Глава I. Элементы квантовой физики
§1. Квантовые свойства излучения
1.1.Тепловое излучение
Экспериментально установлено, что все тела способны испускать электромагнитные волны – светиться. Причины свечения многообразны. Случаи свечения тел при различном воздействии объединяют под общим названием люминесценция – холодное свечение. В зависимости от источника энергии, возбуждающего люминесценцию, различают хемиолюминесценцию, электролюминесценцию (катодолюминесценцию), фотолюминесценцию и др.
В отличие от явлений люминесценции свечение тел при их нагревании называется тепловым излучением. Оно совершается за счет энергии теплового движения атомов и молекул тела, т.е. за счет внутренней энергии. Тепловое электромагнитное излучение свойственно любому телу при температуре Т > О К.
Тепловое излучение является термодинамически равновесным (в отличие от люминесценции), то есть, распределение энергии между телом и его тепловым излучением остается неизменным во времени для каждой длины волны. Строго говоря, равновесное излучение будет иметь место в замкнутой полости с идеально отражающими стенками (рис.1.1).
Рис.1.1
Если по какой-либо причине тело, находящееся в полости, начнет, например, поглощать энергии больше, чем излучать, то температура тела повысится, интенсивность излучения возрастет, и термодинамическое равновесие системы "тело-излучение" восстановится.
Исследования состава, электромагнитного излучения различных веществ показали, что каждому веществу присущ определенный набор излучаемых частот – спектр излучения. Различают три вида спектров: линейчатые (состоят из отдельных линий, разделенных широкими интервалами частот, не излучаемых телом), полосатые (состоят из отдельных полос, каждая из которых охватывает некоторый интервал частот) и сплошные или непрерывные, охватывающие широкий диапазон частот.
Тепловое излучение твердых тел и жидкостей имеет сплошной спектр, охватывающий весь диапазон длин волн (от 0 до ), но энергия излучения распределена по этому диапазону неравномерно (неоднородно) – зависит от длины волны и температуры.
1.2. Основные характеристики теплового излучения
Основной количественной характеристикой теплового излучения тела является его энергетическая светимость (интегральная излучательность) RТ - это мощность излучения электромагнитной энергии с единицы поверхности тела при данной температуре Т тела:
,
(1.1)
где d W - энергия, уносимая с поверхности S тела за время dt электромагнитными волнами различной длины ( 0 ).
Целесообразно интегральную излучательность расчленить на составные части по отношению к волнам различной длины (или частоты).
Мощность излучения с единицы поверхности электромагнитных волн в интервале от до ( +d ) пропорциональна величине этого интервала d, т.е.
,
(1.2)
Коэффициент пропорциональности в формуле (1.2) т.е. r,Т, называется спектральной плотностью энергетической светимости (спектральной плотностью излучательности) для данной температуры Т и длины волны , т.е. r,Т – это светимость в расчете на единичный интервал длин волн. Для интервала частот d имеет место аналогичная формула:
,
(1.3)
где r,Т – светимость в расчете на единичный частотный интервал.
Единицы измерения величин r,Т и r,Т в системе СИ:
,
.
На основании формул (1.2) и (1.3) можно записать:
.
(1.4)