6.4. Тепловое излучение.

1.6.4. Тепловое излучение и его характеристики

Свечение тел, обусловленное нагреванием, называется тепловым излучением. Оно совершается за счет энергии теплового движения атомов и молекул вещества и свойственно всем телам при температуре выше .

Тепловое излучение имеет непрерывный спектр частот, положение максимума которого зависит от температуры тела. Чем выше температура тела, тем меньше длина волны, на которую приходится максимум излучения.

Тепловое излучение – практически единственный вид излучения, который может быть равновесным. Поместим нагретое тело в изолированную полость, ограниченную идеально отражающей оболочкой. В результате непрерывного обмена энергией между телом и излучением, наступит равновесие, т.е. тело в единицу времени будет излучать столько энергии, сколько и поглощать и его температура меняться не будет. При нарушении равновесия в ту или иную сторону тело будет либо излучать больше (теряет энергию и охлаждается), либо поглощать больше (нагреваться) до тех пор, пока снова не установится равновесие.

Для характеристики любого излучения (в том числе и теплового) вводятся следующие физические величины.

Поток излучения - величина равная отношению энергии излучения ко времени в течении которого это излучение произошло

. 6.1

Излучательность (энергетическая светимость) - величина равная отношению потока излучения к площади излучающей поверхности

. 6.2

Спектральная плотность излучательности – мощность излучения в интервале частот единичной ширины

. 6.3

Поглощательная способность – какая доля энергии падающей на тело, поглощается единицей площади поверхности в единицу времени в интервале частот равном единице

. 6.4

Тело способное полностью поглощать падающее на него излучение при любой температуре получило название абсолютно черного тела, таким образом, для абсолютно черного тела .

Абсолютно черных тел в природе не существует. Реальной моделью абсолютно черного тела может быть замкнутая полость с малым отверстием, внутренняя поверхность которой зачернена (Луммер и Вин – 1895 год). Луч света, попавший в эту полость, многократно отражается от стенок, за счет чего интенсивно поглощается и интенсивность луча, выходящего из отверстия практически равна нулю (вспомните темные окна домов в яркий летний день). Исследование законов теплового излучения сыграло огромную роль в развитии физики на рубеже 19-20 веков.

2.6.4. Закон Кирхгофа. Универсальная функция Кирхгофа.

В 1809 году Прево сформулировал правило – если два тела поглощают разное количество теплоты, то и излучение энергии должно быть различным, т.е. тело, поглощающее больше энергии должно и излучать больше. Другими словами поглощательная способность тела пропорциональна его излучательной способности.

1859 году Кирхгоф придал правилу Прево вид строго математического закона, играющего фундаментальную роль во всех вопросах теплового излучения.

Опираясь на второе начало термодинамики и, анализируя условия равновесного излучения в изолированной системе тел, Кирхгоф установил, что отношение спектральной плотности излучательности к спектральной плотности поглощательной способности не зависит от природы тела и является для всех тел универсальной функцией частоты и температуры, т.е.

. 6.5

Для абсолютно черного тела и, следовательно, - универсальная функция Кирхгофа есть ничто иное, как спектральная плотность излучательности абсолютно черного тела.

Закон Кирхгофа описывает только тепловое излучение, являясь настолько характерным для него, что может служить надежным критерием для определения природы излучения. Излучение, которое не подчиняется закону Кирхгофа, не является тепловым.