2. Суть понятия «Чёрное тело»

Здесь уместно вспомнить вкратце те стороны термодинамической проблемы взаимодействия материи и энергии, которые остались не решенными физикой ХIХ века.

Пусть несколько тел с различной температурой помещено в пустое пространство, окруженное теплонепроницаемой оболочкой. Весь накопленный опыт показывает, что в соответствии со вторым законом термодинамики все эти тела непременно приобретут одинаковую температуру. Термодинамика объясняет этот факт передачей энергии от одного тела к другому без посредства материи, т. е. путем излучения; каждое тело испускает и поглощает целый спектр электромагнитного излучения; более теплые тела излучают больше, чем поглощают, а более холодные поглощают больше, чем излучают, так, что в конце концов температура всех заключенных внутри оболочки тел станет одинаковой. Когда наступает такое состояние, оно уже остается неизменным неограниченно долгое время, потому что каждое тело внутри оболочки испускает и поглощает одинаковое количество энергии.

Еще в 1859 г. Кирхгоф, исходя из термодинамических соображений, установил, что когда все тела внутри оболочки достигают одинаковой температуры, они испускают и поглощают излучение таким образом, что устанавливается точное равновесие между поглощенной и отданной энергиями.[1] Это состояние равновесия единственно, и распределение излучаемой энергии зависит только от температуры резервуара и не зависит от его размера или формы или от свойств заключенных в нем тел и свойств стенок.

Этот знаменитый «закон Кирхгофа формулируется так: излучательная способность тела пропорциональна его поглощающей способности, или. другими словами, тело тем больше поглощает излучение, чем больше оно способно испустить его.

Кирхгоф же ввел в употребление (в 1860 г.) понятие «черного тела, или, точнее, «абсолютно черного тела» (в применении к которому законы излучения становятся особенно простыми), т. е. такого тела, которое поглощает все падающее на него излучение.[3,4] Строго говоря, в природе не существует абсолютно черных тел в определенном выше смысле: самые черные тела (как, например, сажа) все же отражают и рассеивают хоть какую-то часть, пусть ничтожно малую, той энергии, которую они получают. Однако сам же Кирхгоф указал способ получения черного тела, обладающего свойствами, данными в его определении. Представим себе замкнутую полость. Проницающее туда излучение попадает на стенки полости и частично поглощается ими, а частично отражается и рассеивается; эта отраженная и рассеявшаяся часть снова попадает на стенки и опять-таки частично поглощается ими, а частично отражается и рассеивается, и т. д. После нескольких последовательных отражений энергия, оставшаяся непоглощенной, будет очень невелика; при достаточном числе отражений она стремится к нулю. Иными словами, такая полость обладает коэффициентом поглощения, равным единице, и представляет собой черное тело (приложение1). Практически черное тело изготовляется в виде камеры со стенками, сделанными из хороших проводников тепла (например, из меди), покрытыми изнутри сажей. В камере проделывается маленькое отверстие для свободного сообщения с внешним объемом. Всякое излучение, проникающее через это отверстие, практически целиком поглощается благодаря указанному уже механизму рассеивания и поглощения. Некоторое грубое подобие такой камеры, своеобразной ловушки для излучения, попадающего в отверстие, представляет собой обычная комната с окном: если на нее смотреть снаружи через окно, комната кажется темной, так как свет, который проникает в нее через окно, почти целиком поглощается стенами комнаты и лишь небольшая его часть попадает снова наружу. Энергия, излучаемая через отверстие в полости, может считаться равной энергии излучения черного тела при той же температуре. Эта энергия носит краткое, но неудачное название «черного излучения» при высокой температуре оно может быть даже ослепительно белым[3,4].