ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЕГО ЗАКОНЫ. Все тела в той или иной степени излучают электромагнитные волны

[2, § 1–4, 7]; [3, § 194 – 202]; [4, § 61– 63]; [5, гл. XIX, § 1 – 3]; [6, § 197 – 202].

 

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЕГО ЗАКОНЫ

 

Все тела в той или иной степени излучают электромагнитные волны. Например, тела, нагретые до достаточно высокой температуры, светятся, а при обычных температурах являются источниками только невидимого инфракрасного излучения.

Электромагнитное излучение, испускаемое веществом и возникающее за счет его внутренней энергии, называется тепловым (или температурным) излучением. Оно зависит только от температуры и оптических свойств излучающего тела. Тепловое излучение характеризуется сплошным спектром, положение максимума которого зависит от температуры. При высоких температурах () излучаются преимущественно короткие (видимые и ультрафиолетовые) электромагнитные волны, при низких – преимущественно длинные (инфракрасные) электромагнитные волны.

Тепловое излучение – единственный вид излучения, которое является равновесным, то есть может находиться в термодинамическом равновесии с излучающим телом. При равновесии расход энергии тела на тепловое излучение компенсируется за счёт поглощения телом такого же количества энергии падающего на него излучения.

Электромагнитное излучение характеризуется рядом величин, которые подразделяются на спектральные и интегральные.

Основной количественной характеристикой теплового излучения является энергетическая светимость (интегральная испускательная способность) тела , , которая численно равна энергии электромагнитных волн, излучаемых за единицу времени с единицы площади поверхности тела при температуре Т. К интеграль-ным характеристикам также относятся: энергия излучения W, Дж; поток (мощность) излучения , Вт (dW – энергия излучения за время dt).

Спектральной характеристикой теплового излучения тела служит испускательная способность (спектральная плотность энергетической светимости) , :

, (1.1)

где – энергия электромагнитного излучения, испускаемого за единицу времени с единицы площади поверхности тела в интервале длин волн от до . Испускательная способность тела зависит от длины волны, температуры, химического состава тела и состояния его поверхности.

Энергетическая светимость тела связана с его испускательной способностью соотношением

. (1.2)

Спектральной характеристикой поглощения электромагнитных волн телом служит поглощательная способность (монохроматический коэффициент поглощения) – безразмерная величина, показы-вающая, какая доля энергии электромагнитного излучения в интервале длин волн от до , падающего на поверхность тела, поглощается им.

. (1.3)

Поглощательная способность зависит от длины волны излучения, температуры, химического состава тела и состояния его поверхности.

В теории теплового излучения важную роль играет понятие абсолютно черного тела. Это тело полностью поглощает при любой температуре все падающее на него излучение независимо от направления падающего излучения, его спектрального состава и поляризации, ничего не отражая и не пропуская. Для абсолютно черного тела . Моделью абсолютно черного тела может служит замкнутая полость с небольшим отверстием, внутренняя поверхность которой зачернена (рис. 1.1). Свет, падающий внутрь полости через отверстие, претерпевает много-кратные отражения от стенок. При этом энергия падающего света практически полностью погло-щается стенками полости незави-симо от их материала. Близкий к единице коэффициент поглощения имеют сажа, платиновая чернь, чёрный бархат и некоторые другие вещества.