Тепловое равновесное излучение.

Вещество

Энергия Тепловое

извне излучение

Закон КирхгофаW_⍵(T) - универсальная функция частоты и

Температуры

Классическая теория

Классическая

физика

z

Квантовая теория

x

Лекция 1. Тепловое равновесное излучение.

1. Электромагнитное излучение нагретых тел. Равновесное излучение.

Все нагретые тела являются источниками электромагнитного излучения всевозможных частот и направлений. При повышении температуры тело начинает светиться и чем выше температура, тем ярче оно светится. В этих телах в энергию излучения превращается часть внутренней тепловой энергии вещества.

Путем испускания и поглощения излучения тела могут обмениваться энергией, в результате одни тела нагреваются, другие охлаждаются. Для пространственно разделенных тел, находящихся в вакууме, единственный способ обмена энергией – это обмен через излучение. В процессе обмена энергией через излучение в системе «вещество + излучение» устанавливается термодинамическое равновесие, которое состоит в том, что каждое тело, независимо от его свойств, испускает в единицу времени столько же энергии, сколько поглощает обратно. Свойства тел могут повлиять только на время установления равновесия.

Тепловое излучение – это электромагнитное излучение, испускаемое веществом за счет своей внутренней тепловой энергии.

Если излучение находится в равновесии с веществом, оно - равновесное.

Всостоянии равновесия все тела имеют одинаковую температуруT, которая является количественной мерой средней энергии теплового (хаотического) движения большого числа атомов и молекул вещества. В одном моле вещества число частиц равно N_A=6 10²³ (число Авогадро). На одну степень свободы поступательного и вращательного хаотического движения одной молекулы в среднем приходится , а колебательного движения – в среднемтепловой энергии, где

Излучение

- постоянная Больцмана. Т

Эта же температура T характеризует Поглощение

состояние равновесного излучения (рис.1).

Равновесное состояние системы «излучение +

вещество» устойчиво, то есть после его нарушения Равновесное тепловое

состояние равновесия вновь восстанавливается. излучение с температурой Т,

Тепловое излучение – единственный вид если

излучения, которое может находиться в равновесии

с веществом. Остальные виды электромагнитного Рис.1.Равновесие в системе

излучения являются неравновесными и имеют «вещество + излучение»

общее название – люминесценция.

2. Свойства и спектральные характеристики теплового излучения

Равновесное тепловое излучение однородно (плотность энергии одинакова во всех точках области, где оно заключено), изотропно и не поляризовано (содержит все возможные направления распространения и направления колебаний векторов и).

Тепловое излучение имеет непрерывный спектр, не ограниченный по частоте.

Объемную плотность энергии излучения (энергию в единице объема) в интервале частот÷представим в виде

, (1)

где -спектральная плотность энергии излучения. Измерениями обнаружено, что распределение энергии по частоте при фиксированной температуреT имеет вид плавной кривой с максимумом при некоторой частоте (рис.2).

Суммарная объемная плотность энергии пропорциональна четвертой степени температуры:

(2)

При изменении температуры меняется

спектральный состав излучения и происходит

смещение максимума кривой распределения

. При повышении температуры

максимум смещается в сторону более высоких

частот, при этом . Рис.2. Распределение энергии

равновесного теплового излучения.