Тепловое излучение и его характеристики. Закон Кирхгофа

В явлениях интерференции, дифракции, поляризации проявляется волновая природа света. Хорошо описывая распространение света в материальных средах, волновая оптика не смогла удовлетворительно объяснить процессы испускания и поглощения света, которые можно объяснить только на основе квантовых представлений. Явления, в которых при взаимодействии света с веществом проявляются квантовые свойства излучения, изучаются квантовой оптикой (фотоэффект, давление света, тепловое излучение).

Тепловым излучением называется испускание электромагнитных волн за счет внутренней энергии тел.

Тепловое излучение является самым распространенным видом излучения и присуще всем телам, нагретым до температуры, отличной от ОК. Тепловое излучение имеет сплошной спектр, однако распределение энергии в нем зависит от температуры. При низких температурах тепловое излучение является преимущественно инфракрасным, при высоких температурах – видимым и ультрафиолетовым.

Всякое тело, излучающее энергию (называемую лучистой), способно поглощать энергию, испускаемую другими телами.

Процесс поглощения телом лучистой энергии называется лучепоглощением или просто поглощением.

Поглощение телом энергии ведет к увеличению внутренней энергии тела, т.е. к его нагреванию. Тело, теряя часть своей энергии при испускании и получая энергию при поглощении, приходит, в конце концов, в состояние теплового равновесия. Опыт показывает, что тепловое излучение – единственный вид излучения, которое может находиться в равновесии с излучающими телами.

Для количественной оценки процессов испускания и поглощения лучистой энергии вводятся следующие характеристики.

Излучательной способностью или спектральной плотностью энергетической светимости называется физическая величина, численно равная количеству энергии, испускаемой за 1 секунду с единицы поверхности тела в единичном интервале частот:

,

где –энергия, изучаемая в единицу времени с единицы площади в интервале частот от до

, т.е. зависит от частоты излучения и температуры тела.

Интегральная излучательность (энергетическая светимость) тела численно равна энергии электромагнитных волн всевозможных частот (от 0 до ¥), излучаемой за единицу времени с единицы площади поверхности тела:

.

Поглощательной способностью называется безразмерная величина, показывающая, какая доля энергии эл. м. волн с частотами от до , падающих в единицу времени на единицу поверхности тела, поглощается им:

.

Поглощательная способность реальных тел всегда меньше единицы.

Тело, способное поглощать все падающее на него излучение произвольной частоты при любой температуре, называется абсолютно черным телом.

Согласно определению, для абсолютно черного тела .

В природе не существует абсолютно черных тел. это модель, абстракция, воображаемое тело. Но можно найти тела, очень близкие по своим свойствам к абсолютно черным телам (сажа, черный бархат). Поглощающие свойства перечисленных материалов объясняются их пористостью. При падении излучения на эти материалы происходит многократное отражение в многочисленных складках и порах. При каждом отражении часть энергии излучения поглощается, и в итоге интенсивность излучения, вышедшего из толщи материала, практически оказывается равной нулю.

Как отмечали Вин и Люммер(1895г), маленькое отверстие на поверхности полости с идеально отражающими стенками, непроницаемыми для электромагнитных волн, ведет себя как абсолютно черное тело () (рис. 1).

Серое тело–это тело, поглощательная способность которого меньше единицы, но одинакова для всех частот и зависит только от температуры, материала и состояния поверхности.

.

В 1859г. Кирхгоф установил количественную связь между излучательной и поглощательной способностями тел, опираясь на второй закон термодинамики, согласно которому тепловое равновесие, установившееся в изолированной системе, не может быть нарушено простым обменом тепла между отдельными частями системы. Если внутри полости с идеально отражающими стенками, непроницаемыми для электромагнитных волн, находятся несколько тел (рис. 2), то с течением времени в такой системе устанавливается состояние равновесия, т.е. температура всех тел будет одинаковой. Поскольку в дальнейшем температура тел не меняется, то тело, излучающее больше энергии, должно и больше поглощать.

, (1)

где – универсальная функция Кирхгофа, не зависит от природы тел.

Сами величины и могут изменяться при переходе от одного тела к другому, однако их отношение одинаково для всех тел. Это означает, что тело, которое сильно излучает какие – либо лучи, эти лучи сильнее и поглощает.

Для абсолютно черного тела ,

. (2)

Из сопоставления выражений (1) и (2) следует, что универсальная функция Кирхгофа есть не что иное, как испускательная способность абсолютно черного тела , которая является универсальной величиной, и поиск её явной зависимости от частоты и температуры является важной задачей теории теплового излучения.

Закон Кирхгофа: отношение излучательной способности тела к поглощательной способности не зависит от природы тела и равно излучательной способности абсолютно черного тела при тех же значениях температуры и частоты

.

2. Законы Стефана–Больцмана и Вина. Квантовая гипотеза Планка.

В 1879г. австрийский физик Стефан на основе анализа экспериментальных данных по тепловому излучению пришел к выводу, что энергетическая светимость любого тела пропорциональна четвертой степени температуры. Однако последующие более точные измерения и теоретические исследования другого австрийского физика Больцмана (1884г) показали, что данное заключение справедливо только для излучения абсолютного черного тела.

Закон Стефана - Больцмана: энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры:

,

где –постоянная Стефана – Больцмана.

Распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела.

Вид зависимости излучательной способности абсолютно черного тела от его температуры и длины волны излучения был изучен экспериментально на модели абсолютно черного тела к концу 19-го столетия.

Опыты показали, что данная зависимость имеет вид, изображенный на рисунке 3. Каждая кривая имеет ярко выраженный максимум. Из рисунка видно, что разным температурам соответствует разная длина волны, на которую приходится максимум излучательной способности.

С повышением температуры максимум излучательной способности смещается в сторону более коротких длин волн.

Закон смещения Вина (1893г.): длина волны, соответствующая максимуму излучательной способности абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его абсолютной температуре,

,

где – постоянная Вина.

В конце 19-го столетия было предпринято много попыток теоретически установить закон распределения энергии в спектре изучения абсолютно черного тела в зависимости от частоты волны и абсолютной температуры; все они оказались неудачными.

Выход из создавшейся ситуации нашел в 1900 году выдающейся немецкий физик Макс Планк. В классической физике испускание света атомами рассматривалась как непрерывный процесс. Планк пришел к выводу, что именно это и приводит к противоречиям в теории теплового излучения.

Планк выказал гипотезу, согласно которой электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций энергии (квантов), величина которых пропорциональна частоте излучения.

– энергия кванта,

где – постоянная Планка, –частота излучения.

Вся излучаемая телом энергия, согласно гипотезе Планка, является кратной энергии кванта, т.е. может быть представлена как целое число квантов.

.

На основе представлений о квантовом характере теплового излучения М.Планк, пользуясь статистическими методами, получил выражение для , полностью соответствующие экспериментальным данным.

.

Применение теплового излучения.

1. Тепловое излучение раскаленных тел используется для создания источников света (первые лампы накаливания -1873г. А.И.Лодыгин, первые дуговые лампы –1876г., П.Н.Яблочков).

2. Оптическая пирометрия – определение температуры тела по его тепловому излучению.

3. Приборы ночного видения, дальность действия которых – 300м;

на их основе действуют наблюдательные и прицельные устройства.

4. Теплопеленгаторы.

5. Тепловые головки самонаведения ракет на цель.

Дата добавления: 2014-01-04