|
|
ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. Раздел оптики занимающийся изучением явлений, в которых проявляются квантовые свойства света § 1 Тепловое излучение и люминесценция .Излучение телами электромагнитных волн света (свечение тел) может осуществляться за счёт различных видов энергии. Испускание электромагнитных волн за счет внутренней энергий тел называется тепловым излучением. Все остальные виды свечения, возбуждаемые за счет любого вида энергии, кроме внутренней (тепловой), называется люминесценцией. В зависимости от природы излучения энергии различают следующие виды люминесценция:
Люминесценция, которая срезу прекращается при окончании действия возбудителя свечения, называется флуоресценцией, а продолжающаяся в течение длительного времени после прекращения действия возбудителя свечения - фосфоресценцией. Тепловое излучение это электромагнитное излучение, возбуждаемое за счет энергии движения атомов и молекул (внутренней энергии тел). Тепловое излучение свойственно всем телам при температурах выше абсолютного нуля. Т = 0 К = -273,15 °С.
1-тело; 2 - термостат. Wпогл = Wизл - равновесность теплового излучения. Тепловое излучение является равновесным, то есть энергия, которая подводится к телу и испускается телом, равны. Если излучающее тело не получает энергии (теплоты) из вне, то оно охлаждается. Тепловое излучение подвержено саморегулированию. Предположим, что тело излучает больше энергии, чем поглощает. В результате этого его внутренняя энергия уменьшается, следовательно, температура тела понижается, соответственно, интенсивность излучения падает, и так будет происходить до тех пор, пока начнется равновесный процесс, при котором Wизл = Wпогл. Процессы, связанные с установлением равновесного теплового излучения объясняются зависимостью интенсивности теплового излучения тела от его температуры. При низких температурах тела излучают невидимые инфракрасные волны. При высоких - красное свечение. Раскаленные тела дают белое свечение. Из всех видов излучения равновесным может быть только тепловое излучение. К равновесным процессам применимы законы термодинамики, поэтому тепловое излучение может быть описано с использованием законов равновесной термодинамики. §2 Лучеиспускательная способность Коэффициент поглощения. Количественной характеристикой теплового излучения служит спектральная плотность энергетической светимости - лучеиспускательная способность (rν,T) - определяет количество энергии, излучаемой с единицы площади поверхности излучающего тела за единицу времени в единичном интервале частот от ν до ν + dν (1) [rν,T] = Дж/м2 где rν,T - является функцией частоты и температуры. Используется также запись rλ,T - функция длины волны и температуры. Найдем связь между ними. Из (1) следует
Так как λ = с/ν, следовательно
где с - скорость света, равная 3·108 м/с,
Второй характеристикой теплового излучения является поглощающая способность - аν,Т, которая также является функцией частоты и температуры. Поглощающая способность аν,Т (или коэффициент поглощения) показывает, какая часть энергии падающей за единицу времени на единицу плоской поверхности данного тела, поглощается.
аν,Т ≤ 1, [аν,Т] = l (безразмерная величина). Тело, коэффициент поглощения которого равен 1, называется абсолютно черным телом (а.ч.т.). Абсолютно черное тело способно поглощать полностью при любой температуре всё падающее на тело излучение любой частоты. Абсолютно черного тела в природе нет, однако сажа, черный бархат, зрачок глаза в определенном интервале частот по своим свойствам близки к абсолютно черному телу. Идеальной моделью черного тела является замкнутая полость с небольшим отверстием. Луч света в полости в результате многократных отражений от стенок полностью поглощается. Чем меньше величина отверстия, тем меньше интенсивность выходящего света, тем ближе коэффициент поглощения к 1. Примером такой полости может быть зрачок глаза. Тело с полостью - пример абсолютно черного тела (аν,Т =1). Если аν,Т < 1 и при этом аν,Т = const, то тело является серым. § 3 Закон. Кирхгофа Кирхгоф в 1855 году установил закон, согласно которому, отношение лучеиспускательной способности данного тела к поглощающей способности есть величина, не зависящая от природы тела, является для всех тел универсальной функцией частоты (длины волны) и температуры, равная лучеиспускательной способности абсолютно черного тела.
Следствие закона Кирхгофа:
rν,Т = aν,Т ·rν,Т а.ч.т.
Закон Кирхгофа описывает только тепловое излучение. Излучение, которое не подчиняется закону Кирхгофа, не является тепловым - критерий теплового излучения. Закон Кирхгофа можно получить, рассматривая равновесное тепловое излучение. Пусть даны две пластины, изолированные от внешней среды. При этом пластика А является а.ч.т. А и В находятся в условиях термодинамического равновесия. dWпогл = aν,Т dWпад dWпад = dWизл , так как наблюдается термодинамическое равновесие dWпад В = dWизл А =rν,Т а.ч.т. dν ; dWпогл B = aν,Т dWпад B = aν,Т rν,Т а.ч.т. dν= dWизл B = rν,Т dν rν,Т = aν,Т ·rν,Т а.ч.т., следовательно, rν,Т /aν,Т = rν,Т а.ч.т Ввиду того, что поверхность В выбрана совершенно произвольно, полученный результат будет справедлив в случае любой поверхности.
|