Тема 16. Квантовая оптика.

Вопросы:

1. Свойства равновесного теплового излучения.

2.

Характеристики теплового излучения: энергетическая светимость, излучательная, отражательная и поглощательная способность тела.

3. Абсолютно черное тело. Серое тело. Закон Кирхгофа.

4. Закон Стефана-Больцмана. Законы Вина.

5. Формула Планка.

6. Оптическая пирометрия.

Вопрос 1. Свойства равновесного теплового излучения

Существует ряд оптических явлений, таких как равновесное тепловое излучение, фотоэффект, явление Комптона, которые нельзя объяснить на основе волновых свойств света. Объяснение этих явлений возможно лишь с позиции квантовых представлений о процессах излучения, поглощения и распространения света, который рассматривается при этом, как поток квазичастиц – фотонов.

Основы квантовых представлений о характере излучения света телами были заложены в 1900 г. немецким физиком М.Планком для объяснения законов теплового излучения. Тем самым было положено начало развитию квантовой физики как науки о строении и свойствах микрообъектов.

Тепловое излучение свойственно всем телам при температуре выше 0К.Тела, нагретые до высоких температур, светятся, т.е. испускают электромагнитное излучение. Электромагнитное излучение всех длин волн обуславливается колебаниями электрических зарядов, входящих в состав вещества, т.е. электронов и ионов. Вследствие значительной массы колеблющихся ионов при их колебании излучается длинноволновое электромагнитное излучение, соответствующее инфракрасному диапазону длин волн. Движение электронов, входящих в состав атомов или молекул, инициирует более коротковолновое излучение, соответствующее видимому и ультрафиолетовому излучениям. Излучение тела сопровождается потерей энергии. Для того чтобы обеспечить длительное излучение энергии, совершаемое за счет энергии теплового движения заряженных частиц вещества, необходимо пополнять убыль внутренней энергии, сообщая телу соответствующее количество теплоты. В состоянии равновесия тело излучает столько энергии, сколько поглощает ее. Тепловое излучение, как наиболее распространенный вид электромагнитного излучения в природе, является равновесным излучением. В состоянии термодинамического равновесия тело поглощает в единицу времени столько же энергии, сколько и излучает. Если оно начнет излучать в единицу времени больше энергии, чем получает ее, то температура тела начнет понижаться и уменьшится количество излучаемой телом энергии до уровня, когда, наконец, не установится равновесие. Такое равновесное состояние устойчиво, т.е. при нарушении его, равновесное состояние вновь установится.

Способность теплового излучения находиться в равновесии с излучающим телом отличает тепловое излучение от других видов излучения тел.

Равновесному излучению можно приписать температуру тела, с которым оно находится в равновесии, распространив при этом законы равновесной термодинамики на тепловое излучение. Это означает, что для равновесного теплового излучения можно определить и рассчитать внутреннюю энергию, давление, энтропию и другие термодинамические характеристики, которые не будут изменяться со временем.

Равновесное тепловое излучение однородно, то есть его плотность энергии одинакова во всех точках внутри полости, где оно заключено. Такое излучение изотропно и неполяризовано, т. е. оно содержит все возможные направления распространения и направления колебаний векторов и.

Все другие виды излучения тел являются неравновесными и называются люминесценцией.

Люминесценция может осуществляться под действием света (фотолюминесценция), проникающей радиации (радиолюминесценция, в частности, рентгенолюминесценция, катодолюминесцнеция, ионолюминесценция), при возбуждении электрическим полем (электролюминесценция), при механических воздействиях (триболюминесценция), в химических реакциях (хемилюминесценция), в частности, при процессах, происходящих в клетках биологических объектов на молекулярном уровне (биолюминесценция). Люминесцирующие вещества называются люминофорами.

Следует отметить, что при отражении и преломлении света, когда происходит формирование вторичных световых волн в веществе, продолжительность излучения веществом происходит за время, сравнимое с периодом световых колебаний. А вот при тепловом излучении и люминесценции время излучения значительно превышает период световых колебаний.

Тепловое излучение содержит электромагнитные волны всевозможных частот, однако при низких температурах тела излучают преимущественно волны инфракрасного диапазона. Поскольку тепловое излучение является равновесным, то для описания его свойств можно использовать законы термодинамики.

Если окружить излучающее тело (или несколько тел) оболочкой с идеально отражающей поверхностью (рис 16.1), удалив из оболочки воздух, то между телом (телами) и заполняющим оболочку излучением будет происходить непрерывный обмен энергией.

Рис. 16.1

Если распределение энергии между телами и излучением остается неизменным для каждой длины волны, состояние системы тел и излучения будет равновесным, т.е. все тела будут иметь температуру T, равную температуре оболочки.