Физическая сущность теплового излучения и его законы

Еще с древних времен было известно, что тела, нагретые до высокой температуры, испускают световые излучения. По мере совершенствования приборов для наблюдения излучения было установлено, что, кроме световых волн, нагретые тела излучают и более длинные, инфракрасные, волны; ученые обнаружили у этих тел и ультрафиолетовое излучение, длина волн которого короче, чем у видимого и инфракрасного излучения. К концу прошлого века была выяснена и физическая природа теплового излучения. Как известно, любое вещество - твердое, жидкое или газообразное, - помимо электрически нейтральных частиц, содержит в своем составе большое количество частиц заряженных - электронов и положительных ионов. Эти частицы находятся в непрерывном хаотическом движении, причем их средняя скорость тем больше, чем выше температура вещества. В процессе своего движения заряженные частицы непрерывно сталкиваются друг с другом и с нейтральными частицами; при этих столкновениях часть их кинетической энергии переходит в энергию электромагнитного излучения; скорость же частиц несколько уменьшается.

Таким образом, кинетическая энергия частиц, пропорциональная степени нагрева тела, частично превращается в энергию электромагнитного поля. В создании теплового излучения принимает участие очень большое число хаотически сталкивающихся частиц; в одни моменты времени происходит большее количество столкновений, в другие - меньшее; кинетическая энергия, преобразуютаяся в излучение, также различна в разные моменты времени.

Таким образом, интенсивность теплового излучения непрерывно изменяется, причем величину и скорость этих изменений точно предсказать невозможно. То же самое можно сказать и о спектральном составе излучения: так как частота излучения, возникающего при торможении заряженных частиц, зависит от их кинетической энергии, величина которой для различных частиц неодинакова, то интенсивность излучения на определенной частоте (спектральная плотность излучения) также будет непрерывно и хаотически колебаться.

Из всего этого видно, что тепловое излучение отличается от искусственно генерируемых излучений тем, что, во-первых, оно занимает очень широкий диапазон волн, а во-вторых, его мощность и спектральная плотность не остаются постоянными и непрерывно флюктуируют. Тем не менее, несмотря на хаотичность «поведения» отдельных частиц, средние характеристики очень большого количества частиц могут быть рассчитаны с высокой точностью. Такими методами и были определены законы теплового излучения. Одним из наиболее важных законов теплового излучения является закон, выражающий зависимость спектральной плотности излучения от его частоты и темпера-

туры излучателя. Этот закон описывается формулой Планка:

Графики зависимости спектральной плотности излучения от частоты и температуры приведены на рис. 1. Как видно из графиков, энергия излучения распределена по спектру частот неравномерно; спектральная плотность достигает максимальных значений при определенных значениях частот, уменьшаясь с повышением и понижением частоты.

Частота, на которой спектральная плотность максимальна, может быть определена по формуле Вина:

Из рисунка и формулы (2) следует, что для излучателей, имеющих температуру выше комнатной, максимум спектральной плотности приходится на диапазоны видимых и ИК волн; спектральная плотность в диапазонах сантиметровых и миллиметровых волн в тысячи раз ниже максимальной.

С повышением температуры спектральная плотность излучения на всех частотах возрастает, а значит, растет и общая мощность излучения. Суммируя спектральные плотности излучения по всем частотам, можно получить формулу для мощности теплового излучения во всем диапазоне электромагнитных волн

Суммарная мощность теплового излучения может быть очень большой, однако на радиодиапазон приходится лишь очень малая ее часть. Так, при комнатной температуре идеальный излучатель с площадью 1 м² излучает мощность, равную 478 вт; максимум спектральной плотности приходится на волну 9, 6 микрон. На волнах длиннее одного миллиметра в этом случае излучается мощность всего 8 мвт, т. е. немногим более тысячной доли процента общей мощности. Часть мощности, которая может быть воспринята приемником, еще меньше, так как современные приемники не могут одновременно принимать сигналы во всем радиотехническом диапазоне. В приведенном примере часть мощности, которую может воспринять приемник, лежит в пределах от 20 мквт до 2 - 3 мвт. С увеличением температуры излучателя доля мощности, приходящаяся на радиодиапазон, уменьшается, так как спектральная плотность в области ИК и световых волн растет гораздо быстрее, чем спектральная плотность мощности в радиотехническом диапазоне. Однако, несмотря на относительно малую мощность теплового радиоизлучения, благодаря высокой чувствительности современных радиоприемников и малому затуханию радиоволн в атмосфере тепловое радиоизлучение удается принимать на больших расстояниях, чем более мощные ИК и световые излучения.

Необходимо отметить, что формула (1) справедлива лишь для идеального излучателя, так называемого абсолютно черного тела (АЧТ); для всех реальных излучателей спектральная плотность излучения ниже, чем у АЧТ, нагретого до той же температуры. Однако по известной спектральной плотности излучения АЧТ можно рассчитать спектральную плотность излучения реального излучателя, пользуясь следующей формулой:

a< 1 - коэффициент поглощения, показывающий, какую долю падающего потока облучения поглощает данный реальный излучатель, если его облучать на той же частоте, на которой определяется спектральная плотность.

Формула (3) представляет собой математическую запись закона Кирхгофа, устанавливающего связь между свойствами излучения и поглощения: чем лучше тело поглощает излучение на какой-либо частоте, тем больше будет спектральная плотность излучения на той же частоте. Таким образом, идеальный излучатель - АЧТ является и идеальным поглотителем.