0,7 Мкм) при таких температурах имеет слишком малую энергию и не может быть обнаружено невооруженным глазом.

      Так как в сторону неба система наземных тел не является замкнутой, то равновесия между телами у поверхности Земли и их излучением не устанавливается. Поэтому все тела, температура которых несколько больше, чем температура земной поверхности, могут быть зафиксированы в микроволновом диапазоне как излучающие объекты. Увидеть такие источники инфракрасного излучения можно только с помощью специальных приборов, в которых микроволновое невидимое глазом излучение регистрируется специальными датчиками инфракрасного излучения и преобразуется в модулированные электрические сигналы, которые управляют электронным пучком, дающим на экране кинескопа видимое изображение предметов.

      В конце XX в. произошло качественное изменение техники ночного видения, связанное с созданием электронно-оптических преобразователей нового типа. С помощью современных биноклей и прицелов ночного видения наблюдатель может получить в темноте видимое изображение достаточно высокого качества человека на расстоянии нескольких сот метров или движущегося танка на расстоянии нескольких километров. А пилотажные очки ночного видения позволяют эксплуатировать вертолеты в условиях ограниченной видимости практически круглые сутки.

     

     Задача 1.1. Покажите, что если излучение происходит в объеме достаточно толстого слоя из любого вещества, имеющего на единицу толщины испускательную способность и поглощательную способность , то поверхность этого слоя излучает как абсолютно черное тело. При расчетах ограничиться рассмотрением излучения, распространяющегося в направлении, перпендикулярном поверхности слоя.

      Решение: Пусть слой вещества, занимающего полупространство , имеет температуру (рис. 1.6). Выделим тонкий слой этого вещества с координатами от до . На частоте этот тонкий слой излучает по направлению к поверхности поток энергии с единицы площади .

Рис. 1.6.

      До выхода с поверхности слоя это излучение проходит слой поглощающего вещества толщиной . При этом по закону Бугера поток энергии излучения уменьшается экспоненциально и при выходе на поверхность становится равным

     

.

     Суммируя излучение от всех слоев, находим испускательную способность поверхности слоя

     

.

      Но по закону Кирхгофа , где - испускательная способность абсолютно черного тела. Поэтому , и мы тем самым доказали, что поверхность слоя излучает как абсолютно черное тело.

      Этот важный вывод поясняет, например, почему излучение с поверхности достаточно большого объема высокотемпературной плазмы и, в частности, с поверхности Солнца, близко по спектральному составу к излучению абсолютно черного тела.

      Задача 1.2. Максимум испускательной способности Солнца приходится на длину волны мкм. Считая излучение Солнца близким к излучению абсолютно черного тела, оцените суммарную площадь панелей солнечной батареи мощностью кВт на орбитальной околоземной космической станции. К.п.д. солнечной батареи принять равным . Астрономические величины взять из таблиц.

      Решение: Из закона смещения Вина по формуле (1.11) определим температуру поверхности Солнца

     

.

      Теперь по закону Стефана-Больцмана находим энергетическую светимость Солнца и полную мощность излучения с его поверхности

     

.

     Здесь м - радиус Солнца.

      Считая, что Солнце излучает по всем направлениям изотропно, находим солнечную постоянную , равную потоку энергии излучения через единицу поверхности сферы, радиус которой равен среднему расстоянию от Солнца до Земли м. При этом

     

.

      Итак, в космическом пространстве вблизи Земли на каждый квадратный метр поверхности, перпендикулярной солнечным лучам, за одну секунду падает 1,6 кДж энергии солнечного излучения. Часть этой энергии в солнечной батарее превращается в электрическую энергию. С учетом к.п.д. солнечной батареи, находим ее электрическую мощность

     

.

     Отсюда определяем площадь панелей солнечной батареи

     

.

     1) Звездочкой в дальнейшем мы будем отмечать характеристики теплового излучения абсолютно черного тела.

Излучательная способность нагретых тел про­порциональна их поглощательной способности при той же температуре. Размышляя над формулой для спектра абсолютно черного тела, Макс Планк пришел к выводу, что энергия излучения Еизл пропорциональна его частоте V: E = hv, где h — коэффициент пропорциональности, называемый посто­янной Планка (постоянная Планка равна 6,626-1034 Джс). Планк пришел к выводу о том, что запас энергии колебательной системы, находящейся в равновесии с электромагнитным излу­чением, не может принимать любые значения. Энергия элемен­тарных систем, поглощающих и излучающих электромагнитные волны, обязательно должна быть равна целому кратному некото­рого определенного количества энергии. Минимальное количество энергии, которое система может по­глотить или излучить, называется квантом энергии и определяет­ся приведенной выше формулой. Следующим шагом в объяснении закономерностей фотоэффекта, не укла­дывающихся в рамки классической теории, было расширение Альбертом Эйнштейном гипотезы Планка об излучении света в виде отдельных пор­ций — квантов с энергией, пропорциональной частоте света. Эйнштейн в 1905 году высказал предположение о том, что фотоэффект свидетельст­вует о дискретном строении света, т.е. о том, что излучаемая электромаг­нитная энергия распространяется и поглощается подобно частице (на­званной затем фотоном). Интенсивность падающего света при этом определяется числом световых квантов, падающих на один квадратный сантиметр освещаемой плоскости в секунду. Отсюда число фотонов, кото­рые испускаются единицей поверхности в единицу времени, должно быть пропорционально интенсивности освещения. Идеи применения светового давления в космонавтике были высказаны еще Ф.А. Цандером. По его мнению, движение летательных аппаратов в космическом пространстве возможно не только по ракетодинамическому и баллистическому (под действием сил всемирного тяготения) принципам полета. Вполне реально использование «солнечного паруса» — устройства, обеспечивающего перемещение космического аппарата световым давлением солнечных лучей (солнечного ветра). Солнечный парус представляет собой устанавливаемую на аппарат и развертываемую в полете непрозрачную пленку (например, металлизированную полимерную) большой площади, способную сообщить значительную скорость за достаточно большое время благодаря действию на нее солнечного излучения. Ограничением в применении солнечного паруса является то, что космический аппарат с подобным движителем может двигаться только в одном направлении (от Солнца), а сила солнечного давления мала и убывает пропорционально квадрату расстояния от Солнца.

40. Абсолютно Черное Тело — это тело, поглощающее электро­магнитное излучение любой длины волны. Спектр излучения такого тела определяется его температурой. Наиболее точно абсолютно черному телу соответствует замкнутое непрозрачное полое тело с отверстием. Любой кусок вещества при нагревании светится и при дальнейшем повышении температуры становится сначала красным, а затем — белым. Цвет от веще­ства почти не зависит, для абсолютно черного тела он определяется ис­ключительно его температурой. Примером абсолютно черного тела является обычная или мартеновская печь. В печи любое тело не только нагревается и излучает само, но также поглощает и отражает излучение других тел, находящихся там же. Если в эту печь поместить два равных по величине шара, но сделанных из раз­ного материала, то можно увидеть два совершенно одинаковых шара. Это происходит потому, что если шар, сделанный из одного материала, силь­нее излучает «свои» лучи, то он, соответственно, и больше поглощает «чу­жие», в то время как другой шар, излучая меньше «своих» лучей, одновременно больше отражает «чужих». Таким образом, общий поток лучей от обоих шаров одинаков, и их нельзя отличить ни друг от друга, ни от стенок печи. Это явление носит название закона Кирхгофа.