5. Квантово-оптические явления

   1. Тепловое излучение, его характеристики. Закон Кирхгофа

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 0 К. Тепловое излучение ведет к уменьшению внутренней энергии тела и, следовательно, к снижению его температуры, к охлаждению. Для того чтобы обеспечить возможность длительного излучения энергии, необходимо пополнять ее убыль. Но, 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.

Состояние термодинамической системы, при котором ее параметры не меняются с течением времени, называют термодинамическим равновесием. Для системы, находящейся в термодинамическом равновесии, характерны следующие свойства:

• для теплового излучения состояние термодинамического равновесия изолированной системы устанавливается с течением времени;

• если система достигла термодинамического равновесия и внешние условия не меняются, то система не может сама произвольно выйти из этого состояния.

Все другие виды излучений (их объединяют под общим названием люминесценция) этим свойством не обладают. Например, при хемилюминесценции излучение возникает за счет энергии, выделяющейся при химических превращениях. Процесс излучения при хемилюминесценции продолжается до тех пор, пока идет химическая реакция. Тепловое равновесие устанавливается только тогда, когда закончится химический процесс, а с ним и хемилюминесценция. То же самое имеет место при электро-, фото- и катодолюминесценции. Итак, из всех видов излучения равновесным может быть только тепловое. Оно зависит от температуры тела, так как является следствием теплового движения молекул и атомов.

Излучение характеризуется его энергией W. Потоком излучения Ф_е называется отношение энергии излучения к времени t, за которое оно произошло: Ф_е=W/t. Отношение потока излучения, испускаемого телом, к площади S поверхности излучателя называется энергетической светимостью тела:

. (5.5)

Единицей энергетической светимости в СИ является Вт/м².

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

. (5.6)

измерения показывают, что для данного тела зависит как от длины волны , вблизи которой взят интервал , так и от температуры Т тела.

Коэффициентом поглощения называют величину, равную отношению потока излучения , поглощенного данным телом, к потоку излучения , падающему на это тело:

. (5.7)

Коэффициент поглощения можно рассматривать и для данного интервала длин волн . В этом случае

.

Если система состоит из нескольких тел, нагретых до различной температуры, то спустя некоторое время произойдет выравнивание температур, даже если передача теплоты конвекцией и теплопроводностью исключена. Горячие тела, излучая, передают холодным энергии больше, чем получают от них, так происходит до тех пор, пока не наступит равновесное состояние. В состоянии термодинамического равновесия у тел, обменивающихся энергией путем излучения и поглощения, отношение спектральной плотности энергетической светимости к коэффициенту поглощения является величиной постоянной, не зависящей от природы тела; для всех тел оно выражается одной и той же функцией от длины волны и температуры Т:

. (5.8)

Это соотношение называют законом Кирхгофа. Из него следует, что

тело поглощает электромагнитные волны преимущественно в том интервале, в котором само их испускает.

Тело, которое при любой температуре поглощает всю энергию падающего на него электромагнитного излучения произвольной длины волны, называют абсолютно черным; для него . Тело, для которого , называют серым.

Свойство абсолютно черного тела хорошо воспроизводит тело с небольшим отверстием S в замкнутой полости, стенки которой выполнены из поглощающего материала (рис. 5.36). 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 абсолютно черному.