Тепловое излучение и его характеристики

Тела, нагретые до достаточно высоких температур, светятся. Свечение тел, обусловлен­ное нагреванием, называется тепловым (температурным) излучением. Тепловое излуче­ние, являясь самым распространенным в природе, совершается за счет энергии тепло­вого движения атомов и молекул вещества (т. е. за счет его внутренней энергии) и свойственно всем телам при температуре выше 0 К. Тепловое излучение характеризу­ется сплошным спектром, положение максимума которого зависит от температуры. При высоких температурах излучаются короткие (видимые и ультрафиолетовые) элект­ромагнитные волны, при низких — преимущественно длинные (инфракрасные).

Тепловое излучение — практически единственный вид излучения, который может быть равновесным. Предположим, что нагретое (излучающее) тело помещено в по­лость, ограниченную идеально отражающей оболочкой. С течением времени, в резуль­тате непрерывного обмена энергией между телом и излучением, наступит равновесие, т. е. тело в единицу времени будет поглощать столько же энергии, сколько и излучать. Допустим, что равновесие между телом и излучением по какой-либо причине нарушено и тело излучает энергии больше, чем поглощает. Если в единицу времени тело больше излучает, чем поглощает (или наоборот), то температура тела начнет понижаться (или повышаться). В результате будет ослабляться (или возрастать) количество излучаемой телом энергии, пока, наконец, не установится равновесие. Все другие виды излучения неравновесны.

Количественной характеристикой теплового излучения служит спектральная плот­ность энергетической светимости (излучательности) тела — мощность излучения с еди­ницы площади поверхности тела в интервале частот единичной ширины:

где d — энергия электромагнитного излучения, испускаемого за единицу време­ни (мощность излучения) с единицы площади поверхности тела в интервале частот от n до n +d n.

Единица спектральной плотности энергетической светимости (R_{n, T}) — джоуль на метр в квадрате (Дж/м²).

Записанную формулу можно представить в виде функции длины волны:

Так как c=nl, то

где знак минус указывает на то, что с возрастанием одной из величин (n или l) другая величина убывает. Поэтому в дальнейшем знак минус будем опускать. Таким образом,

(197.1)

С помощью формулы (197.1) можно перейти от R_{n, T} к R_{l, T} и наоборот.

Зная спектральную плотность энергетической светимости, можно вычислить интег­ральную энергетическую светимость (интегральную излучательность) (ее называют про­сто энергетической светимостью тела), просуммировав по всем частотам:

(197.2)

Способность тел поглощать падающее на них излучение характеризуется спект­ральной поглощательной способностью

показывающей, какая доля энергии, приносимой за единицу времени на единицу площади поверхности тела падающими на нее электромагнитными волнами с частота­ми от n до n +d n, поглощается телом. Спектральная поглощательная способ­ность — величина безразмерная. Величины R_{n, T} и А_{n, T} зависят от природы тела, его термодинамической температуры и при этом различаются для излучений с различными частотами. Поэтому эти величины относят к определенным Т и n (вернее, к достаточно узкому интервалу частот от n до n +d n).

Тело, способное поглощать полностью при любой температуре все падающее на него излучение любой частоты, называется черным. Следовательно, спектральная поглощательная способность черного тела для всех частот и температур тождественно равна единице (). Абсолютно черных тел в природе нет, однако такие тела, как сажа, платиновая чернь, черный бархат и некоторые другие, в определенном интервале частот по своим свойствам близки к ним.

Идеальной моделью черного тела является замкнутая полость с небольшим отвер­стием О, внутренняя поверхность которой зачернена (рис. 286). Луч света, попавший внутрь такой полости, испытывает многократные отражения от стенок, в результате чего интенсивность вышедшего излучения оказывается практически равной нулю. Опыт показывает, что при размере отверстия, меньшего 0, 1 диаметра полости, пада­ющее излучение всех частот полностью поглощается. Вследствие этого открытые окна домов со стороны улицы кажутся черными, хотя внутри комнат достаточно светло из-за отражения света от стен.

Наряду с понятием черного тела используют понятие серого тела — тела, поглощательная способность которого меньше единицы, но одинакова для всех частот и зави­сит только от температуры, материала и состояния поверхности тела. Таким образом, для серого тела = A_T =const< l.

Исследование теплового излучения сыграло важную роль в создании квантовой теории света, поэтому необходимо рассмотреть законы, которым оно подчиняется.

Фотометрия – раздел оптики, занимающийся вопросами измерения нтенсив-ности света и его источников.

В фотометрии используют энергетические и световые величины.

I. Энергетические величины:

1. Поток излучения [ Вm ], где W – энергия излучения

2. Энергетическая светимость (излучательность)

3. Сила излучения [ ср ] – стерадиан

ω – телесный угол, в пределах которого это излучение распространяется

4. Энергетическая яркость (лучистость)

5. Энергетическая освещенность (облученность)

II. Световые величины:

1. Сила света [ J ] - [ кд ] – кандела

2. Световой поток [ Ф ] - [ лм ] – люмен – мощность оптического излучения по вызываемому им световому ощущению

3. Светимость

4. Яркость

5. Освещенность - люкс

Квантовые свойства света проявляются в следующих явлениях: тепловое излучение, фотоэффект и эффект Комптона.

Тепловое излучение – излучение нагретых тел, находящихся в термодинамическом равновесии. Оно зависит от температуры тела, так как является следствием хаотического теплового движения молекул и атомов среды.

Количественной характеристикой теплового излучения служит:

1. Спектральная плотность энергетической светимости (излучательности) тела – мощность излучения с единицы площади поверхности в интервале частот единичной ширины

2. Интегральная энергетическая светимость (интегральная излучательность)

3. Спектральная поглощательная способность - способность тел поглощать падающее на них излучение

- величина безразмерная

Абсолютно черное тело - тело, способное поглощать полностью при любой температуре все падающее на него излучение любой частоты.

Α _{n, T} = 1 – для абсолютно черного тела.

Используют также понятие серого тела

Α _{n, T} = Α _T = const < 1 – зависит только от температуры