Глава 26 Квантовая природа излучения § 197. 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 до +d.
Единица спектральной плотности энергетической светимости (R,T) — джоуль на метр в квадрате (Дж/м 2 ).
Записанную формулу можно представить в виде функции длины волны:
Так как c=, то
где знак минус указывает на то, что с возрастанием одной из величин ( или ) другая величина убывает. Поэтому в дальнейшем знак минус будем опускать. Таким образом,
С помощью формулы (197.1) можно перейти от R,T к R,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:
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 до +d, поглощается телом. Спектральная поглощательная способность — величина безразмерная. Величины R,T и А,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 (вернее, к достаточно узкому интервалу частот от до +d).
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 =AT = const
Исследование теплового излучения сыграло важную роль в создании квантовой теории света, поэтому необходимо рассмотреть законы, которым оно подчиняется.
Источник
11.1 Природа теплового излучения
Перенос теплоты теплопроводностью и конвекцией определяется вектором, который вполне характеризуется в каждой точке рассматриваемой термодинамической системы локальным градиентом температуры.
При тепловом излучении — лучистый поток в произвольном (относительно малом) объеме прозрачной среды не зависит от температуры этого объема (а, следовательно, от разности температуры среды и излучающего тела), а определяется излучением внешних источников. Поэтому вектор теплового излучения определяется интегрально.
Природа всех лучей, в том числе и тепловых, одна и та же – они представляют из себя распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны.
Источником теплового излучения является внутренняя энергия нагретого тела, которая в результате сложных молекулярных и внутриатомных процессов трансформируется в энергию теплового излучения с поверхности этих тел.
Тепловое излучение – процесс распространения электромагнитных волн, который характеризуется спектром частот и соответствует энергетическому уровню структурных частиц вещества.
Интегральное тепловое излучение тела тем выше, чем выше его температура.
Интегральное тепловое излучение тел, находящихся при одинаковой температуре, определяется их атомной и молекулярной структурой, а также формой и состоянием поверхности, т.е. физическими свойствами тел.
Носителями энергии излучения (в т.ч. и теплового) являются электромагнитные волны, которые распространяются в однородной изотропной среде или в вакууме со скоростью света в соответствии с законами оптики.
Основными характеристиками электромагнитных волн являются: длина волны (λ) и частота колебаний в секунду (N). Для лучей абсолютно всех видов (в том числе и тепловых) скорость распространения в абсолютном вакууме равна:
с = 300000 км/сек, скорость света
Энергия одного кванта излучения (принцип квантовой энергии):
h = 6,62517·10 -34 Дж/с – постоянная Планка (так называемое элементарное действие).
Тепловое излучение – это колебательный процесс, происходящий в постоянно меняющихся плоскостях, перпендикулярных направлению излучения.
Если удается выделить плоскость с наибольшей энергией колебаний, то такое тепловое излучение называется поляризованным, (например излучение блестящих металлических поверхностей).
Обычно при тепловом излучении невозможно выделить плоскость преимущественного направления колебаний, поэтому тепловое излучение принято считать неполяризованным.
В настоящее время принято считать, что тепловое излучение занимает широкую область длин волн: λ = 0,72 ÷ 1000 мк, расположенную между красной границей видимого спектра и коротковолновой частью спектра миллиметрового диапазона электромагнитных волн. Для передачи теплоты наибольший интерес представляют лучи с длиной волны λ = 0,8 ÷ 40 мк.
В таблице 11.1 представлена условная разбивка инфракрасного спектра на 3 области. В последнем столбце таблицы приведены в соответствии с интервалом длин волн диапазоны температур АЧТ, имеющего максимальную интенсивность излучения при указанной длине волны.
Таблица 1.11 – Диапазоны волн теплового излучения
Источник
Глава 26 Квантовая природа излучения § 197. 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 отдо +d.
Единица спектральной плотности энергетической светимости (R,T) — джоуль на метр в квадрате(Дж/м 2 ).
Записанную формулу можно представить в виде функции длины волны:
Так как c=,то
где знак минус указывает на то, что с возрастанием одной из величин (или)другая величина убывает. Поэтому в дальнейшем знак минус будем опускать. Таким образом,
(197.1)
С помощью формулы (197.1) можно перейти от R,T кR,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 до +d, поглощается телом. Спектральная поглощательная способность — величина безразмерная. Величины R,T иА,T зависят от природы тела, его термодинамической температуры и при этом различаются для излучений с различными частотами. Поэтому эти величины относят к определеннымТи(вернее, к достаточно узкому интервалу частот отдо +d).
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 =AT = const
Исследование теплового излучения сыграло важную роль в создании квантовой теории света, поэтому необходимо рассмотреть законы, которым оно подчиняется.
Источник