Законы теплового излучения

Обычно тепловым излучением считают электромагнитные волны, длина волны кото­рых лежит в интервале от одного до нескольких десятков микрон (1 мкм = 10 ^{- 6} м). Эти волны, также как и свет, испускаются атомами в виде отдельных цугов, начальная фаза и поляриза­ция которых изменяются хаотически от одного элементарного акта испускания к другому. Поэтому тепловое излучение является некогерентным,и его закономерности оказываются спра­ведливыми для всего диапазона электромагнитных волн.

Опыт показывает, что тепловое излучение можно охарактеризовать некоторыми пара­метрами. Известно, например, что интенсивность излучения зависит от температуры. Другим важным свойством излучения является его спектральный состав, т.е распределение интенсивности по различным частотам. Наиболее общей величиной для характеристики теплового излучения может служить поток энергии. Количество энергии, приходящееся на единичный интервал частот, которое испускает единица площади (1м²) нагретого тела назы­вается излучательной способностью:

Е _n,Т = d Ф_изл / d n.

Одновременно вводится понятие поглощательной способности А _n,Т, определяемой как отношение поглощенной энергии к падающей,т.е.А _n,Т = dФ_пог / dФ_пад.Тело, поглощательная способность которого равна единице, называется абсолютно черным телом.

Между испускательной Е _n,Т и поглощательной А _n,Т способностями существует опреде­ленная взаимосвязь: отношение испускательной и поглощательной способностей остается постоянным для любого тела. Это положение носит название закона Кирхгофа.

Теоретически процесс излучения впервые описал М.Планк, который, опираясь на известный ему экспериментальный материал, предположил, что энергия световой волны пропорцио­нальна не квадрату ее амплитуды, а частоте n, т.e. Е_св = hn, где h - коэффициент пропорцио­нальности, известный теперь как постоянная Планка (h = 6,62× 10 ^-34 Дж сек.), причем процесс излучения происходит не непрерывно, а отдельными порциями - квантами. В связи с этим предположением энергия диполей также изменяется скачком от E₁ до Е₂.

Графическая зависимость излучательной способности приведена на рис.61, где по оси частот отложена угловая частота w = 2nn.

Из рисунка видно, что для каждой температуры излучательная способность имеет максимальное значение при определенной частоте излучения. Эту зависимость описывается закон Вина: n_М =аТ (а= К^-1с^-1). Зависимость энергетической светимости от абсолютной температуры описывает закон Стефана-Больцмана.: Е_Т = sТ⁴ (s=)

Сравним теоретические выводы с практикой. Экспериментальные данные показывают,.что при комнатной температуре максимум излучения лежит в далекой инфракрасной области, излучение в видимой области практически отсутствует. При температуре, приближающейся к 1000 К, максимум по-прежнему в инфракрасной области, однако и излучение в видимой части спектра становится заметным. В силу того, что интенсивность от длинных, красных волн, к коротким, фиолетовым, падает, наибольшая интенсивность излучения при­ходится на красную часть спектра - это температура «красного каления». По мере роста температуры различие в интенсивностях падает, излучение приобретает желтый, а затем бе­лый цвет. При температуре между 5000 и 6000° К максимум проходит через область спектра, к которой человеческий глаз наиболее чувствителен. Температуре 5900 К отвечает темпера­тура поверхности Солнца, лучеиспускательная способность которого близка к лучеиспус­кательной способности абсолютно черного тела. Такое излучение воспринимается глазом как белый, дневной свет. При более высоких температурах максимум смещается в ультра­фиолетовую область, а интенсивность в фиолетово - голубой области становится большей, чем в красной. Излучение приобретает голубой оттенок.

Дата добавления: 2014-12-16