ФИЗИКА

6.1.1. Характеристики теплового излучения

Излучение телами электромагнитных волн (свечение тел) может осуществляться за счёт различных видов энергии. Самым распространённым является тепловое излучение, т.е. испускание электромагнитных волн за счёт внутренней энергии тел. Все остальные виды свечения, возбуждаемые за счёт любого вида энергии, кроме внутренней энергии, объединяются под общим названием «люминисценция».

Тепловое излучение имеет место при любой температуре, однако при невысоких температурах излучаются практически лишь длинные (инфракрасные) электромагнитные волны.

Опыт показывает, что единственным видом излучения, которое может находиться в равновесии с излучающими телами, является тепловое излучение. Все остальные виды излучения оказываются неравновесными.

Способность теплового излучения находиться в равновесии с излучающими телами обусловлена тем, что его интенсивность возрастает при повышении температуры. Допустим, что равновесие между телом и излучением нарушено и тело излучает энергии больше, чем поглощает. Тогда внутренняя энергия тела будет убывать, что приведёт к понижению температуры. Это в свою очередь обусловит уменьшение количества излучаемой телом энергии. Температура тела будет понижаться до тех пор, пока количество излучаемой телом энергии не станет равным количеству поглощаемой энергии. Если равновесие нарушится в другую сторону, т.е. количество излучаемой энергии окажется меньше, чем поглощаемой, температура тела будет возрастать до тех пор, пока снова не установится равновесие. Таким образом, нарушение равновесия в системе «тело - излучение» вызывает возникновение процессов, восстанавливающих равновесие.

Интенсивность теплового излучения будем характеризовать величиной потока энергии. Поток энергии, испускаемый единицей поверхности излучающего тела по всем направлениям, назовём энергетической светимостью тела R. Энергетическая светимость является функцией температуры. Излучение состоит из волн различных частот ω. Обозначим поток энергии, испускаемый единицей поверхности тела в интервале частот dω, через  dRω. При малом интервале dω

(6.1.1)

.

Величина    называется спектральной плотностью энергетической светимости (испускательной способностью) тела. Она – функция частоты и температуры.

Энергетическая светимость связана с испускательной способностью соотношением

(6.1.2)

.

Излучение вместо частоты можно характеризовать длиной волны λ:

(6.1.3)

.

Связь между определяющими один и тот же участок спектра величинами dω и dλ находится путём дифференцирования соотношения (6.1.3):

(6.1.4)

.

Знак минус в этом выражении не имеет существенного значения, он лишь указывает на то, что с возрастанием одной из величин, ω или λ, другая величина убывает.

Если интервалы dω  и dλ относятся к одному и тому же участку спектра, то

(6.1.5)

.

Подставив в (6.1.5) (6.1.4), получим:

,

откуда

(6.1.6)

.

С помощью (6.1.6) можно перейти от к и наоборот.

Пусть на элементарную площадку поверхности тела падает поток dФω, обусловленный электромагнитными волнами, частота которых заключена в интервале dω. Часть этого потока dФω будет поглощена телом. Безразмерная величина

(6.1.7)

.

называется поглощательной способностью тела. Поглощательная способность зависит от частоты и температуры.

Для тела, полностью поглощающего упавшее на него излучение всех частот, . Такое тело называется абсолютно чёрным. Тело, для которого , называют серым.

Абсолютно чёрных тел в природе нет. Сажа или платиновая чернь имеют поглощательную способность, близкую к единице, лишь в ограниченном интервале частот; в далёкой инфракрасной области их поглощательная способность заметно меньше единицы. Однако можно создать устройство (модель), сколь угодно близкое по своим свойствам к абсолютно чёрному телу. Такое устройство представляет собой почти замкнутую полость, снабжённую малым отверстием (рис. 6.1.1). Излучение, проникшее внутрь через отверстие, прежде чем выйти обратно, претерпевает многократные отражения. При каждом отражении часть энергии поглощается, в результате чего практически всё излучение любой частоты поглощается такой полостью.

к к к