5. Тепловое излучение.

5.1 Тепловое излучение тел, его характеристики.

Тепловое излучение – это излучение телами электромагнитных волн, обусловленное тепловым хаотическим движением их атомов и молекул. Тепловое излучение дают абсолютно все тела в природе, находящиеся при температуре выше абсолютного нуля (абсолютный нуль 0⁰К = - 273,16⁰С в природе не достижим). Тела не только излучают, но и одновременно поглощают падающее на него излучение от других тел. Если поглощаемая энергия телом в единицу времени равна излучаемой энергии, то такое тепловое излучение называют равновесным.

Характеристиками теплового излучения являются излучательная способность и поглощательная способность тела. Излучательная способность тела Е – это энергия электромагнитного излучения, испускаемая за единицу времени с единицы площади тела; ед. измерения Е .

Поглощательная способность А – это отношение энергии электромагнитного излучения, поглощенной телом, к энергии падающего на него электромагнитного излучения; величина безразмерная:

. (5.1)

Излучательная и поглощательная способности тела зависят от его природы, абсолютной температуры и длины волны. Тело, которое при любой температуре полностью поглощает падающее на него электромагнитное излучение любой длины волны, называется абсолютно черным телом (а.ч.т.); его поглощательная способность всегда равна единице А_а.ч.т. = 1. Абсолютно черное тело – это физическая абстракция; в природе абсолютно черных тел нет. Моделью абсолютно черного тела является непрозрачная полость с маленьким отверстием (рис.5.1).

Рис.5.1

Тело, поглощательная способность которого, также, как у абсолютно черного тела не зависит от длины волны и температуры, но меньше единицы называется серым телом (с.т.); А_с.т. < 1. Тело человека приближенно считают серым телом.

5.2 Законы излучения абсолютно черного тела.

Согласно закону Кирхгофа, при данной длине волны и температуре, отношение излучательной способности тела к его поглощательной способности для всех тел одинаково, в том числе для абсолютно черного тела и равно излучательной способности абсолютно черного тела при той же длине волны и температуре:

При λ = const и T = const . (5.2)

В конце девятнадцатого века, при экспериментальном исследовании распределения энергии в спектре абсолютно черного тела, были установлены два закона теплового излучения.

1. Закон Стефана-Больцмана: полная излучательная способность абсолютно черного тела Е_а.ч.т. прямо пропорциональна его абсолютной температуре Т в четвертой степени

Е_а.ч.т =σТ⁴ , (5.3)

где σ - const Стефана-Больцмана.

2. Закон Вина: длина волны, на которую приходится максимум излучательной способности абсолютно черного тела обратно пропорционально его абсолютной температуре

λ_Еmax = , (5.4)

где b - const Вина.

Графически экспериментально установленную взаимосвязь между излучательной способностью, длиной волны излучения и абсолютной температурой абсолютно черного тела можно представить на рис.5.2

Рис. 5.2

Теоретически, взаимосвязь между излучательной способностью Е_а.ч.т. , длиной волны излучения и абсолютной температурой Т абсолютно черного тела, была установлена Планком в 1900г. Формула Планка имеет вид:

Е_а.ч.т = , (5.5)

где k-const Больцмана, h - const Планка, с – скорость света в вакууме.

Эта формула выведена Планком на основе его гипотезы, утверждающей, что свет излучается порциями (квантами или фотонами). Каждый фотон переносит энергию, равную

Е_ф = hν = , (5.6)

где h –const Планка, ν - частота и λ - длина световой волны.