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黑体、灰体和选择性辐射体

比辐射率定义为辐射源的辐射出射度与具有同一温度的黑体的辐射出射度之比。比辐射率是材料种类及表面磨光程度的函数，它随波长和材料温度而变。根据热辐射定律，可将全光谱的比辐射率写成更普遍的表达式：

根据光谱比辐射率，可将辐射体分为三类：

图1.12黑体、灰体和选择性辐射体的比辐射率

图1.13 同一温度下三类辐射体的光谱辐射通量密度

从基尔霍夫定律可得出结论：在给定温度下，任何材料的比辐射率在数值上
等于该温度时的吸收率。
根据能量守恒定律，入射的辐射能等于吸收、反射、透过能量之和，即：

由于直接测量比辐射率比较困难，可通过测量反射率来间接测量比辐射率。

常用材料的比辐射率如表所列，由表可见：
1）金属材料的比辐射率均较低,但随温度而增加,并且当表面形成氧化层后,比辐射率成十倍或更大倍数增加。
2）非金属的比辐射率要高些，一般大于0.8,并随温度的增高而减小。
3）金属或其他非透明材料的辐射发生在表面几微米内,因此,比辐射率与材料尺寸无关,主要与表面状态有关。表面涂复或刷漆对比辐射率有影响，表面的油膜、污垢、灰尘、擦伤都能引起比辐射率测量值的变化。
4）比辐射率是有方向性的，必须分别定义半球、定向、法向等三类不同的比辐射率。由于这三类比辐射率的差别较小，除磨光金属外，其差都可忽略。对磨光金属，半球比辐射率约比法向值大20%，但由于很少用磨光金属做辐射源，一般就不特别注明了。

表1.3 常见材料比辐射率的法向值

同样一种材料在不同波段的比辐射率的差异很大，雪就是一个典型例子。表中给出雪的比辐射率为0.85，这是在红外波段测得的平均结果。雪在阳光照射下显得十分耀眼，说明雪在可见波段是很好的漫反射体，由于吸收很少，根据基尔霍夫定律，它的比辐射率应该很低。太阳辐射相当于6000K黑体，其辐射的峰值波长在0.5微米处,整个辐射能量98％处于0.15到3微米的波段内。由于人眼只对可见光敏感, 最敏感的波长在0.5微米左右，阳光下我们观察到的雪确实应该是白的。

比辐射率定义为辐射源的辐射出射度与具有同一温度的黑体的辐射出射度之比。表中给出的雪的比辐射率值是在－10℃时测得的，该温度下的黑体辐射的峰值波长在11微米，且整个辐射能量约有98％处于3微米到70微米的波段内。因此，表中给出的雪的比辐射率主要反映雪在红外波段的发射本领。可惜人眼不能感知红外，否则雪应该是“黑”的。

像卫星那样的航天飞行器进入日照区时，星体大量吸收太阳辐射的能量，舱内迅速升温。进入阴影区后，星体又向深冷太空辐射能量，舱内急剧降温。我们可充分利用星体的壳体材料在太阳辐射波段和壳体热辐射波段发射能力的差别，对星体结构进行热控设计，减小舱内环境温度的波动。热控设计时，壳体材料对太阳辐射的吸收率以及在低温（300K）辐射时的比辐射率是非常重要的参数。

内部没有能量散逸的卫星称为被动式卫星，其平衡温度仅取决与α /ε 值。α /ε 值高的为“热卫星”，α /ε 值低的为“冷卫星”。对于有能量散逸的主动式卫星，必须考虑其他一些因素，但决定它们的平衡温度时，α /ε 仍是最重要的一个量。

表1.4 空间飞行器蒙皮材料的太阳吸收系数和低温（300K）的比辐射率

比较一下磨光铝板和白色氧化钛涂料的α /ε 值，就能明白：为什么许多飞机为降低停放地面时太阳照射产生的内部高温，都涂以涂层。美国双子星座载人飞船以制动舱和设备舱外蒙皮为辐射散热面, ε 为0.9，对太阳辐射的吸收率α为 0.187。其α /ε 值为 0.21，对舱内的红外探测仪器比较有利。