Тепловое излучение. Тепловым излучением называется испускание электромагнитных волн за счет внутренней энергии тел

Тепловым излучением называется испускание электромагнитных волн за счет внутренней энергии тел. Оно имеет место при любой температуре. Приведем величины, характеризующие этот вид излучения:

– энергетическая светимость – величина, равная энергии, испускаемой единицей поверхности тела в единицу времени по всем направлениям. Она является функцией температуры.

– спектральная плотность энергетической светимости – величина, равная энергии, испускаемой единицей поверхности тела в единицу времени по всем направлениям в единичном интервале длин волн. Это функция длины волны и температуры.

– поглощательная способность – безразмерная величина, равная отношению потока энергии, поглощенной телом, к потоку энергии, падающей на тело при данной температуре и длине волны.

Тело, полностью поглощающее упавшее на него излучение всех длин волн, называется абсолютно черным (a_l,T º 1).

Закон Кирхгофа. Отношение спектральной плотности энергетической светимости к поглощательной способности не зависит от природы тела, оно является для всех тел одной и той же универсальной функцией длины волны и температуры:

. (1)

Экспериментально найденная с помощью изучения излучения абсолютно черного тела функция Кирхгофа имеет вид, приведенный на рис. 1.

Теоретически вид функции Кирхгофа нашел Планк, предположивший, что излучение испускается излучающими телами не непрерывно, а определенными порциями – квантами. Энергия каждого кванта:

, (2)

Рис. 1

где – постоянная Планка, Дж×с

w – круговая частота колебаний в электромагнитной волне.

Формула Планка имеет вид

(3)

Как следует из закона Кирхгофа, f(l,T) º r_l,T для абсолютно черного тела.

Закон Стефана – Больцмана. Энергетическая светимость абсолютно черного тела прямо пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры.

R_T = sT⁴ , (4)

где s – постоянная Стефана – Больцмана:

Закон смещения Вина. Длина волны, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его абсолютной температуре. (рис. 1):

l_max = b/T , (5)

где b – постоянная Вина, b = 2,9×10^-3 м×К.

Фотоны

Световые кванты, то есть частицы, в виде которых распространяется свет, получили название фотонов. Они обладают энергией ( формула (2), массой

, (6)

и импульсом или , (7)

где – волновой вектор – вектор, модуль которого равен волновому числу, а направление совпадает с направлением фазовой скорости световой волны.

Взаимодействием фотонов с веществом объясняется ряд явлений и эффектов.