Теоретическая часть. Излучение электромагнитной энергии веществом за счет его внутренней энергии называется тепловым излучением

Лабораторные работы

 

Излучение электромагнитной энергии веществом за счет его внутренней энергии называется тепловым излучением. Свойства теплового излучения определяются материалом тела и его температурой Т. Если из любого материала сделать замкнутую по­лость и под­держивать температуру ее стенок постоянной, то система (стенка + излучение) придет в состояние тер­модинамического равновесия, и в объеме полости установится рав­новесное тепловое излучение.

По­ток энергии, испускаемый единицей поверхности излучающего тела за единицу времени по всем на­правлениям (в пределах телесного угла 2p), называ­ется энергетиче­ской светимостью тела R. Излу­чение состоит из волн различных частот w (или длин волн l). При малой величине интервала частот d w поток энергии, излучаемый единицей по­верхности в интервале частот d w, пропорционален d w:

dR _w = r _w d w

Величина r _w называется испускательной (излучательной) способностью тела. Зная r _w, можно оп­ределить энергетическую светимость тела:

.

Пусть на элементарную площадку поверхности тела падает поток энергии , обусловлен­ный электромагнитными волнами, частота которых заключена в интер­вале частот от w до w + d w. Часть потока будет поглощена телом. Безразмерная вели­чина

называется поглощательной способностью тела. Она зависит от температуры тела Т. Тело, для которого для всех частот, называют абсолютно черным. Если а _{w Т} = const < 1, то тело называют серым.

Кирхгоф сформулировал следующий закон: отношение испускательной и поглоща­тель­ной спо­собностей не зависит от природы тела, оно является для всех тел одной и той же универсальной функ­цией частоты и температуры:

Функция называется функцией Кирхгофа, она по сути представляет собой испускатель­ную способность абсолютно черного тела.

Стефан и Больцман, исходя из экспериментальных данных и термодинамических сооб­ражений, установили, что энергетическая светимость абсолютно черного тела R ^* про­порциональна четвертой степени температуры (закон Стефана-Больцмана):

,

где s = 5,67×10^-8 Вт×м^-2 ×К^-4 - постоянная Стефана-Больц­мана.

Планк, сделав предположение, что электромагнитное излучение испускается в виде от­дельных порций энергии e (квантов), величина которых пропорциональна частоте излуче­ния, установил вид функции Кирхгофа (формула Планка):

,

где = 1,05×10^-34 Дж×с - постоянная Планка; = 1,38×10^-23 Дж/К - постоянная Больцмана; = 3×10⁸ м/с -скорость света в вакууме.

Зная функцию и поглощательную способность тела a _{w T}, можно определить энергетическую светимость тела

.

Температурная зависимость R (Т) реального тела отличается от зависимости R ^*(Т) для абсолютно черного тела, однако общий вид обычно сохраняется:

R~Tⁿ,

где n близко к четырем.