Тепловое излучение и поглощение электромагнитных волн веществом. Тепловое равновесие тел. Абсолютно черное тело

Поляризационные приборы и их применение.

Поляризационные приборы (иначе поляризаторы) превращают естественный свет в линейно-поляризованный. Все они работают по принципу отделения обыкновенного луча от необыкновенного. Примером поляризатора может служить пластинка турмалина. Турмалин представляет собой двоякопреломляющий кристалл, в котором один из лучей (обыкновенный) поглощается значительно сильнее, чем другой. Поэтому из пластинки турмалина оба луча, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях, выходят с различной интенсивностью, и прошедший через нее свет оказывается частично поляризованным. Если взять достаточно толстую (около 1 мм) пластинку турмалина, то в случае видимого света обыкновенный луч практически целиком поглощается и вышедший свет будет плоскополяризованным. Турмалин является не только поляризатором, но и светофильтром, практически пропускающим зелено-желтую область видимого спектра.

В настоящее время широкое применение получили поляроиды. Для изготовления поляроида между двумя пластинами стекла или оргстекла заклеивается пленка из дихроичного вещества, практически полностью отражающая обыкновенный луч; вся эта система закрепляется в оправе. Установлено, что такая пленка толщиной порядка 0,1 мм поглощает один из лучей, например, современные поляроиды пропускают фиолетовую, а также красную области спектра поляризованными лишь частично.

Одним из недостатков поляроидов являются их недостаточная прозрачность, они дают окрашенный свет и, кроме того, они хорошо работают только в относительно узком спектральном диапазоне. Поляроиды применяются для защиты от ослепляющего действия солнечных лучей. Также с помощью поляроида можно проанализировать характер поляризации света и определить направление колебаний электрического вектора напряженности.

Глава 21. Взаимодействие электромагнитных волн с веществом

Поглощением света называется явление уменьшения энергии световой волны при ее распространении в веществе, происходящее вследствие преобразования энергии волны во внутреннюю энергию вещества или в энергию вторичного излучения, имеющего другой спектральный состав. Поглощение света можно вызвать нагревание вещества, фотохимические реакции и другие процессы в веществе.

Поглощение света описывается законом Бугера, согласно которому, интенсивность I плоской волны монохроматического света уменьшается по мере прохождения через поглощающую среду по экспоненциальному закону:

,

где I₀ - интенсивность света на входе в поглощающий слой, l - толщина слоя, א - постоянная, зависящая от химической природы и состояния поглощающей среды и называемая коэффициентом поглощения среды. Зависимость показателя поглощения среды от длины волны характеризует спектр поглощения света в данной среде.

Спектр поглощения получается, если на пути лучей, падающих на призму, поместить какое - либо вещество. Это вещество не пропустит определенные лучи (поглотит их), и на экране на сплошной спектральной полоске появятся линии или полосы - спектр поглощения.

По виду различают спектры сплошные, линейчатые и полосатые. Сплошной спектр - это непрерывная радужная полоска. Такой спектр получается в результате свечения твердых или жидких тел (например, в электрической лампочке – накаленная металлическая нить).

Линейчатый спектр - это совокупность определенных спектральных линий (на черном фоне). Линейчатые спектры испускаются светящимися атомами. Полосатые спектры испускают целые светящиеся молекулы, он представляет собой отдельные спектральные полосы, один край которых резкий, а другой размытый.

Все тела в той или иной степени излучают электромагнитные волны. Например, сильно нагретые тела светятся, а при обычных температурах являются источниками только не­видимого инфракрасного излучения.

Электромагнитное излучение, испускаемое веществом и воз­никающее за счет его внутренней энергии, называется тепловым излучением. Оно зависит только от температуры и оптических свойств излучающего тела. Если расход энергии тела на тепловое излучение не восполняется за счет подвода к телу теплоты, то его температура постепенно понижается, а тепловое излучение уменьшается.

Теплообменом излучения (радиационным теплообменом) называется самопроизвольный процесс передачи энергии форме теплоты от более нагретого тела к менее нагретому, осуществляющийся путем теплового излучения и поглощения электромагнитных волн этими телами.

Тепловое излучение - единственное, которое может находиться в термодинамическом равновесии с веществом. При равновесии расход энергии тела на тепловое излучение компенсируется за счет поглощения телом такого же количества энергии падающего на него излучения. Равновесное излучение устанавливается в адиабатически замкнутой системе (т. е. такой, которая не обменивается теплотой с внешней средой) и все тела которой находятся при одной и той же температуре.

Количественной характеристикой теплового излучения является излучательная (испускательная) способность r _ν, которая определяет энергию электромагнитных волн, излучаемых за единицу времени с единицы площади поверхности тела в узком интервале частот от ν до ν+dν:

Помимо излучательной способности тела вводят понятие интегральной излучательной способности (или энергетическая светимость), которая определяет энергию излучения за единицу времени с единицы площади во всем спектре излучения:

Поглощательной способностью тела называется безразмерная величина a _ν, показывающая, какая доля энергии электромагнитных волн с частотами от ν до ν + dν, падающих на поверхность тела, поглощается им:

.

Значение a _ν зависит от частоты, температуры, химического состава тела и состояния его поверхности.

Абсолютно черным телом называется тело, которое полностью поглощает все падающее на него излучение, т.е. поглощательная способность a _ν = 1. Моде­лью абсолютно черного тела может служить почти замкнутая полость с небольшим отверстием (рис.21.1). Свет, попадающий внутрь полости через отверстие, претерпевает многократные отражения от стенок. При этом энергия падающего света практически полностью поглощается стенками полости независимо от их материала.

Серым телом называется тело, поглощательная способность которого меньше единицы и не зависит от частоты (длины волны) света, направления его распространения и поляризации.

Законы теплового излучения

1. Закон Кирхгофа: отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности не зависит от природы тела и равно испускательной способности абсолютно черного тела r * при тех же значениях температуры и частоты:

2. Закон Стефана—Больцмана: энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональ­на четвертой степени его термодинамической температуры:

,

где σ = 5,67 · 10^-8 Вт/м² К⁴ — постоянная Стефана— Больцмана.

3. За­кон смещения Вина: длина волны λ_m, соответствующая максимальному значению спектральной плотности энергетической светимости черного тела, обратно пропорциональна его термодинамической температуре:

где b = 2,9 · 10³ м · К — постоянная Вина.

Дата добавления: 2014-11-18