Глава 7

Тепловое излучение

7.1. Равновесное излучение

Излучение света происходит в результате переходов атомов, молекул и других атомных систем из состояний с большей энергией в состояния с меньшей энергией. Так называемое тепловое или температурное излучение отличается от других видов излучения (люминесценции) только способом перехода излучающих систем в возбужденные состояния. В явлениях теплового излучения такой переход осуществляется в результате теплового движения атомов и молекул. В этом случае испускание электромагнитных волн происходит за счет внутренней (тепловой) энергии тел. Все остальные виды свечения, осуществляемые за счет других видов энергии, объединяются под общим названием «люминесценция».

Окисляющийся на воздухе фосфор светится за счет энергии, выделяемой при химическом превращении. Такой вид свечения называется хемилюминесценцией. Свечение, возникающее в газах и твердых телах под воздействием электрического поля, называется электролюминесценцией. Свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их электронами, называют катодолюминесценцией. Свечение, возбуждаемое поглощаемым телом электромагнитным излучением, называется фотолюминесценцией.

В проблемах теплового излучения особо важное значение имеет понятие так называемого равновесного излучения. Окружим излучающее тело на некотором расстоянии оболочкой с идеально отражающей поверхностью (рис. 7.1). Воздух между оболочкой и телом удалим.

Рисунок 7.1. Равновесное излучение

Отраженное оболочкой излучение, упав на тело, поглотится им (частично или полностью). Следовательно, будет происходить непрерывный обмен энергией между телом и излучением, заполняющим пространство между телом и оболочкой. Если распределение энергии между телом и излучением остается неизменным для каждой длины волны, состояние системы тело - излучение будет равновесным. Опыт показывает, что единственным видом излучения, которое может находиться в равновесии с излучающими телами, является тепловое излучение. Все остальные виды излучения оказываются неравновесными.

Поскольку излучение находится в тепловом равновесии с телом, то можно говорить о температуре не только тела , но и о температуре самого излучения, считая по определению обе температуры равными. Необходимо подчеркнуть, что температура равновесного излучения есть свойство самого излучения, а не тела, с которым оно находится в тепловом равновесии. О температуре излучения имеет смысл говорить и тогда, когда вообще нет никакого тела. В частности, например, плотность энергии равновесного излучения однозначно определяет и его температуру (см. раздел 7.х закон Стефана-Больцмана).

Допустим, что равновесие между телом и излучением нарушено и тело излучает энергии больше, чем поглощает. Тогда внутренняя энергия тела будет убывать, что приведет к понижению температуры. Это в свою очередь обусловит уменьшение количества излучаемой телом энергии. Температура тела будет понижаться до тех пор, пока количество излучаемой телом энергии не станет равным количеству поглощаемой энергии. Если равновесие нарушится в другую сторону, т.е. количество излучаемой энергии окажется меньше, чем поглощаемой, температура тела будет возрастать до тех пор, пока снова не установится равновесие. Таким образом, нарушение равновесия в системе тело-излучение вызывает возникновение процессов, восстанавливающих равновесие.

К равновесным состояниям и процессам применимы законы термодинамики. Поэтому тепловое излучение должно подчиняться некоторым общим закономерностям, вытекающим из принципов термодинамики. К рассмотрению этих закономерностей мы и перейдем.