19

Часть 3. Квантовая оптика. Атомная и ядерная физика

АТПП, ИДМ, БТМАС, Химия – третий семестр

ОГР – четвертый семестр

Лекция 1. Квантово-оптические явления. Тепловое излучение.

1. Тепловое излучение.

Самым распространенным типом излучения является свечение тел, обусловленное их нагреванием. Этот вид излучения называется тепловым (или температурным). Такое излучение имеет место при любой температуре, однако, при невысоких температурах излучаются практически лишь длинные (инфракрасные) волны. Лишний раз подчеркнем, что излучение нагретых тел, так же как и свет, радиоволны и т.д. относится к электромагнитным явлениям.

Рис. 1.1.

Окружим излучающее тело непроницаемой оболочкой с идеальной отражающей внутренней поверхностью (рис.1.1.). Воздух из оболочки удален. Излучение от тела отражается оболочкой (полностью или частично) и вновь попадает на тело. Следовательно, будет происходить непрерывный обмен энергией между телом и оболочкой. Если распределение энергии между телом и излучением остается неизменным для каждой длины волны, то 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, объединенные под общим названием “люминесценция”, являются неравновесными. Эта способность теплового излучения обусловлена тем, что интенсивность излучения возрастает при повышении температуры.

Пусть равновесие между телом и излучением нарушено, и тело излучает энергии больше, чем поглощает. Тогда внутренняя энергия тела убывает, что приводит к уменьшению температуры тела и, следовательно, к уменьшению количества излучаемой энергии. Температура тела будет понижаться до тех, пока количество излучаемой телом энергии не станет равным количеству поглощаемой энергии.

Если равновесие нарушится в другую сторону, то температура тела будет возрастать, пока снова не установится равновесие. Таким образом, нарушение равновесия в системе “тело-излучение” вызывает возникновение процессов, восстанавливающих равновесие.

Итак, из всех видов излучения равновесным может быть только тепловое излучение. К равновесным состояниям и процессам применимы законы термодинамики. Следовательно, и тепловое излучение должно подчиняться некоторым общим закономерностям, вытекающим из принципов термодинамики. Рассмотрим эти закономерности, но сначала введем некоторые понятия и определения.

2. Испускательная и поглощательная способность тела. Абсолютно черное тело.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Поток энергии, испускаемый единицей поверхности излучающего тела по всем направлениям (а пределах телесного угла 2), называется энергетической светимостью R_э.

Обозначим поток энергии, испускаемый единицей поверхности тела в интервале частот d, через dR_. Если d мал, то поток dR_ пропорционален d, т.е.

Величина (коэффициент пропорциональности) r_ называется испускательной способностью тела. Опыт показывает, что r_ есть функция частоты и температуры. Следовательно, энергетическая светимость тела R_э тоже является функцией температуры.

Зная испускательную способность можно рассчитать энергетичекую светимость:

.

Пусть на некоторую элементарную площадку поверхности тела падает поток лучистой энергии dФ_, обусловленный электромагнитными волнами, частота которых находится в интервале d. Часть этого потока будет поглощена телом, тогда величина

 называется поглощательной способностью тела и является функцией частоты и температуры, т.е. . Видно, что всегда .

Если , то тело полностью поглощает упавшее на него излучение всех частот. Такое тело называется абсолютно черным. Для видимой части спектра телом близким по своим свойствам к абсолютно черному является сажа или платиновая чернь ( ).

Если , то тело называется серым.

Если , то тело называется белым.