Т Е П Л О В О Е И З Л У Ч Е Н И Е Т Е Л

 

Излучение оптического диапазона подразделяется на тепловое и люминесцентное. Под люминесценцией понимают способность веществ излучать энергию, накопленную в атомах или молекулах, образующих вещество, при переходе электронов с возбужденных энергетических уровней на более низкие. В зависимости от того, за счет какой энергии происходит возбуждение атомов и молекул, различают следующие виды люминесценции:

1. фотолюминесценцию, при которой возбуждение люминофора производится фотонами поглощенного излучения оптической части спектра;

2. рентгенолюминесценцию – возбуждение производится фотонами поглощенных рентгеновских лучей;

3. катодолюминесценцию – возбуждение происходит за счет кинетической энергии электронов, бомбардирующих люминофор или молекулы газа;

4. электролюминесценцию - возбуждение производится электрическим полем;

5. радиолюминесценцию – возбуждение люминофора происходит за счет излучения, возникающего при радиоактивном распаде ядер (a-, b- и g-излучения) и космического излучения;

6. хемилюминесценцию, при которой для возбуждения используется химическая энергия;

7. биолюминесценцию, при которой для возбуждения используется биологическая энергия.

Тепловое излучение обусловлено тепловым, хаотическим движением частиц тела. Оно присуще всем телам, температура которых выше абсолютного нуля. Таким образом, все другие виды оптического излучения (люминесценция, излучение Вавилова-Черенкова, лазерное излучение и т.п.) являются избыточными над тепловым. Тепловое излучение - это единственный вид излучения, который может находиться в термодинамическом равновесии с веществом. Равновесное излучение не поляризовано и все направления его распространения равновероятны. Спектр и интенсивность теплового излучения тела зависят от его температуры и целого ряда других параметров, например, от агрегатного состояния, степени прозрачности, состояния поверхности (гладкая, шероховатая, окисленная и т. п.).

При невысоких температурах (примерно до 500оС) тела излучают в основном длинные (инфракрасные) электромагнитные волны. Визуально они не обнаруживаются. При более высоких температурах тела начинают светиться, что свидетельствует о появлении в их спектре излучения видимого диапазона. При температурах более 2000оС в тепловом излучении становится заметной доля электромагнитных волн ультрафиолетового диапазона.

Энергетической светимостью (интегральной излучательной способностью) тела называется физическая величина Е(Т), численно равная энергии электромагнитных волн всевозможных частот (или длин волн), излучаемых за единицу времени с единицы площади поверхности тела во все окружающее пространство.

Излучательной способностью Е(n,Т) (или спектральной плотностью энергетической светимости) тела называется физическая величина, численно равная отношению энергии dW, излучаемой за единицу времени с единицы площади поверхности тела в узком интервале частот от n до n + dn (или длин волн в вакууме от l до l+dl), к ширине этого интервала:

(1)

Энергетическая светимость тела связана с излучательной способностью Е(n,Т) и Е(l,Т) соотношениями:

(2)

На рис. 1 показан типичный график функции Е(l,Т) вольфрама, нагретого до 2000К. Соответствующие кривые для тел из других материалов могут располагаться как выше, так и ниже кривой для вольфрама. Максимально возможной величиной излучательной способности среди различных тел, находящихся при одинаковых температурах, обладает так называемое абсолютно черное тело (АЧТ), график которого также представлен на рис. 1. Кроме этого АЧТ является единственным телом, которое полностью поглощает

все падающее на него излучение независимо от направления его падения, спектрального состава и поляризации.

Так же как материальная точка в механике или точечный заряд в электричестве, АЧТ является физической абстракцией. Моделью АЧТ может служить тело со сферической полостью и небольшим отверстием для излучения (рис. 2). Излучение, попадающее внутрь полости через отверстие О, претерпевает многократные отражения от его внутренних стенок. При этом энергия падающего излучения практически полностью поглощается полостью независимо от материала стенок. Реальные тела поглощают лишь часть (Фпогл) падающего излучения (Фпад) и отражают (или рассеивают) оставшуюся часть. Поглощающие свойства реальных тел характеризуют спектральной a(l,Т) и интегральной a(Т) поглощательной способностями:

(3)

Очевидно, что a(l,T) < 1 и a(T) < 1. Среди реальных тел наиболее близкими к АЧТ по величине поглощательной способности являются тела, покрытые сажей. Однако их поглощательная способность в дальней инфракрасной области все же значительно меньше единицы.

В состоянии термодинамического равновесия отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности равно излучательной способности АЧТ, находящегося при той же температуре (закон Кирхгофа). То есть

(4)

так как aАЧТ(l,T) =1.

Излучательная способность абсолютно черного тела определяется формулой Планка:

(5)

где h = 6,626*10^-34 Дж*с - постоянная Планка, k = 1,3807*10^-23 Дж/К - постоянная Больцмана, c = 2,998*10⁸ м/с - скорость света в вакууме.

В предельном случае больших длин волн (малых частот) из формулы (5) можно получить формулу Релея-Джинса:

(6)

Но она согласуется с экспериментальными данными только в области длинных волн и приводит к абсурдным выводам о бесконечно большом значении энергетической светимости АЧТ. Графики функций Планка (5) и Релея-Джинса (6) показаны на рис.1

Энергетическая светимость АЧТ пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры (закон Стефана-Больцмана):

ЕАЧТ(Т)=sТ4, (7)

где s = 5,67*10-8Вт м-2К-4- постоянная Стефана-Больцмана. Как следует из соотношения (2), энергетическая светимость равна площади под кривой Е(l,Т), которая сильно возрастает с повышением температуры (рис.3).

Для реальных тел эту зависимость обычно представляют в виде:

Е(Т)=zТⁿ, (8)

где z и n - величины, индивидуальные для каждого тела и, строго говоря, сами зависящие от температуры.

 

По мере повышения температуры максимум функции ЕАЧТ(l,Т) смещается в сторону меньших длин волн по закону Вина:

(9)

где b = 2,9*10-3м^.К - постоянная Вина. Это смещение также показано на рис. 3.