Закон Кірхгофа

Закон Кірхгофа встановлює кількісний зв'язок між випромінюючою та поглинаючою здатностями тіл. Цей закон, який був отриманий Кірхгофом у 1859 році, стверджує, що відношення спектральної густини енергетичної світності до монохромна тичного коефіцієнта поглинання однакове для всіх тіл при даній температурі і дорівнює спектральній густині енергетичної світності абсолютно чорного тіла при тій самій температурі:

де ε_λ- спектральна густина енергетичної світності абсолютно чорного тіла.

Іншими словами, відношення випромінюючої здатності тіл до їх поглинаючої здатності не залежить від природи випромінюючого тіла і дорівнює випромінюючій здатності абсолютно чорного тіла при даній температурі.

Із закону Кірхгофа маємо:

1. Спектральна густина енергетичної світності r_λ (T) = α_λ(Т) х ε_λ(Т). Оскільки α_λ(Т) < 1 для реальних тіл, то завжди r_λ (T) < ε_λ(Т). тобто випромінююча здатність реального тіла завжди нижча, ніж у абсолютно чорного тіла.

На рис. 7.38 наведено експериментальні криві розподілу енергії в спектрах теплового випромінювання абсолютно чорного тіла 1, "сірого" тіла 2 і довільного тіла 3. Крива спектрального розподілу енергії для "сірого" тіла може бути отримана із кривої розподілу енергії для абсолютно чорного тіла шляхом множення ординат останньої на постійний множник, менший за одиницю і рівний коефіцієнту поглинання сірого тіла. Випромінювання деяких тіл є селективним. Крива випромінювання 3 таких тіл може мати кілька максимумів і мінімумів, але вся вона завжди розташована нижче кривої випромінювання абсолютно чорного тіла, як цього і потребує закон Кірхгофа.

2 . Якщо α_λ(Т) = 0, то і r_λ (T) = 0, тобто якщо тіло не поглинає випромінювання, то воно його і не випромінює.

Таким чином, абсолютно чорне тіло є найбільш інтенсивним джерелом теплового випромінювання.

Закон випромінювання Планка

Н а рис. 7.39 наведені емпіричні криві розподілу енергії в спектрі теплового випромінювання абсолютно чорного тіла при різних температурах, з яких видно, що максимум спектральної густини енергетичної світності при зростанні температури зсувається в бік коротких хвиль. Довгий час не вдавалося теоретично отримати залежність ε_λ=f(λ,T), яка б відповідала експерименту, тобто класична фізика виявилася нездатною пояснити закон розподілу енергії в спектрі випромінювання абсолютно чорного тіла.

Для визначення виду функції ε_λ(Т) потрібні були зовсім нові ідеї щодо механізму випромінювання світла. У 1900 році М. Планк висунув гіпотезу, згідно з якою поглинання і випромінювання енергії атомами і молекулами відбувається окремими порціями - квантами (у той час, як класична фізика розглядала поглинання і випромінювання як неперервні процеси). На підставі цього припущення, яке поклало початок розвитку квантової механіки (див. розділ 9), Планком була отримана така формула для спектральної густини енергетичної світності абсолютно чорного тіла ε_λ:

де h - стала Планка; с - швидкість світла у вакуумі; k ~ стала Больцмана.

Якщо розподіл енергії в спектрі абсолютно чорного тіла подавати в шкалі частот, то замість ε_λ треба ввести енергетичну світність, віднесену до одиничного інтервалу частот

Оскільки v = с/λ, то |dv| = (с/λ²)dλ, звідки отримаємо такий зв'язок між ε_λ та ε_υ.

Враховуючи цей зв'язок, формулу Планка (7.24) можна подати у вигляді

Криві ε_λ=f(λ,T), розраховані за формулою (7.24), повністю відповідають експериментальним кривим (див. рис. 7.39).