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