物體熱輻射PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1物體熱輻射物體熱輻射黑體光譜輻亮度Le,s,和光譜輻強度Ie,s,分別為) 1e (252s,e,kThchcL（1-41）) 1e (cos252s,e,kThchAcI第2頁/共32頁第1頁/共32頁第3頁/共32頁第2頁/共32頁將式（1-40）對波長求積分，得到黑體發(fā)射的總輻射出射度 s , eM04, s , es , edTMM（1-42）式中，是斯特藩-波爾茲曼常數(shù)，它由下式?jīng)Q定 4282345KWm1067. 5152chk由式（1-42），Me,s與T的四次方成正比 第4頁/共32頁第3頁/共32頁Tm2898(m) （1-43） 可見，峰值光譜輻出度對應(yīng)的波長與絕對

2、溫度的乘積是常數(shù)。當(dāng)溫度升高時，峰值光譜輻射出射度對應(yīng)的波長向短波方向位移，這就是維恩位移定律。 第5頁/共32頁第4頁/共32頁155se103091T.Mm,Wcm-2m-1K-5 以上三個定律統(tǒng)稱為黑體輻射定律。 第6頁/共32頁第5頁/共32頁24, s , em/W3 .5205 .309M第7頁/共32頁第6頁/共32頁Tm2898(m)=9.36m 峰值光譜輻射出射度為 155se103091T.Mm,Wcm-2m-1 =3.72 Wcm-2m-1 （3）人體發(fā)燒到38時峰值輻射波長為 m32. 9382732898m發(fā)燒時的峰值光譜輻射出射度為 155, s , e10309.

3、 1TMm=3.81Wcm-2m-1 第8頁/共32頁第7頁/共32頁015. 1285628962898Tm(m) 峰值光譜輻射出射度為 155, s , e10309. 1TMm=1.3092856510-15 =248.7Wcm-2m-1 總輻射出射度為 24484, s , em/W1077. 328561067. 52856M第9頁/共32頁第8頁/共32頁光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)CCD21.4 輻射度參數(shù)與光度參數(shù)的關(guān)系輻射度參數(shù)與光度參數(shù)的關(guān)系 輻射度參數(shù)與光度參數(shù)是從不同角度對光輻射進行度量的參數(shù)，這些參數(shù)在一定光譜范圍內(nèi)（可見光譜區(qū)）經(jīng)常相互使用，它們之間存在著一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系；有些光

4、電傳感器件采用光度參數(shù)標定其特性參數(shù)，而另一些器件采用輻射度參數(shù)標定其特性參數(shù)，因此討論它們之間的轉(zhuǎn)換是很重要的。本節(jié)將重點討論它們的轉(zhuǎn)換關(guān)系，掌握了這些轉(zhuǎn)換關(guān)系，就可以對用不同度量參數(shù)標定的光電器件靈敏度等特性參數(shù)進行比較。第10頁/共32頁第9頁/共32頁e,me,)(LLV（1-54） 第11頁/共32頁第10頁/共32頁第12頁/共32頁第11頁/共32頁V(）也是一個無量綱的相對值，它與波長的關(guān)系如圖1-5中的虛線所示。 e,nm507, e)(LLV(1-55) 對于正常人眼的圓柱細胞，以微弱的各種單色輻射刺激時，發(fā)現(xiàn)在相同刺激程度下，波長為處的光譜輻射亮度Le，507nm小于其他

5、波長的光譜輻射亮度 Le,。把 Le，507nm 與Le,的比值定義為正常人眼的暗視覺光譜光視效率，即第13頁/共32頁第12頁/共32頁)(, em,vVXKX（1-56）式中，Km為人眼的明視覺最靈敏波長的光度參量對輻射度參量的轉(zhuǎn)換常數(shù)，其值為683lm/W。 第14頁/共32頁第13頁/共32頁)(,VXKXemv式中，Km為人眼的明視覺最靈敏波長的光度參量對輻射度參量的轉(zhuǎn)換常數(shù)，其值為1725lm/W。 引進，K（），并令 )()(m, e,vVKXXK（1-58）（1-57）)()(m, e,vVKXXK（1-59）第15頁/共32頁第14頁/共32頁CCD2重疊部分重疊部分第16頁

6、/共32頁第15頁/共32頁第17頁/共32頁第16頁/共32頁evevK 對發(fā)射連續(xù)光譜輻射的熱輻射體，由上式及式（1-58）可得總光通量v為 d )(nm780nm380e,mvVK(1-60)(1-61)第18頁/共32頁第17頁/共32頁（1-62）式中式中,V是輻射體的光視效率。是輻射體的光視效率。 VKVKKm0, enm780nm380, emdd )( 標準鎢絲燈發(fā)光光譜的分布如圖1-7所示，圖中的曲線分別為標準鎢絲燈的相對光譜輻射分 、光譜光視效率V（）和光譜光視效率與相對光譜輻射分布之積 ，積分 r, eXrVe,)X(reX,)d(780nmnm380e,VXrrVe,)

7、X(為曲線所圍的面積Al，而積分 第19頁/共32頁第18頁/共32頁d0e,rX面積A2。因此，由(1-62)可得標準鎢絲燈的光視效能Kw為1 .1721mWAAKKlm/W 由式（1-60），已知某種輻射體的光視效能K和輻射量Xe，就能夠計算出該輻射體的光度量Xv，該式是輻射體的輻射量和光度量的轉(zhuǎn)換關(guān)系式。 第20頁/共32頁第19頁/共32頁tEHvv第21頁/共32頁第20頁/共32頁（1-63）xdd式中，稱為吸收系數(shù)。 如圖1-8所示，利用初始條件x=0時 ，解這個微分方程，可以找到通過x路程的光通量為 第22頁/共32頁第21頁/共32頁（1-64）xe0可見，當(dāng)光在物質(zhì)中傳播時

8、，透過的能量衰減到原來能量的e-1時所透過的路程的倒數(shù)等于該物質(zhì)的吸收系數(shù)，即 x1（1-65）另外，根據(jù)電動力學(xué)理論，平面電磁波在物質(zhì)中傳播時，其電矢量和磁矢量都按指數(shù)規(guī)律 exp(-xc-1)衰減。 )(jeecnxtcx0YEE)(j0eecnxtcxZHH第23頁/共32頁第22頁/共32頁（1-66）乘積的其實數(shù)部分應(yīng)是輻射通量隨傳播路徑x的變化關(guān)系。即 cx20e式中，稱為消光系數(shù)。 由此可以得出 42c（1-67） 半導(dǎo)體的消光系數(shù)與入射光的波長無關(guān)，表明它對愈短波長的光吸收愈強。第24頁/共32頁第23頁/共32頁（1-68） 普通玻璃的消光系數(shù)普通玻璃的消光系數(shù)也與波長也與波

9、長無關(guān)，無關(guān)，因此，它們對短波長輻射的吸收比長波長強。因此，它們對短波長輻射的吸收比長波長強。 當(dāng)不考慮反射損失時，吸收的光通量應(yīng)為當(dāng)不考慮反射損失時，吸收的光通量應(yīng)為 )e1 (00 x第25頁/共32頁第24頁/共32頁 在不考慮熱激發(fā)和雜質(zhì)的作用時，半導(dǎo)體中的電子基本上處于價帶中，導(dǎo)帶中的電子很少。當(dāng)光入射到半導(dǎo)體表面時，原子外層價電子吸收足夠的光子能量，越過禁帶，進入導(dǎo)帶，成為可以自由運動的自由電子。同時，在價帶中留下一個自由空穴，產(chǎn)生電子-空穴對。如圖1-9所示，半導(dǎo)體價帶電子吸收光子能量躍遷入導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子空穴對的現(xiàn)象稱為本征吸收。 d第26頁/共32頁第25頁/共32頁由此，可以

10、得到發(fā)生本征吸收的光波長波限 （1-69）gEhv ggL24. 1EEhc（1-70）只有波長短于的入射輻射才能使器件產(chǎn)生本征吸收，改變本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。 第27頁/共32頁第26頁/共32頁 N型半導(dǎo)體中未電離的雜質(zhì)原子（施主原子）吸收光子能量hv。若hv大于等于施主電離能ED，雜質(zhì)原子的外層電子將從雜質(zhì)能級（施主能級）躍入導(dǎo)帶，成為自由電子。 同樣，P型半導(dǎo)體中，價帶上的電子吸收了能量hv大于EA（受主電離能）的光子后，價電子躍入受主能級，價帶上留下空穴。相當(dāng)于受主能級上的空穴吸收光子能量躍入價帶。 第28頁/共32頁第27頁/共32頁DL24. 1EAL24. 1E（1-71）（1

11、-72）由于EgED或EA ，因此，雜質(zhì)吸收的長波長總要長于本征吸收的長波長。雜質(zhì)吸收會改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性，也會引起光電效應(yīng)。 第29頁/共32頁第28頁/共32頁 當(dāng)入射到本征半導(dǎo)體上的光子能量hv小于Eg，或入射到雜質(zhì)半導(dǎo)體上的光子能量hv小于雜質(zhì)電離能（ED或EA）時，電子不產(chǎn)生能帶間的躍遷成為自由載流子，仍受原來束縛電荷的約束而處于受激狀態(tài)。這種處于受激狀態(tài)的電子稱為激子。吸收光子能量產(chǎn)生激子的現(xiàn)象稱為激子吸收。顯然，激子吸收不會改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。 第30頁/共32頁第29頁/共32頁 對于一般半導(dǎo)體材料，當(dāng)入射光子的頻率不夠高時，不足以引起電子產(chǎn)生能帶間的躍遷或形成激子時，仍然存在著吸收，而且其強度隨波長增大而增強。這是由自由載流子在同一能帶內(nèi)的能級間的躍遷所引起的，稱為自由載流子吸收。自由載流子吸收不會改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。 第31頁/共32頁第30頁/