Тепловое излучение

Определение, механизм и основные характеристики теплового излучения.

О

дним из наиболее распространенных источников и механизмов порождения электромагнитного излучения является тепловое возбуждение атомов (молекул, ионов) вещества. При хаотическом тепловом движении, вследствие взаимодействий – “соударений”, часть атомов может переходить в возбужденное состояние, характеризующееся избыточным, по сравнению со стационарным (невозбужденным) состоянием, значением энергии. Возбужденное состояние атома является неустойчивым, и он самопроизвольно переходит в более устойчивое – энергетически более низкое – состояние, избавляясь от избытка энергии путем излучения электромагнитных волн, которые и называют тепловым излучением. При комнатной температуре тела испускают электромагнитные волны преимущественно в инфракрасном диапазоне частот. С ростом температуры появляется красный, затем желтый и, наконец, фиолетовый цвет свечения.

Интенсивность теплового излучения, очевидно, должно сильно зависеть от температуры, являющейся мерой теплового (внутреннего) движения атомов вещества. Кроме того, тепловое излучение твердых тел оказывается неравномерно распределенным по спектру¹ частот (длин волн), который у твердых тел оказывается сплошным (непрерывным).

Важнейшими характеристиками излучающего тела являются излучательная способность (или излучательность) E_,Т и поглощательная способность (коэффициент поглощения) _,Т.

Излучательная способность E_,Т тела, представляет собой спектральную плотность потока энергии теплового излучения, т. е. энергию, излучаемую телом в единицу времени с единицы площади в единичном интервале длин волн (или частот):

E_,Т = dE/(dSdtd) = dР/dSd. [Дж/(м²см) = Вт/м³]

Мощность Р излучения в оптике часто называют световым потоком Ф или, иногда – интенсивностью  света.. [Дж/(м²см) = Вт/м³]

Т. к.  = с/, то d = -сd/² и от распределения излучательности по длинам волн можно перейти к распределению ее по спектру частот: E_,Т = E_,Т ²/с; E_,Т = E_,Т с/² = E_,Т ²/с.

Основной задачей в оптике теплового излучения является определение в явном виде его спектра, т. е. вида функции E_,Т или E_,Т. Опытным путем во второй половине XIX в. был установлен общий вид этой функции, характерным для которого было наличие максимума, зависящего от температуры (см рис.). Теоретически же получить вид этой функции долго не удавалось.

Один из первых шагов на пути решения основной задачи теории теплового излучения был сделан в 1859 г. Р. Кирхгофом.

Равновесный характер теплового излучения. Закон Кирхгофа.

Р. Кирхгоф установил важный закон в теории теплового излучения, отталкиваясь от такой его особенности, отличающей тепловое излучение от других видов излучения (например, от различных видов люминесценции), как способность находиться в равновесии со своим источником. В изолированной (замкнутой) системе, например в идеально отражающей полости, окружающей излучающее тело, его излучение со временем становится макроскопически определенным. Это значит, что распределение энергии по спектру со временем не меняется, и количество излученной энергии в среднем должно быть равно количеству поглощенной энергии (для каждой частоты, направления распространения и поляризации). Поскольку излучение находится в равновесии (термодинамическом) с излучающем телом, можно говорить о температуре не только тела, но и самого излучения, считая их равными. Равновесный характер позволяет применить термодинамическое описание к тепловому излучению.

Исходя из термодинамических соображений, Р. Кирхгоф в 1859 г. показал, что в состоянии термодинамического равновесия отношение излучательной и поглощательной способностей тел должно быть одинаковым для всех тел, независимо от их природы и конкретных особенностей, являясь функцией только температуры и частоты (длины волны):

E_,Т /_,Т = (, Т), где (, Т) - универсальная (т. е. независящая от рода тела) функция длины волны и температуры, называемая функцией Кирхгофа и _,Т = dФ_{, погл}/dФ_{, пад} - поглощательная способность (коэффициент поглощения) тела, численно равная отношению поглощенного телом элементарного (в интервале длин волн от  до  + d) потока dФ_{ погл} к падающему на него элементарному потоку dФ_{ пад} излучения: dФ_{, погл} = dE_погл/(dtd).

Согласно закону Кирхгофа, тело, которое больше поглощает, должно и излучать больше. Поглощательная способность реальных тел в состоянии равновесия всегда меньше единицы и в отличие от испускательной способности, она – безразмерна.

1 Спектром какой либо величины называют совокупность значений, которые может принимать эта величина.