Виды излучений. Особенности и характеристики теплового излучения

Введение

Тепловое излучение.

Лекция №7

Вопросы:

1.Введение.

2. Виды излучений. Особенности и характеристики теплового излучения.

3.Распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела.

4.Законы Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина.

5.Формула Планка.

Основные этапы развития классической физики.

Первый классический этап развития физики связан с именем И.Ньютона. Этот этап продлился с XVII до 60-х годов XIXв. и ознаменовался открытием четырех законов классической механики. К середине XIXв.авторитет классической механики возрос настолько, что она стала считаться эталоном научного подхода в естествознании. Широта охвата явлений природы, однозначная определенность (детерменизм) выводов, характерные для механики Ньютона, были настолько убедительны, что сформировалось своеобразное мировоззрение, в соответствии с которым механический подход следует применять ко всем явлениям природы, включая физиологические и социальные, и следует только определить начальные условия, чтобы проследить эволюцию природы во всем её многообразии.

Второй этап классического периода физики – 60-тые годы XIX в – 1894г.

Во второй половине XIX в. стало ясно, что материальный мир не сводится только к механическим перемещениям вещества. Еще одной формой существования материи было признано электромагнитное поле, наиболее полную теорию которого создал Дж.К.Максвелл. Анализируя свои уравнения, Максвелл пришел к выводу, что должны существовать электромагнитные волны, причем скорость их распространения должна быть равна скорости света. Отсюда вывод- свет – разновидность электромагнитных волн. Разработав электромагнитную картину мира, Максвелл завершил картину мира классической физики.

Этап с 1894 по 1904г.г. является периодом революционных открытий в физики, которые не могли быть объяснены в представлении классической физики. Этот этап являлся периодом перехода к новой современной физике, фундамент которой заложили специальная теория относительности и квантовая теория.

В следующих двух лекциях мы рассмотрим явления теплового излучения, внешнего фотоэффекта, эффекта Комптона, которые не могут быть объяснены классическими подходами.

Экспериментально установлено, что все тела способны испускать электромагнитные волны - светиться. Причины свечения многообразны. Случаи свечения тел при различном воздействии объединяют под общим названием люминесценция – холодное свечение. В зависимости от источника энергии, возбуждающего люминесценцию, различают хемилюминесценцию, электролюминесценцию (катодолюминесценцию), фотолюминесценцию и др.

В отличие от явлений люминесценции свечение тел при их нагревании называется тепловым излучением. Оно совершается за счет энергии теплового движения атомов и молекул тела,т.е.за счет внутренней энергии. Тепловое электромагнитное излучение свойственно любому телу при температуре Т > О К.

Тепловое излучение является термодинамическим равновесным (в отличие от люминесценции), то есть, распределение энергии между телом и его тепловым излучением остается неизменным во времени для каждой длины волны. Строго говоря, равновесное излучение будет иметь место в замкнутой полости с идеально отражающими стенками (рис.7.1).

Рис.7.1

Если по какой-либо причине тело, находящееся в полости, начнет, например, поглощать энергии больше, чем излучать, то температура тела повысится, интенсивность излучения возрастет, и термодинамическое равновесие системы "тело-излучение" восстановится.

Исследования электромагнитного излучения различных веществ показали, что каждому веществу присущ определенный набор излучаемых частот – спектр излучения. Различают три вида спектров: линейчатые, состоящие из отдельных линий, разделенных широкими интервалами частот, не излучаемых телом, полосатые, состоящие из отдельных полос, каждая из которых охватывает некоторый интервал частот и сплошные или непрерывные, охватывающие широкий диапазон частот.

Тепловое излучение твердых тел и жидкостей имеет сплошной спектр, охватывающий весь диапазон длин волн (от 0 до ¥), но энергия излучения распределена по этому диапазону неравномерно (неоднородно) – зависит от длины волны и температуры.

Количественной характеристикой теплового излучения тела является его энергетическая светимость (интегральная излучательность) R_Т - это мощность излучения электромагнитной энергии с единицы поверхности тела при данной температуре Т тела:

, (7.1)

где d W - энергия, уносимая с поверхности S тела за время dt электромагнитными волнами различной длины (0 £ l £ ¥).

Мощность излучения с единицы поверхности электромагнитных волн в интервале от l до (l +dl) пропорциональна величине этого интервала dl, т.е.

, (7.2)

Коэффициент пропорциональности в формуле (7.2) называется излучательной способностью для данной температуры Т и длины волны l,или спектральной плотностью энергетической светимости. Для интервала частот dn имеет место аналогичная формула:

, (7.3)

где r_n,Т – светимость в расчете на единичный частотный интервал.

Единицы измерения величин r_l,Т и r_n,Т в системе СИ:

, .

Можно показать, что

(7.4)

Зная спектральную плотность энергетической светимости (r_l,Т или r_n,Т), можно найти интегральную энергетическую светимость, проинтегрировав соотношение

(7.2) или (7.3) по всему спектральному диапазону:

или . (7.5)

Примерный вид зависимости r_l,Т от длины волны l при некоторой постоянной температуре Т изображен на рис.7.2.

Рис.7.2

Дата добавления: 2014-01-20