Тепловое излучение. Нагретые тела излучают электромагнитные волны

Нагретые тела излучают электромагнитные волны. Это излучение осуществляется за счет преобразования энергии теплового движения частиц тела в энергию излучения.

Правило Прево: Если два тела, находящиеся при одной и той же температуре, поглощают разные количества энергии, то их тепловое излучение при этой температуре должно быть различным.

Излучательной (лучеиспускательной) способностью или спектральной плотностью энергетической светимости тела называют величину Е_n,Т, численно равную поверхностной плотности мощности теплового излучения тела в интервале частот единичной ширины:

Е_n,Т = dW/dn, W – мощность теплового излучения.

Излучательная способность тела зависит от частоты n, абсолютной температуры тела Т, материала, формы и состояния поверхности. В системе СИ Е_n,Т измеряется в дж/м².

Температура – физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Абсолютный нуль равен –273,15°С. Температура в Кельвинах ТК = t°С + 273,15°C.

Поглощательной способностью тела называют величину А_n,Т, показывающую, какая доля от падающей (приобретенной) энергии поглощается телом:

А_n,Т = W_погл / W_пад,.

А_n,Т – величина безразмерная. Она зависит от n, Т, от формы тела, материала, состояния поверхности.

Введем понятие – абсолютно черное тело (а.ч.т.). Тело называется а.ч.т., если оно при любой температуре поглощает все падающие на него электромагнитные волны, т. е. тело, у которого А_n,Т º 1. Реализовать а.ч.т. можно в виде полости с небольшим отверстием, диаметр которого много меньше диаметра полости (рис. 3). Электромагнитное излучение, попадающее через отверстие во внутрь полости, в результате многократных отражений от внутренней поверхности полости практически полностью ею поглощается независимо от того, из какого материала сделаны стенки полости. Реальные тела не являются абсолютно черными. Однако некоторые из них по оптическим свойствам близки к а.ч.т. (сажа, платиновая чернь, черный бархат). Тело называется серым, если его поглощательная способность одинакова для всех частот и зависит только от температуры, материала и состояния поверхности тела.

Рис. 3. Модель абсолютно чёрного тела.

d-диаметр входного отверстия, D-диаметр полости а.ч.т.

Закон Кирхгофа для теплового излучения. Для произвольной частоты и температуры отношение излучательной способности тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел и равно излучательной способности e_n,Т абсолютно черного тела, являющейся функцией только частоты и температуры.

Е_n,Т / А_n,Т = e_n,Т.

Из закона Кирхгофа следует, что если тело при данной температуре Т не поглощает излучения в некотором интервале частот (А_n,Т = 0), то оно не может при этой температуре и равновесно излучать в этом же интервале частот. Поглощательная способность тел может изменяться от 0 до 1. Непрозрачные тела, у которых степень черноты равна 0, не излучают и не поглощают электромагнитных волн. Падающее на них излучение они полностью отражают. Если при этом отражение происходит в соответствии с законами геометрической оптики, то тело называется зеркальным.

Тепловой излучатель, спектральный коэффициент излучения которого не зависит от длины волны, называется неселективным, если же зависит - селективным.

Классическая физика оказалась не в состоянии объяснить теоретически вид функции излучательной способности а.ч.т. e_n,Т, измеренной экспериментально. По классической физике энергия любой системы изменяется непрерывно, т.е. может принимать любые сколь угодно близкие значения. В области больших частот e_n,Т монотонно возрастает с ростом частоты (“ультрафиолетовая катастрофа”). В 1900 г. М. Планк предложил формулу для лучеиспускательной способности а.ч.т.:

,

или

,

по которой излучение и поглощение энергии частицами излучающего тела должно происходить не непрерывно, а дискретно, отдельными порциями, квантами, энергия которого

Е = ħw = hn.

Проводя интегрирование формулы Планка по частотам, получаем объемную плотность излучения а.ч.т., закон Стефана-Больцмана:

e_Т = sТ⁴,

где s - постоянная Стефана-Больцмана, равная 5,67×10^-8 Вт×м^-2×К^-4.

Интегральная излучательная способность абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры. При малых частотах e_n,Т пропорциональна произведению n²Т, а в области больших частот e_n,Т пропорциональна n³exp(-an/T), где а – некоторая постоянная.

Максимум спектральной плотности излучения может быть найден также из формулы Планка – закон Вина: частота, соответствующая максимальному значению лучеиспускательной способности абсолютно черного тела, пропорциональна его абсолютной температуре. Длина волны l_макс, соответствующая максимальному значению лучеиспускательной способности, равна

l_макс = b/T,

где b – постоянна Вина, равная 0,002898 м×К.

Значения l_макс и n_макс не связаны формулой l = с/n, так как максимумы e_n,Т и e_l,Т расположены в разных частях спектра.

Распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела при различных температурах имеет вид, изображенный на рис. 4. Кривые при Т=6000 и 300 К характеризуют соответственно излучение Солнца и человека. При достаточно высоких температурах (Т>2500 К) часть спектра теплового излучения приходится на видимую область.

Рис. 4. Спектральные характеристики нагретых тел.

Оптоэлектроника изучает лучистые потоки, идущие от предметов. Необходимо собрать достаточное количество лучистой энергии от источника, передать его приемнику и выделить полезный сигнал на фоне помех, шумов. Различают активный и пассивный метод работы прибора. Активным считается метод, когда есть источник излучения и надо излучение передать на приемник. Пассивный метод работы прибора, когда отсутствует специальный источник и используется собственное излучение объекта. На рис. 5 представлены блок-схемы обоих методов.

Рис. 5. Активный (а) и пассивный (б) методы работы прибора.

Применяются различные оптические схемы фокусировки потоков излучения. Напомним основные законы оптики:

1. Закон прямолинейного распространения света.

2. Закон независимости световых пучков.

3. Закон отражения света.

4. Закон преломления света.

Поглощение света в веществе определяется, как

I = I₀exp(-ad),

где I₀ и I - интенсивности световой волны на входе в слой поглощающего вещества толщиной d и на выходе из него, a - коэффициент поглощения света веществом (закон Бугера-Ламберта).

В различного типа приборах, применяемых в оптоэлектронике, осуществляются фокусировка излучения, идущего от объекта или источника; модуляция излучения; разложение излучения в спектр диспергирующими элементами (призма, решетка, фильтры); сканирование по спектру; фокусировка на приемник излучения. Далее сигнал передаётся на приемное электронное устройство, проводится обработка сигнала и запись информации.

В настоящее время в связи с решением ряда задач по обнаружению объектов находит широкое развитие импульсная фотометрия.

Глава 2. Источники излучения оптического диапазона.

Источниками излучения являются все объекты, которые имеют температуру, отличную от температуры фона. Объекты могут отражать падающее на них излучение, например, солнечное. Максимум излучения Солнца находится у 0.5 мкм. К источникам излучения относятся промышленные здания, автомашины, тело человека, животного и т. д. Простейшей классической моделью излучателя является электрон, колеблющийся около положения равновесия по гармоническому закону.

К естественным источникам излучения относятся Солнце, Луна, Земля, звезды, облака и т.д.

К искусственным источникам излучения относятся источники, параметрами которых можно управлять. Такие источники используются в осветителях оптоэлектронных приборов, в приборах для научных исследований и т.д.

Излучение света происходит в результате переходов атомов, молекул из состояний с большей в состояния с меньшей энергией. Свечение вызывается либо столкновениями между атомами, совершающими тепловое движение, либо электронными ударами.

Дата добавления: 2014-01-05