Глава 23. Тепловое излучение тел

§ 23.1 Основные характеристики теплового излучения. Чёрное тело

Наиболее распространенным в природе видом электромагнитного излучения является тепловое излучение.

Тепловое излучение происходит за счет внутренней энергии вещества и поэтому свойственно всем телам при любой температуре, отличной от 0ºК.

Тепловое излучение ведет к уменьшению внутренней энергии тела и, следовательно, к снижению температуры тела, к охлаждению. Излучая, тело само поглощает часть энергии, испускаемой другими телами. Поглощение энергии приводит к увеличению внутренней энергии тела и, следовательно, к повышению температуры. Постоянное испускание и поглощение энергии телами приводит к тому, что в изолированной термодинамической системе в конце концов устанавливается такая температура, при которой уменьшение энергии телом при испускании компенсируется ее увеличением при поглощении, спектр излучаемой и поглощаемой энергии остается неизменным во времени. Такого типа излучение называют равновесным.

Тепловое излучение зависит от температуры тела, так как является следствием хаотического теплового движения молекул и атомов.

Излучение характеризуют его энергией W. Поток излучения Ф_е - это отношение энергии излучения ко времени t, за которое оно произошло:

(23.1)

Отношение потока излучения, испускаемого телом, к площади S поверхности излучателя называют энергетической светимостью тела:

(23.2)

• Единица энергетической светимости — ватт на квадратный метр (Вт/м²).

Приведенные выше характеристики не учитывают спектрального состава излучения. В общем случае тело может излучать (поглощать) электромагнитные волны различных длин волн и волны каждой длины уносят (приносят) свою долю энергии. Доля энергии в случае излучения характеризуется спектральной плотностью энергетической светимости r_λ (излучательной способностью) — отношением энергетической светимости dR_е, соответствующей узкому участку спектра, к ширине этого участка dλ,:

(23.3)

Измерения показывают, что r_λ,_T для данного тела зависит как от длины волны λ, вблизи которой взят интервал dλ, так и от температуры Т тела.

Энергетическая светимость тела может быть определена из соотношения (23.3):

(23.4)

Коэффициентом поглощения а (поглощательной способностью тела) называют величину, равную отношению потока излучения Ф'_е, поглощенного данным телом, к потоку излучения Ф_е, падающему на это тело:

(23.5)

Коэффициент поглощения зависит от температуры, материала и состояния поверхности.

Чёрным телом называется тело, которое при любой температуре поглощает всю энергию падающего на него элек­тромагнитного излучения произвольной длины волны. Для него а_λ.Т = 1. К черному телу по своим свойствам близки сажа, черный бархат, платиновая чернь. Тело, для которого а _λ.Т < 1, называют серым. Для белого тела а _λ.Т=0

Свойства черного тела хорошо воспроизводит тело с небольшим отверстием в замкнутой полости, стенки которой выполнены из поглощающего материала (рис. 23.1). Луч света, падающий внутрь этой полости через отверстие, претерпевает многократное отражение. При каждом отражении стенки полости поглощают часть энергии. Поэтому интенсивность луча света, выходящего из отверстия, во много раз меньше интенсивности входящего. Чем больше отношение площади полости к площади отверстия, тем ближе такое тело к черному.