Optics第八章光的量子性和激光第一节黑体辐射
第八章 光的量子性和激光 第一节 黑体辐射
Optics8.1黑体辐射8.1.1热辐射的特征和定量描述8.1.2基尔霍夫定律8.1.3绝对黑体和黑体辐射8.1.4维恩公式和瑞利一金斯公式8.1.5普朗克公式和能量子假说
8.1 黑体辐射 8.1.1 热辐射的特征和定量描述 8.1.2 基尔霍夫定律 8.1.3 绝对黑体和黑体辐射 8.1.4 维恩公式和瑞利—金斯公式 8.1.5 普朗克公式和能量子假说
Optics8.1.1热辐射的特征和定量描述?热辐射的一般特性：温度高的物体辐射强，且向短波移动解释·物体的温度与环境温度有差异时，两者之间将有能量交换热辐射是能量交换的一种方式。。物体以电磁波的形式向外辐射能量，或吸收辐照到其表面的能量分子(含有带电粒子)的热运动使物体辐射电磁波。这种辐射与温度有关，称为热辐射
8.1.1 热辐射的特征和定量描述 热辐射的一般特性： 温度高的物体辐射强，且向短波移动 解释 • 物体的温度与环境温度有差异时，两者之间将有能量交换， 热辐射是能量交换的一种方式。 • 物体以电磁波的形式向外辐射能量，或吸收辐照到其表面的 能量 • 分子(含有带电粒子)的热运动使物体辐射电磁波。这种辐射与 温度有关，称为热辐射
Optics8.1.1 #热辐射的特征和定量描述热辐射的定量描述：辐射的电磁波形成一个波场，即辐射场。辐射场与波长（频率）、温度、方向等有关。辐射场的物理参数：温度T，波长或频率，辐射场的能量密度辐射场的谱密度u（T，，θ），辐射通量，辐射通量的谱密度辐射照度，辐射照度的谱密度等。辐射谱密度、辐射本领：温度为T时，频率>附近单位频率间隔内的辐射能量，亦称单色辐出度r(v,T)辐射通量：温度为T时，频率v附近dv频率间隔内的辐射能量。dΦ(v. T) = r(y. T)d v
8.1.1 热辐射的特征和定量描述 热辐射的定量描述： 辐射的电磁波形成一个波场，即辐射场。辐射场与波长（频 率）、温度、方向等有关。 辐射场的物理参数：温度T，波长λ或频率ν，辐射场的能量密度， 辐射场的谱密度 u（T，λ，θ ），辐射通量，辐射通量的谱密度， 辐射照度，辐射照度的谱密度等。 辐射谱密度、辐射本领：温度为T 时，频率ν附近单位频率间隔内 的辐射能量，亦称单色辐出度。 r T ( , ) 辐射通量：温度为T时，频率ν附近dν频率间隔内的辐射能量。 d ( , ) ( , )d T r T
Optics8.1.1热辐射的特征和定量描述热辐射的定量描述：吸收本领、吸收比：照射到物体上的通量dΦ(v,T)dΦ'(v,T)其中被物体吸收的通量dΦ'(v,T)(V,T)称为吸收本领或吸收比dΦ(v,T)
8.1.1 热辐射的特征和定量描述 热辐射的定量描述： 吸收本领、吸收比： d ( , ) T 其中被物体吸收的通量 d ( , ) T 照射到物体上的通量 d ( , ) ( , ) d ( , ) T a T T 称为吸收本领或吸收比
Optics8.1.2 基尔霍夫定律物体间的热交换：。与外界隔绝的几个物体，起初温度各不相同假设相互间只能以热辐射的形式交换能量·每一个物体向外辐射能量，也吸收其它物体辐射到其表面的能量温度低的，辐射小，吸收大；温度高的，辐射大，吸收小
8.1.2 基尔霍夫定律 物体间的热交换： • 与外界隔绝的几个物体，起初温 度各不相同 • 假设相互间只能以热辐射的形式 交换能量 • 每一个物体向外辐射能量，也吸 收其它物体辐射到其表面的能量 • 温度低的，辐射小，吸收大；温 度高的，辐射大，吸收小
Optics8.1.2基尔霍夫定律物体间的热交换：经过一个过程后，所有物体的温度相同达到热平衡热平衡时，每一个物体辐射的能量等于其吸收的能量热平衡状态下，吸收本领大，辐射本领也大基尔霍夫热辐射定律：热平衡状态下物体的辐射本领与吸收本领成正比，比值GustavRobertKirchhoff1824~1887），德国物理学家只与T，v有关
8.1.2 基尔霍夫定律 物体间的热交换： • 经过一个过程后，所有物体的温度相同， 达到热平衡 • 热平衡时，每一个物体辐射的能量等于 其吸收的能量 • 热平衡状态下，吸收本领大，辐射本领 也大 • 基尔霍夫热辐射定律：热平衡状态下物 体的辐射本领与吸收本领成正比，比值 只与T，ν有关。 Gustav Robert Kirchhoff， 1824～1887），德国物理学家
Optics8.1.2基尔霍夫定律基尔霍夫定律：普适函数，与物质无关热平衡状态下应当通过实验测量i→ r(v,T)辐射本领F(v,T)吸收大，辐射也大a(v,T)吸收本领必须同时测量 r(v,T)和a(,T）才能得到 F(v,T)如果让 α(v,T)=1 则 F(v,T)= r(v,T)a(v,T)=l 白的物体，称为绝对黑体
8.1.2 基尔霍夫定律 基尔霍夫定律： ( , ) ( , ) ( , ) r T F T a T 吸收大，辐射也大。 辐射本领 吸收本领 必须同时测量 r T a T ( , ) ( , ) 和 如果让 a T ( , ) 1 则 F T r T ( , ) ( , ) a T ( , ) 1 普适函数，与物质无关 应当通过实验测量 才能得到 F T ( , ) 的物体，称为绝对黑体 热平衡状态下
Optics8.1.3绝对黑体和黑体辐射绝对黑体：a(v,T)=1一个开有小孔的空腔，对射入其中的光几乎可以全部吸收·等效于绝对黑体测量空腔开口处的辐射本领e(v,T)即可以得到F(v,T)=e(v,T
8.1.3 绝对黑体和黑体辐射 绝对黑体： • 一个开有小孔的空腔，对射入其中的光几乎可以全部吸收 • 等效于绝对黑体 • 即可以得到 F T e T ( , ) ( , ) e T ( , ) 测量空腔开口处的辐射本领 a T ( , ) 1
Optics8.1.3绝对黑体和黑体辐射绝对黑体辐射的空腔辐射测量装置：100006000K8000)5500K6000光谱仪5000K400020004000K3000K0对空腔加热到不同温度20040006008001000120014001600180020002,nm1.40E-0086000K1.20E-008s()1.00E-0088.00E-0095000K6.00E-0094000K4.00E-0093000K2.00E-0090.00E+0000.00E+0005.00E+0141.00E+0151.50E+0152.00E+015D,Hz以频率分布表示的黑体辐射定律
8.1.3 绝对黑体和黑体辐射 绝对黑体辐射的空腔辐射测量装置： 光谱仪 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 E(,T), mW/cm 2nm , nm 6000K 5500K 5000K 4000K 3000K 0.00E+000 5.00E+014 1.00E+015 1.50E+015 2.00E+015 0.00E+000 2.00E-009 4.00E-009 6.00E-009 8.00E-009 1.00E-008 1.20E-008 1.40E-008 E(,T), mW/cm 2s , Hz 6000K 5000K 4000K 3000K 以频率分布表示的黑体辐射定律 对空腔加热到不同温度