Понятие о равновесном тепловом излучении

Источники света могут быть исключительно разнообразными. Например, лампы дневного света и лампы накаливания, свечение фосфора за счет реакции химического окисления, свечение анодов за счет бомбардировки их электронами, свечение газов при самостоятельном разряде и т.д.

Нас среди всех этих источников света будут интересовать, так называемое, тепловое свечение, или, как обычно говорят, тепловое излучение. Что же это такое тепловое излучение?

Свечение тел за счет энергии теплового движения атомов и молекул называется тепловым излучением.

Отсюда ясно, что чем больше температура тела, т.е. чем больше его тепловая энергия, тем сильнее тело будет светиться, т.е. тем сильнее будет излучать. Тела, находящиеся при комнатной температуре, также излучают тепловую энергию, только эта энергия практически не воспринимается нашими органами чувств.

Тепловое излучение ‑ это излучение электромагнитных волн, а электромагнитные волны имеют большой диапазон частот и, соответственно, длин волн. Поэтому говорят об излучении тел в том или ином диапазоне длин волн, или, соответственно, частот. В частности тела комнатной температуры излучают электромагнитные волны в инфракрасной части спектра.

В реальных условиях любое тело принимает температуру окружающей среды, или, как говорят, приходит в термодинамическое равновесие с окружающей средой.

В то же время любое тело излучает электромагнитную энергию за сет энергии теплового движения. Следовательно, температура тела должна все время понижаться. Но в действительности мы этого не наблюдаем. Следовательно, тело получает энергию из окружающей среды, в частности электромагнитную энергию, излучаемую другими телами.

Таким образом, любое тело, находясь в состоянии термодинамического равновесия, все время обменивается энергией с окружающей средой.

Характеристики теплового излучения

П усть на тело падает поток электромагнитной энергии (см. рис. 1). Часть энергии поглотится телом ‑ , часть энергии отразится телом ‑ , часть энергии пройдет сквозь тело ‑ . Уравнение баланса энергии будет иметь вид:

Разделив это уравнение на , получим

Где введены обозначения:

коэффициент поглощения ‑ ,

коэффициент отражения ‑ ,

коэффициент прозрачности ‑ ,

Для большинства реальных тел, которые мы будем рассматривать (металлы), прозрачность практически равна нулю. Поэтому можно записать:

Как мы знаем, взаимодействие электромагнитных волн с телом зависит от частоты колебаний волны. Следовательно, коэффициенты и также зависят от длины волны. Кроме того, способность тела отражать и поглощать электромагнитную энергию зависит от температуры, при которой уже находится тело. Чтобы отразить эту зависимость, коэффициенты поглощения и отражения пишут в виде:

(1)

Именно зависимостью и от и объясняется различная окраска тел.

Если тело абсолютно не будет поглощать электромагнитную энергию, то оно называется абсолютно белым телом:

Если тело будет поглощать абсолютно всю, падающую на него электромагнитную энергию, то оно называется абсолютно черным телом:

Если и одинаково для всех длин волн, то такое тело называют серым телом.