Тепловое излучение. Характеристики лучеиспускательной, поглощательной и отражательной способности тел. Закон Кирхгофа.
Теплово́е излуче́ние — электромагнитное излучение со сплошным спектром, испускаемое нагретыми телами за счёт их внутренней энергии. Один из трёх элементарных видов переноса тепловой энергии (помимо теплопроводности и конвекции).В физике для расчёта теплового излучения принята модель абсолютно чёрного тела, тепловое излучение которого описывается законом Стефана — Больцмана. Излучение же реальных тел подчиняется закону излучения Кирхгофа.
Закон излучения Кирхгофа:Отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел при данной температуре для данной частоты и не зависит от их формы, химического состава и проч.
Известно, что при
падении электромагнитного излучения
на некоторое тело часть его отражается,
часть поглощается и часть может
пропускаться. Доля поглощаемого излучения
на данной частоте называется поглощательной
способностью тела
(1).
С другой стороны, каждое нагретое тело
излучает энергию по некоторому закону
(2),
именуемым излучательной способностью
тела.
Величины 1 и 2 могут
сильно меняться при переходе от одного
тела к другому, однако согласно закону
излучения Кирхгофа отношение испускательной
и поглощательной способностей не зависит
от природы тела и является универсальной
функцией частоты (длины волны) и
температуры:
По определению,
абсолютно чёрное тело поглощает всё
падающее на него излучение, то есть для
него (1)=1. Поэтому функция
совпадает с излучательной способностью
абсолютно чёрного тела, описываемой
законом Стефана — Больцмана, вследствие
чего излучательная способность любого
тела может быть найдена исходя лишь из
его поглощательной способности.
Реальные тела имеют поглощательную способность меньшую единицы, а значит, и меньшую чем у абсолютно чёрного тела излучательную способность. Тела, поглощательная способность которых не зависит от частоты, называются серыми. Их спектр имеет такой же вид, как и у абсолютно чёрного тела. В общем же случае поглощательная способность тел зависит от частоты и температуры, и их спектр может существенно отличаться от спектра абсолютно чёрного тела. Изучение излучательной способности разных поверхностей впервые было проведено шотландским ученым Лесли при помощи его же изобретения — куба Лесли.
Квантовая оптика. Фотон и его характеристики.
Ква́нтовой о́птикой называют раздел оптики, занимающийся изучением явлений, в которых проявляются квантовые свойства света. К таким явлениям относятся: тепловое излучение, фотоэффект, эффект Комптона, эффект Рамана, фотохимические процессы, вынужденное излучение (и, соответственно, физика лазеров) и др. Квантовая оптика является более общей теорией, чем классическая оптика. Основная проблема, затрагиваемая квантовой оптикой — описание взаимодействия света с веществом с учётом квантовой природы объектов, а также описания распространения света в специфических условиях. Для того чтобы точно решить эти задачи требуется описывать и вещество (среду распространения, включая вакуум) и свет исключительно с квантовых позиций, однако часто прибегают к упрощениям: одну из компонент системы (свет или вещество) описывают как классический объект. Например часто при расчётах связанных с лазерными средами квантуют только состояние активной среды, а резонатор считают классическим, однако если длина резонатора будет порядка длины волны, то его уже нельзя считать классическим, и поведение атома в возбуждённом состоянии помещённого в такой резонатор будет гораздо более сложным.
Фото́н— элементарная
частица, квант электромагнитного
излучения (в узком смысле — света). Это
безмассовая частица, способная
существовать только двигаясь со скоростью
света. Заряд фотона также равен нулю.
Фотон может находиться только в двух
спиновых состояниях с проекцией спина
на направление движения (спиральностью)
±1. Этому свойству в классической
электродинамике соответствует круговая
правая и левая поляризация электромагнитной
волны. Фотону как квантовой частице
свойственен корпускулярно-волновой
дуализм, он проявляет одновременно
свойства частицы и волны. Фотоны
обозначаются буквой
,
поэтому их часто называют гамма-квантами
(особенно фотоны высоких энергий); эти
термины практически синонимичны. С
точки зрения Стандартной модели фотон
является калибровочным бозоном.
Виртуальные фотоны являются переносчиками
электромагнитного взаимодействия,
таким образом обеспечивая взаимодействие,
например, между двумя электрическими
зарядами.
Физические свойства фотона
Фотон — безмассовая
нейтральная частица. Спин фотона равен
1 (частица является бозоном), но из-за
нулевой массы покоя более подходящей
характеристикой является спиральность,
проекция спина частицы на направление
движения. Фотон может находиться только
в двух спиновых состояниях со спиральностью,
равной . Этому свойству в классической
электродинамике соответствует
поперечность электромагнитной волны.Массу
покоя фотона считают равной нулю. Поэтому
скорость фотона равна скорости света.
По этой причине (не существует системы
отсчёта, в которой фотон покоится)
внутренняя чётность частицы не определена.
Если приписать фотону наличие т. н.
«релятивистской массы» исходя из
соотношения
то она составит
Фотон — истинно нейтральная частица
(тождественен своей античастице), поэтому
его зарядовая чётность отрицательна и
равна −1. Он
участвует в электромагнитном и
гравитационном взаимодействии. Фотон
не имеет электрического заряда и не
распадается спонтанно в вакууме,
стабилен. Фотон может иметь одно из двух
состояний поляризации и описывается
тремя пространственными параметрами
— составляющими волнового вектора,
который определяет его длину волны
и направление распространения.
Фотоны излучаются
во многих природных процессах, например,
при движении электрического заряда с
ускорением, при переходе атома или ядра
из возбуждённого состояния в состояние
с меньшей энергией, или при аннигиляции
пары электрон-позитрон. При обратных
процессах — возбуждение атома, рождение
электрон-позитронных пар — происходит
поглощение фотонов.
Если энергия фотона
равна E,
то импульс p
связан с энергией соотношением E=cp,
где c—
скорость света (скорость, с которой в
любой момент времени движется фотон
как безмассовая частица). Для сравнения,
для частиц с ненулевой массой покоя
связь массы и импульса с энергией
определяется формулой
В вакууме энергия
и импульс фотона зависят только от его
частоты
(или, что эквивалентно, от длины волны
):
и, следовательно,
величина импульса есть:
,
где /h
— постоянная Планка, равная h/2пи;
k—
волновой вектор и
— его величина (волновое число);
— угловая частота. Волновой вектор
указывает направление движения фотона.
Спин фотона не зависит от частоты.
Масса: 0 (< 10^−18 эВ)
Время жизни: стабилен
Каналы распада: —
Электрический заряд: 0 (<10^−35 e)
Цветовой заряд: —
Спин: 1
Кол-во спиновых состояний: 2