Излучение и поглощение электромагнитных волн веществами

Тепловое излучение

1. Излучение и поглощение электромагнитных волн веществами.

2. Особенности теплового излучения.

3. Физические величины, характеризующие тепловое излучение.

4. Закон Кирхгофа, задача физики теплового излучения.

5. Экспериментальные законы теплового излучения (законы Стефана-Больцмана и Вина).

6. Распределение испускательной способности абсолютно чёрного тела по длинам волн (формулы Рэлея-Джинса и Планка).

Согласно теории Максвелла, причиной возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов. Колебания электронов под воздействием переменного электрического напряжения в антенне радиопередатчика создают электромагнитные волны, распространяющиеся в земной атмосфере. Все другие типы электромагнитных волн также возникают в результате различных видов ускоренного движения электрических зарядов.

По первоначальной теории Максвелла для учёта влияния вещества на электромагнитные процессы необходимо было принимать во внимание три характеристики вещества: диэлектрическую проницаемость ε, магнитную проницаемость μ и проводимость σ вещества. Диэлектрическая и магнитная проницаемости определяют скорость v распространения электромагнитных волн в данной среде:

,

(2.1)

а проводимость σ определяет поглощение волны.

Скорость распространения света в вещества связана с его коэффициентом преломления n соотношением:

.

(2.2)

Сравнивая эти формулы (2.1) и (2.2), получаем

.

(2.3)

Таким образом, коэффициент преломления n должен определяться значениями диэлектрической ε и магнитной μ проницаемостей вещества. Это соотношение хорошо оправдывается для длинных электромагнитных волн, если для ε и μ брать значения, полученные на основании обычных электростатических и магнитных измерений. Однако для света те же значения ε и μ дают неправильные значения коэффициента преломления.

Так, для воды ε =81 и μ практически не отличается от единицы, откуда по (2.3) для n получаем:

.

На самом деле для видимого света коэффициент преломления воды равен всего 1,3. Также не оправдывается и связь между поглощением света и проводимостью среды. Например, путём соответственной окраски стекло может быть сделано весьма сильно поглощающим свет, без заметного повышения его электрической проводимости.

Это кажущееся противоречие разрешается тем, что значения ε, μ и σ при больших частотах внешнего электромагнитного поля, в данном случае поля световой волны, сильно зависят от частоты и поэтому не равны значениям ε, μ и σ, полученным на основании электростатических и магнитостатических измерений.

Такую зависимость можно понять, если учесть, что величины ε и μ описывают результат взаимодействия внешнего поля с атомами и молекулами, усреднённый по большому числу атомов. Для коротких световых волн, период колебаний которых сравним с периодом внутриатомных и внутримолекулярных движений, взаимодействие электромагнитного поля с атомами и молекулами будет иное, чем при более медленных процессах, и результат усреднения будет иной. Оптические свойства веществ детально могут быть разобраны лишь в результате учёта характера взаимодействия световой электромагнитной волны с той сложной электрической системой, какой является каждый атом или молекула. Поскольку в состав атомов и молекул входят электроны, то разбор оптических свойств веществ возможен лишь на основе электронной теории.

Так с точки зрения теории упруго связанных электронов (теории Лоренца) поглощение света вызвано тем, что проходящая световая волна возбуждает вынужденные колебания электронов. На поддержание колебаний электронов идёт энергия, которая затем переходит в энергию других видов. Если в результате столкновений между атомами энергия колебаний электронов переходит в энергию беспорядочного молекулярного движения, то тело нагревается.

Таким образом, испускание и поглощение света происходит в результате колебаний заряженных частиц в атомах и молекулах. Поэтому полное описание явлений испускания и поглощения света можно дать лишь на основании законов взаимодействия между заряженными частицами и излучением. Впоследствии мы увидим, что эти законы выходят за пределы классической электродинамики и носят особый, квантовый характер. Однако ряд явлений, связанных с испусканием и поглощением света, можно разобрать, не касаясь их механизмов, а рассматривая лишь с энергетической (термодинамической) точки зрения. Раздел физики, занимающийся такого рода рассмотрениями, носит название термодинамики излучения.

Всякое излучение тела сопровождается потерей энергии. Поэтому изучение может происходить либо за счёт убыли энергии самого тела, либо за счёт того, то тело получает энергию извне. Рассмотрим несколько примеров.

1. Происходит процесс фотолюминесценции: тело, предварительно поглотившее свет, затем само светится. При поглощении света в теле произошли изменения, в результате чего оно приобрело некоторую энергию, называемую энергией возбуждения (или активации). Последующее излучение происходит за счёт этой энергии возбуждения.
2. Тело светится в результате происходящих химических реакций (хемилюминесценция), например фосфор светится при медленном окислении кислородом воздуха. Энергия излучения в этом случае возникает за счёт энергии, освобождающейся при химическом процессе.
3. Происходит свечение разреженного газа при прохождении через него электрического тока. Энергия, которую газ отдаёт на излучение, пополняется энергией, передаваемой атомам или молекулам газа электронами при ударе.
4. Светит нагреваемое тело. В этом случае энергия излучения берётся за счёт передачи телу извне некоторого количества тепла. Излучение этого рода носит название температурного (или теплового) излучения.

Дата добавления: 2014-01-11