D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.06.013 第30卷第6期 北京科技大学学报 Vol.30 No.6 2008年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2008 热辐射在介质表面反射及折射的微观机理 夏德宏余涛卢娇 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要通过建立热辐射在介质表面散射的微观物理模型，数值模拟了任意入射角下热辐射散射的电场强度分布图形，得到 了在任一入射角下的反射角及折射角·模拟结果与经典公式推导的结果吻合得很好，表明所建立的模型揭示了热辐射在介质 表面反射及折射的微观机理， 关键词热辐射波；反射；折射：惠更斯原理 分类号0436.2 Reflection and refraction mechanism of heat radiation waves on the interface be- tween two homogeneous media XIA Dehong:YU Tao:LU Jiao School of Mechanical Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT A micro physical model to describe the thermal radiation scattering on the interface between two homogeneous media was established,the spacious profiles of electric intensity at any incident angle and the reflection/refraction angles were numerically simulated.The comparison of numerical results with experimental ones indicates that the simulation is in good agreement with the classic principles,which indicate that this model can explain the micro"mechanism of reflection and refraction on the interface between two media. KEY WORDS heat radiation wave:reflection:refraction:Huygen's principle 热辐射在本质上是一种电磁波，其波长比可见 光大，在传播过程中表现为交替变化的电场和磁场 1热辐射与介质相互作用机理 从宏观上看，电磁波投射到介质表面时会发生反射 热辐射在介质中传播特性符合麦克斯韦电磁方 和折射现象，前人很早就通过对这两个现象的实验 程，热辐射波的传播在同一均质介质中将会按照直 观察总结出反射定律和折射定律，它们可以由费马 线传播，然而，在热辐射投射到材料表面上时，可以 原理和电动力学中电磁场的边界条件导出)，然 观测到传播方向发生改变，这种现象表明，热辐射 而，到目前为止，虽然有文献定性分析电磁波在材料 一定与材料表面的微观粒子发生了作用，因而导致 表面上发生反射和折射的微观机理，但是定量的研 热辐射的传播方向发生了偏转. 究还不够].费曼曾经研究过电磁波在垂直投射时 各种介质（包括固态、液态和气态物质）表现出 折射的微观机理]，但其研究的前提条件太多，不 来的宏观热辐射特性，都是介质中所包含的各种微 能用于任意角度的投射，适用性较差，本文的研究 观粒子（电子、离子等）在外电磁场作用下运动状态 基于惠更斯原理与]，采用直接叠加的方法，可以适 发生变化的反映，由于自由电子、束缚电子以及离 合任何入射角度，从微观角度揭示热辐射在各向同 子在外磁场作用下都有各自不同的运动状态，因而 性介质表面发生反射及折射现象的本质[]， 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，介质中电子与离子要产生极 收稿日期：2007-03-20修回日期：2007-05-11 化，使得介质与热辐射发生相互作用成为可能门， 作者简介：夏德宏(1963一)男，教授，硕士， 将介质中电子、离子等带电粒子视为阻尼振子，这些 E-mail:xia@me.ustb.eud.cn 阻尼振子在各自的平衡位置以一定的固有振动频率热辐射在介质表面反射及折射的微观机理 夏德宏 余 涛 卢 娇 北京科技大学机械工程学院‚北京100083 摘 要 通过建立热辐射在介质表面散射的微观物理模型‚数值模拟了任意入射角下热辐射散射的电场强度分布图形‚得到 了在任一入射角下的反射角及折射角．模拟结果与经典公式推导的结果吻合得很好‚表明所建立的模型揭示了热辐射在介质 表面反射及折射的微观机理． 关键词 热辐射波；反射；折射；惠更斯原理 分类号 O436∙2 Reflection and refraction mechanism of heat radiation waves on the interface be￾tween two homogeneous media XIA Dehong‚Y U T ao‚LU Jiao School of Mechanical Engineering‚University of Science and Technology Beijing‚Beijing100083‚China ABSTRACT A micro physical model to describe the thermal radiation scattering on the interface between two homogeneous media was established‚the spacious profiles of electric intensity at any incident angle and the reflection／refraction angles were numerically simulated．T he comparison of numerical results with experimental ones indicates that the simulation is in good agreement with the classic principles‚which indicate that this model can explain the micro-mechanism of reflection and refraction on the interface between two media． KEY WORDS heat radiation wave；reflection；refraction；Huygen’s principle 收稿日期：2007-03-20 修回日期：2007-05-11 作者简介：夏德宏（1963—）‚男‚教授‚硕士‚ E-mail：xia＠me．ustb．eud．cn 热辐射在本质上是一种电磁波‚其波长比可见 光大‚在传播过程中表现为交替变化的电场和磁场． 从宏观上看‚电磁波投射到介质表面时会发生反射 和折射现象．前人很早就通过对这两个现象的实验 观察总结出反射定律和折射定律‚它们可以由费马 原理和电动力学中电磁场的边界条件导出［1—2］．然 而‚到目前为止‚虽然有文献定性分析电磁波在材料 表面上发生反射和折射的微观机理‚但是定量的研 究还不够［3］．费曼曾经研究过电磁波在垂直投射时 折射的微观机理［2—3］‚但其研究的前提条件太多‚不 能用于任意角度的投射‚适用性较差．本文的研究 基于惠更斯原理［4—5］‚采用直接叠加的方法‚可以适 合任何入射角度‚从微观角度揭示热辐射在各向同 性介质表面发生反射及折射现象的本质［6］． 1 热辐射与介质相互作用机理 热辐射在介质中传播特性符合麦克斯韦电磁方 程‚热辐射波的传播在同一均质介质中将会按照直 线传播．然而‚在热辐射投射到材料表面上时‚可以 观测到传播方向发生改变．这种现象表明‚热辐射 一定与材料表面的微观粒子发生了作用‚因而导致 热辐射的传播方向发生了偏转． 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［7］． 将介质中电子、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 第30卷 第6期 2008年 6月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．6 Jun．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．06．013