1.  黑體輻射

所有物體都在不斷地發(fā)射和吸收電磁輻射。發(fā)射的輻射被稱為黑體輻射。

物體發(fā)射的輻射譜是連續(xù)的。物體的溫度決定了譜線最大值的波長以及單位時(shí)間內(nèi)的總能量輸出。

2.  引言

所有物質(zhì)物體都會(huì)發(fā)射電磁輻射；發(fā)射的光子能量和通量的分布主要取決于物體的溫度。這一現(xiàn)象被稱為黑體輻射。由于輻射量及其譜線依賴于溫度，因此它有時(shí)被稱為熱輻射或熱能輻射。

所討論的物體可以是大的（如恒星和行星）、小的（如單個(gè)分子），可以是固體、液體或氣體。黑體輻射是一種常見的現(xiàn)象：當(dāng)物體（例如一塊金屬）溫度升高時(shí)，它開始發(fā)出紅橙色的光，隨著溫度進(jìn)一步升高，它的光變得越來越白。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，光的色調(diào)變成藍(lán)色。然而，在如此高的溫度下，光通常是如此強(qiáng)烈，以至于人眼看起來會(huì)感到痛苦，甚至對(duì)眼睛有害（這也是為什么焊工在工作時(shí)戴上深色護(hù)目鏡的原因）。

即使當(dāng)物體較冷，我們根本看不見它發(fā)光時(shí)，物體仍然在不斷發(fā)射輻射，主要是在紅外區(qū)域。夜視設(shè)備可以探測(cè)到這些紅外輻射，并將其轉(zhuǎn)化為可見圖像。

黑體輻射不斷從物體中移除能量，從而導(dǎo)致其冷卻。這就是地球表面在夜間冷卻的原因。那么，為什么物體不會(huì)繼續(xù)不斷冷卻，最終達(dá)到絕對(duì)零度？原因在于，當(dāng)物體因黑體輻射而失去能量時(shí)，它同時(shí)也被周圍所有物體發(fā)射的黑體輻射照射，并吸收一些輻射，從而替代了部分失去的能量。電磁輻射在物體之間不斷地“交換"。溫度較高的物體發(fā)射的輻射能量較強(qiáng)，因此它們會(huì)冷卻得更快。因此，在沒有外部熱源的情況下，所有處于封閉空間中的物體最終會(huì)達(dá)到相同的溫度，即達(dá)到熱平衡。即使在熱平衡達(dá)到后，物體仍然相互交換輻射，但此時(shí)物體吸收和發(fā)射輻射的速率相同，因此沒有凈熱量交換發(fā)生。

太陽、地球、地球的大氣層和云層的黑體輻射在地球氣候中發(fā)揮著重要作用。太陽的大部分輻射是來自太陽表面（或光球）的黑體輻射，其溫度約為5700 K。地球表面通過吸收這種光來獲得溫暖。與此同時(shí)，地球表面也在發(fā)射自身的黑體輻射。到了夜晚，當(dāng)?shù)乇聿辉偈艿教栒丈鋾r(shí)，它仍然在發(fā)射自己的黑體輻射，從而導(dǎo)致地表冷卻。部分輻射被大氣層吸收。大氣層也發(fā)射黑體輻射，其中一部分被地球表面吸收。夜間的溫度取決于地球和大氣層的吸收和發(fā)射速率的相對(duì)關(guān)系。如果大氣層更有效地吸收輻射，它會(huì)捕獲更多的地球輻射，并將更多的輻射重新輻射到下方，從而使地球表面溫度升高。這就是溫室效應(yīng)。

3. 黑體輻射的譜線

現(xiàn)在，讓我們更定量地分析任何宏觀物體的電磁輻射的吸收和發(fā)射。理想的黑體是一個(gè)假想物體，它吸收所有照射到其表面的輻射（因此，黑體的名字來源于它不會(huì)反射任何光，因此看起來是黑色的）。物理理論預(yù)測(cè)了理想黑體在某一溫度下的輻射譜。下圖顯示了不同溫度下理想黑體的理論輻射譜。請(qǐng)注意，在此圖中，每個(gè)主要的刻度標(biāo)記表示相鄰刻度標(biāo)記之間的差異為10倍。也就是說，波長和輻射強(qiáng)度的刻度是對(duì)數(shù)的。

理想黑體輻射的譜線

溫度為T=6000K、5000K、4000K、3000K、2000K和1000K時(shí)，理想黑體輻射的譜線。太陽的光球溫度略低于6000K。地球表面的有效溫度略低于300K。

黑體輻射的一個(gè)顯著特征是它具有連續(xù)的譜線。也就是說，輻射強(qiáng)度曲線是平滑的。它沒有任何波動(dòng)，并且在某個(gè)波長處不會(huì)突然降為零。

非理想黑體在給定波長下發(fā)射的輻射強(qiáng)度低于理想黑體。然而，地球和太陽等物體的輻射能量與同溫度下的黑體輻射非常相似。

黑體在每個(gè)波長下的輻射強(qiáng)度只依賴于其絕對(duì)溫度（以開爾文為單位）。記住，熱量是一種能量形式，因此如果一個(gè)黑體通過吸收更多能量較強(qiáng)的光子（或通過其他過程，如傳導(dǎo)），它將發(fā)射更多能量較強(qiáng)的光子。

4. 黑體輻射與溫度

我們已經(jīng)看到，黑體會(huì)在所有波長的電磁輻射中發(fā)射輻射，并且發(fā)射輻射的強(qiáng)度隨著物體溫度的變化而變化。上面的圖顯示了不同溫度下黑體輻射的電磁輻射譜，按波長劃分。

當(dāng)光子在譜線上以連續(xù)范圍發(fā)射時(shí)，我們稱之為連續(xù)輻射。隨著溫度升高，每條曲線的峰值發(fā)生了什么變化呢？你可以看到，每條曲線的峰值隨著溫度升高而向較短的波長（更高的能量）移動(dòng)。

5.  吸收率與發(fā)射率

雖然理想的黑體是一個(gè)假想物體，但物體通常通過它們的輻射特性與同溫度下的黑體進(jìn)行比較。物體的兩個(gè)重要相關(guān)屬性是它們的吸收率和發(fā)射率。物體的吸收率a定義為在特定波長下，物體吸收的入射輻射的比例。材料的發(fā)射率e定義為在特定波長下，物體發(fā)射的輻射與同溫度下的黑體輻射的比例。如我們之前所知，理想的黑體吸收所有入射輻射，并在每個(gè)波長上發(fā)射最大可能的輻射。因此，理想黑體在任何波長下的吸收率和發(fā)射率都等于1。對(duì)于真實(shí)物體，這些值可能在0到1之間變化。基爾霍夫定律規(guī)定，對(duì)于任何物體：

a = e

根據(jù)這一點(diǎn)，一個(gè)在特定波長下是強(qiáng)吸收的物體，在該波長下也是強(qiáng)發(fā)射的；而一個(gè)在特定波長下吸收較弱的物體，也會(huì)在該波長下發(fā)射較弱。一個(gè)物體是否在給定波長下是強(qiáng)發(fā)射體或弱發(fā)射體，取決于材料的特性。大氣層中各種成分的發(fā)射率在決定大氣溫度結(jié)構(gòu)方面起著至關(guān)重要的作用。

6.  輻射能量和黑體輻射的關(guān)鍵點(diǎn)

輻射能量傳輸可以用輻射通量、輻照度或輻射亮度來描述。
理想的黑體吸收所有照射到它的輻射能量，并重新發(fā)射所有吸收的能量。
黑體輻射的發(fā)射強(qiáng)度依賴于輻射物體的溫度。
在特定波長下強(qiáng)（弱）吸收的黑體也是強(qiáng)（弱）發(fā)射的。
太陽和地球不是的黑體，但在研究它們的輻射能量發(fā)射時(shí)，可以將其近似為黑體。

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