2. Теплове випромінювання. Абсолютно чорне і сірі тіла. Закон Кірхгофа

Теплове випромінювання – це електромагнітне випромінювання, збуджуване за рахунок теплового руху атомів і молекул. Це випромінювання має місце при будь-якій температурі, але при низьких температурах випромінюються практично лише довгі хвилі, які належать інфрачервоному діапазону і тому невидимі людині.

Відмінною особливість теплового випромінювання є його рівноважний характер. Це означає, що при поміщенні нагрітого тіла в оболонку з абсолютно відбиваючими стінками температура тіла не буде змінюватись нескінченно довго. Тобто, яку енергію тіло випроменить, таку ж енергію відбитого випромінювання і поглине. Отже, випромінювання знаходиться у рівновазі з нагрітим тілом. Свічення тіл може бути викликане нетепловими видами енергії: енергією хімічної реакції (хемілюмінесценція), бомбардуванням електронами (катодолюмінесценція), електричним полем (електролюмінесценція), попереднім освітленням ( фотолюмінесценція) і т.д. Але всі ці види свічення нерівноважні, тобто якщо помістити збуджене тіло в попередньо згадувану оболонку, свічення через деякий час припиниться.

Середня потужність випромінювання за час, що значно перевищує період світлових коливань, називається променистим потоком Ф. Якщо цей потік подає на поверхню тіла, то він поділяється на три частини у відповідності з трьома можливими процесами:

1. відбивання, характеризується коефіцієнтом відбивання ;

2. поглинання, характеризується коефіцієнтом поглинання ;

3. пропускання, характеризується коефіцієнтом пропускання .

Коефіцієнти показують долю відповідного потоку від падаючого. Очевидно, що , або.

Дослідами встановлено, що всі ці коефіцієнти залежать від температури і довжини хвилі випромінювання. Останнім пояснюються різні кольори тіл. У відбитих променях тіло має той колір, довжина хвилі якого відбивається, а решта поглинаються чи пропускаються.

Якщо тіло поглинає випромінювання всіх довжин хвиль і нічого на пропускає і не відбиває,воно називається абсолютно чорним. Для таких тіл. Моделлю абсолютно чорного тіла є нагріте тіло з невеликим отвором (рис.13.9). Площа цього отвору має властивість абсолютно чорного тіла. Дійсно, ймовірність того, що промінь потрапивши через цей отвір в порожнину після багаторазового відбивання знову вийде назовні близька до нуля.

Тіла, для яких α < 1 і не залежить від довжини хвилі називаються сірими.

Енергія R_T , яка випромінюється з одиниці площі за одиницю часу у всьому інтервалі довжин хвиль (від 0 до ∞) називається інтегральною густиною випромінювання, або енергетичною світністю

. (13.6)

Індекс_Т показує, що величина являється функцією температури. Експерименти показують, що енергія випромінювання розподілена по довжинам хвиль нерівномірно (рис.13.10). Цей розподіл характеризує спектральна густина випромінювання , яка дорівнює енергії випромінювання з одиниці площі за одиницю часу в одиничному інтервалі довжин хвиль.

Заштрихована на рис.13.10 область дає потужність, яка випромінюється з одиниці площі в інтервалі довжин хвиль dλ. Тому очевидно, що інтегральна густина випромінювання – це площа під кривою спектральної густини випромінювання, тобто

. (13.7)

Між випромінювальною та поглинальною здатністю тіл існує зв’язок, який вперше експериментально встановив у 1859 р. нім. фізик Г.Кірхгоф (1824-1887). Цей закон носить його ім’я: відношення спектральної густини випромінювання r_λТ до коефіцієнта поглинання α_λT, взятих для однакових довжин хвиль і температур, однакове для всіх тіл і являється універсальною функцією U_λT довжини хвилі і температури . (13.8)

Вираз (13.8) відображає закон Кірхгофа в диференціальній формі. З’ясуємо зміст функції При . Отже, функціяU_λT – це спектральна густина випромінювання абсолютно чорного тіла. Тоді для інших тіл із (8) витікає, що . Так як для всіх тіл, окрім абсолютно чорних,, то будь-яке тіло при будь-якій довжині хвилі випромінює меншу енергію, ніж абсолютно чорне тіло. Криві спектрального розподілу випромінювання сірих тіл (рис.13.11, крива 1) і кольорових (рис.11, крива 2) лежать нижче для абсолютно чорного тіла (рис.13.11, крива 3).

Для сірих тіл має місце і закон Кірхгофа в інтегральній формі

. (13.9)