Виды излучения. Тепловое излучение

Излучение света сопровождается потерей энергии источника и для поддержания излучения энергию необходимо пополнять. Это можно обеспечить за счет подвода тепла. Такое излучение получило название теплового. Оно отличается от других видов излучения. Тепловое излучение оказалось равновесным (состояние системы будет равновесным, если с течением времени распределение энергии между телом и излучением не меняется).

         Если внутрь полости поместить нагретое тело, то вначале тело в единицу времени будет больше испускать, чем поглощать, при этом температура тела будет понижаться, излучение ослабеет. С течением времени установится равновесие, и температура не будет меняться. Тело сколько испускает, столько же поглощает энергии. Это состояние устойчивое.

Тепловое излучение подчиняется некоторым общим закономерностям, вытекающим из принципов термодинамики.

Для характеристики теплового излучения пользуются величиной потока энергии. Поток энергии, испускаемый единицей поверхности излучающего тела по всем направлениям (в пределах телесного угла 2π) называется энергетической светимостью (светностью) тела К (смотри раздел «Фотометрия»)

Обозначим энергию испускаемую в пределах частот ν до ν+dν dwν1ν+dν. Величина  называется спектральной излучательной способностью тела. Энергетическая светимость, следовательно, будет определяться как

                                                (1)

Безразмерная величина, определяемая отношением поглощенной энергии в интервале частот ν, ν+dν к падающей в этом же интервале, называется поглощательной способностью тела

                                                         (2)

Тело для которого a(ν,Т)=1 называется абсолютно черным.

Между испускательной и поглощательной способностью тел имеется определенная связь, которую установил Кирхгоф в 1859 году.

Если внутрь полости с отражающими стенками при постоянной температуре поместить несколько различных тел, то через некоторое время все тела примут одну и ту же температуру. Тела, обладающие большей испускательной способностью, больше и поглощают энергии в единицу времени. Тела с меньшей излучательной способностью, меньше поглощают энергии, т.е.

                               (3)

Отношение испускательной способности и поглощательной способности не зависит от природы тел и является для всех тел одной и той же универсальной функцией частоты и температуры, т.е.

                                                        (4)

Если учесть, что для абсолютно черного тела a(ν,Т)=1, то отношение (4) будет являться спектральной излучательной способностью абсолютно черного тела, которую обозначим через ε(ν,τ), таким образом, закон Кирхгофа запишется в виде

                                             (5)

Стефан (1879 г.) и Больцман (1884 г.) установили, что интегральная излучательная способность (светимость) абсолютно черного тела пропорциональна абсолютной температуре в четвертой степени, т.е.

ε(Т)=σT4,                                                   (6)

коэффициент пропорциональности σ – называется постоянной Стефана-Болцмана σ=5,7·10-8Вт/м2·К4.

Спектр излучения абсолютного черного тела непрерывный с максимумом (рис. 1) при определенной длине волны λмакс. С понижением температуры Т1>Т2>Т3 длина волны на которую приходится максимум излучательной способности смещается в длинноволновую область. Это правило было определено Вином и носит название закона смещения Вина:

,           (7)        

где в=2,898·10-3м·К называется постоянной Вина.

Площадь под кривой ε(λ) определяет интегральную излучательную способность R(Т). Максимальное значение ε(λм) пропорционально абсолютной температуре в пятой степени

ε(λм)=в′Т5,                 (8)        

где в′=1,3·10-2Вт/(м3·К5) – коэффициент пропорциональности.