐 射的频率 。 远 离介 质的 固 有频率 。 。 时散射最 弱 , 当两频率相等时散射最强 ; 阻 尼振子 的阻尼 系 数 了 越小则 散射作用越强 . ( 2) 热辐射波的折射和反 射是热辐 射波的散 射在介质内外发生 叠 加 的结果 , 热辐 射波在介质 内部的叠 加表 现 为折射 , 而 在外 部的叠 加 则表现 为反射 . 热辐射波 的折射穿透介质表面 而进 入介 质内部 , 在介质内部 传播 时散射强度将 比在表面 时减弱 . 如果 散 射很 弱 而介 质 的厚 度 不 够大 , 则 热辐射能够 穿透介质 , 这 部 分热辐 射就是透 射热 辐 射 . 若热辐射波的散 射很弱 而 介质的厚度很大 时 , 投射热辐射则 能顺 利地 进 入介质的内部而 且 不会穿出 , 这些 能 量在 介质的内部边 穿行边 被吸 侧燃盆轻常毋

·178 北京科技大学学报 2006年第2期 收.因为在这一过程中没有热辐射穿透出来，所 热科学与技术，2003,2(3)：271 以投射热辐射全部被介质吸收，介质的黑度会达 [2]Xia D H,Wu Y H.A mathematical model for the heat radia- 到1，这便是理想的黑体模型. tion characteristics of materials.J Therm Scl,2004,13(1): 76 (3)热辐射在介质内的散射对介质的热辐射 [3]Jackson I D.Classical electrodynamics.2nd ed.New York: 特性起着决定性的作用.热辐射波的散射越强则 John Song Inc,1975 反射越强，因而减小散射有助于提高介质的吸收 【4]方容川.固体光谱学.合肥：中国科学技术大学出版社， 率和发射率，由此可以得到两个提高介质吸收率 2001 [5]恽正中.表面与界面物理.成都：电子科技大学出版社， 和发射率的途径：一是使投射热辐射的频率远离 1993 介质的固有频率；二是通过超细化减小介质内阻 〔6]肖纪美，朱逢吾，材料能量学、上海：上海科学技术出版杜， 尼振子的阻尼系数来实现 1999 [7]Xia D H,Wu Y H.Enhancement of heat radiative characteris- 参考文献 tics of coatings by uitra-attenuation.J Unlv Sel Technol Bel- [1]夏德宏，吴水红，李树柯，薄膜材料的热辐射穿透深度研究 jing,2004,11(2):159 Scattering mechanism of heat radiation wave in medium XIA Dehong,YU Tao,WU Xiangyu,ZHANG Shengxian Mechanical Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT A general equation about scattering intensity of heat radiation wave in medium was derived from viewpoints of the dipole radiation theory.The main factors,which affect the scattering intensity of heat radiation effectively,were ascertained.It was shown that the frequency of incident heat radiation and the swing of a damping oscillator in medium are of vital importance for the heat radiation properties such as reflectivity,absorptivity and transmissivity of medium. KEY WORDS heat radiation wave;medium;scattering;absorption enhancement

北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0` 年第 2 期 收 . 因 为在 这一过 程 中 没有 热辐 射 穿透 出来 , 所 以 投射热辐射全部 被介质 吸收 , 介质的黑 度会 达 到 1 , 这便是理 想 的黑体模型 . ( 3 ) 热辐射在介 质内的散射对介质的 热辐射 特性起着决定性的作用 . 热辐射波的散射越强 则 反射越强 , 因而 减小散 射有助 于提高介质的吸 收 率 和发射率 . 由此可 以得到 两个提高介质吸收率 和发射率的途径 : 一 是使投 射热辐射的频 率远 离 介质的固有频率 ; 二 是通 过 超 细化减小介质 内阻 尼振子的阻尼系数来实现 . 参 考 文 献 【1] 夏德宏 , 吴永红 , 李树柯 . 薄膜材料的热辐 射穿透 深度 研究 . 热科学与技术 , 2 00 3 , 2 ( 3 ) : 2 7 1 X i a D H , Wu Y H . A m a t h e nat t i e al mo d e l f o r t h e h ea t r ad i a - it o n e h a r a c t e ir st ics o f m a t e r ial s . J hT e助 阮口 , 2 0 0 4 , 13 ( l ) : 76 J ac k os n J D . Cl as i cal el ce t m d y n a m ics . Z n d de . N ew oY r k : Joh n & 豁 n g I n c , 1 9 7 5 方 容川 固体光 谱学 . 合肥 : 中国科 学技 术大 学 出版 社 , 2 0 0 1 挥正 中 . 表面与界面 物理 . 成 都 : 电子 科技 大学 出版 社 , 19 9 3 肖纪美 , 朱逢吾 , 材料能 量学 . 上海 : 上海科学技 术出版社 , 19 9 9 X i a D H , W u Y H . E n h an c e r 。印t of hae t ar d i a t ive e h a r a e t e ir s - t ics of coa t i n g s b y u l t ar 一 a t t en u at ion . J U 川v S cl eT e h . o l Be i · j i飞 , 2 0 0 4 , 1 1 ( 2 ) : 1 5 9 , ,月卫J. J ,Jr .`es ù凡、 4 月一孟U7 ù. . ó尸L Fes r . L .esLL S e a t t e r i n g m e e h a n i s m o f h e a t r a d i a t i o n w a v e i n m e d i u m X 乙A eD ho n g , Y U aT 。 , W U X i a n g y u , Z矛乙AN G hs en gx ia n M ec h翻 e al E n g i n e r i n g cS h co l , U n i v ers i t y o f cS i e n e e a n d T ce hn ol o g y Be ij i吃 , Be ij i呀 1 00 0 8 3 , C h i n a A B S T R A C T A g e n e ar l 四u a t i o n a ob u t s ca t t e r i n g i n t e n s i t y o f h ae t r a d i a t ion w a v e i n m e d i u m w as d e r i v e d ofr m v i e w p o i n t s o f t h e d i p o l e ar d i a t i o n t h oe r y . T h e m a i n af e ot rs , w h i e h a fe e t t h e s e a t t e r i n g i n t e 璐i t y o f h e a t r a d i a t i o n e fe e t i v e l y , we er a s e e r t a i n e d . It wa s s ho w n t h a t t h e f er q u e n e y o f i n e id e n t h e a t ar d i a t i o n a n d t h e s w i n g o f a d a m p in g o s e i ll a t o r i n m e d i u m a r e o f vi t al im P o r t a n e e fo r t h e h e a t ar d i a t i o n p or p e r t i e s s u e h as r e fl e e t i v i t y , a b so r Pt i v i t y a n d t r a n s m i s s i v i t y o f m e d i u m . K E Y W O R D S h e a t r a d i a t i o n w a v e ; m e d i u m ; s e a t t e r i n g ; a b so r p t i o n e n h a n e e m e n t