任何物體都具有不斷輻射、吸收、發(fā)射電磁波的本領(lǐng).輻射出去的電磁波在各個(gè)波段是不同的,也就是具有一定的譜分布.這種譜分布與物體本身的特性及其溫度有關(guān),因而被稱之為熱輻射.為了研究不依賴于物質(zhì)具體物性的熱輻射規(guī)律,物理學(xué)家們定義了一種理想物體——黑體(black body),以此作為熱輻射研究的標(biāo)準(zhǔn)物體.
所謂黑體是指入射的電磁波全部被吸收,既沒有反射,也沒有透射( 當(dāng)然黑體仍然要向外輻射).顯然自然界不存在真正的黑體,但許多地物是較好的黑體近似( 在某些波段上).
基爾霍夫輻射定律(Kirchhoff),在熱平衡狀態(tài)的物體所輻射的能量與吸收的能量之比與物體本身物性無關(guān),只與波長和溫度有關(guān).按照基爾霍夫輻射定律,在一定溫度下,黑體必然是輻射本領(lǐng)最大的物體,可叫作完全輻射體.
普朗克輻射定律(Planck)則給出了黑體輻射的具體譜分布,在一定溫度下,單位面積的黑體在單位時(shí)間、單位立體角內(nèi)和單位波長間隔內(nèi)輻射出的能量為
B(λ,T)=2hc2 /λ5 ·1/exp(hc/λRT)-1
B(λ,T)—黑體的光譜輻射亮度(W,m-2 ,Sr-1 ,μm-1 )
λ—輻射波長(μm)
T—黑體絕對(duì)溫度(K、T=t+273k)
C—光速(2.998×108 m·s-1 )
h—普朗克常數(shù), 6.626×10-34J·S
K—波爾茲曼常數(shù)(Bolfzmann), 1.380×10-23J·K-1 基本物理常數(shù)
由圖2.2可以看出：
①在一定溫度下,黑體的譜輻射亮度存在一個(gè)極值,這個(gè)極值的位置與溫度有關(guān), 這就是維恩位移定律(Wien)
λm T=2.898×103 (μm·K)
λm —最大黑體譜輻射亮度處的波長(μm)
T—黑體的絕對(duì)溫度(K)
根據(jù)維恩定律,我們可以估算,當(dāng)T～6000K時(shí),λm ～0.48μm(綠色).這就是太陽輻射中大致的最大譜輻射亮度處.
當(dāng)T～300K, λm～9.6μm,這就是地球物體輻射中大致最大譜輻射亮度處.
②在任一波長處,高溫黑體的譜輻射亮度絕對(duì)大于低溫黑體的譜輻射亮度,不論這個(gè)波長是否是光譜最大輻射亮度處.
如果把B(λ,T)對(duì)所有的波長積分,同時(shí)也對(duì)各個(gè)輻射方向積分,那么可得到斯特番—波耳茲曼定律(Stefan-Boltzmann),絕對(duì)溫度為T的黑體單位面積在單位時(shí)間內(nèi)向空間各方向輻射出的總能量為B(T)
B(T)=δT4(W·m-2 )
δ為Stefan-Boltzmann常數(shù), 等于5.67×10-8W·m-2 ·K-4
但現(xiàn)實(shí)世界不存在這種理想的黑體,那么用什么來刻畫這種差異呢?對(duì)任一波長, 定義發(fā)射率為該波長的一個(gè)微小波長間隔內(nèi), 真實(shí)物體的輻射能量與同溫下的黑體的輻射能量之比.顯然發(fā)射率為介于0與1之間的正數(shù),一般發(fā)射率依賴于物質(zhì)特性、 環(huán)境因素及觀測(cè)條件.如果發(fā)射率與波長無關(guān),那么可把物體叫作灰體(grey body), 否則叫選擇性輻射體.