Лекции 1,2

1. Квантовые свойства излучения Тепловое излучение

Свечение тел, обусловленное нагреванием, называется тепловым излучением. Тепловое излучение совершается за счет энергии теплового движения атомов и молекул вещества (т.е., за счет внутренней энергии) и свойственно всем телам при температурах выше абсолютного нуля Кельвина. При высоких температурах излучаются короткие (видимые и ультрафиолетовые) электромагнитные волны, при низких – преимущественно длинные (инфракрасные).

Тепловое излучение – практически единственный вид излучения, который может быть равновесным. Предположим, что нагретое (излучающее) тело помещено в полость, ограниченную идеально отражающей оболочкой. С течением времени, в результате непрерывного обмена энергией наступит равновесие. Допустим, что равновесие нарушилось и тело излучает энергии больше, чем поглощает. Тогда температура тела должна понижаться. В результате будет уменьшаться количество излучаемой телом энергии, пока не наступит равновесие. Все другие виды излучения являются неравновесными.

Количественной характеристикой теплового излучения служит излучательность тела – мощность излучения с единицы площади поверхности тела в интервале частот единичной ширины, т.е.:

где - энергия электромагнитного излучения, испускаемого за единицу времени (мощность излучения) с единицы площади поверхности тела в интервале частот от ν до ν +dν. Единица измерения излучательности .

Излучательность может быть представлена в виде функции длины волны:

,

так как , то

,

где знак «минус» указывает на то, что с возрастанием одной из величин (частоты или длины волны) другая величина убывает. Поэтому в дальнейшем этот знак будем опускать. То есть:

. (1.1)

Можно также вычислить интегральную излучательность (ее называют просто излучательностью):

(1.2)

Способность тел поглощать падающее на них излучение характеризуется поглощательной способностью:

показывающей, какая доля энергии, приносимой за единицу времени на единицу площади поверхности тела падающими на нее электромагнитными волнами с частотами от ν до ν +dν, поглощается телами. Поглощательная способность тела является безразмерной величиной. Величины и зависят от природы тела, его термодинамической температуры и при этом различаются для излучений различных частот. Поэтому эти величины относятся к определенным температуре и частоте (вернее, узкому интервалу частот от ν до ν +dν) и называются спектральной плотностью излучательности и спектральной поглощательной способностью .

Тело, способное поглощать полностью при любой температуре все падающее на него излучение называется абсолютно черным телом. Следовательно, для любых частот и температур для абсолютно черного тела справедливо:

Абсолютно черных тел в природе не существует. Идеальной моделью абсолютно черного тела является замкнутая полость с небольшим отверстием, внутренняя поверхность которой зачернена, рис.1. Луч света, попадающий внутрь такой полости, испытывает многократное отражение от стенок, в результате чего интенсивность вышедшего излучения оказывается практически равной нулю. Из-за подобного многократного отражения кажутся абсолютно черными окна домов.

Наряду с понятием абсолютно черного тела используется понятие серого тела – такого тела, поглощательная способность которого меньше единицы, но постоянна для всех частот и зависит только от температуры, материала и состояния поверхности тела. Таким образом, из определения серого тела следует, что:

Аналогичным образом можно ввести понятие абсолютно белого тела (тела отражающего все падающее на него излучение):