Тепловое излучение и поглощение электромагнитных волн веществом. Тепловое равновесие тел. Абсолютно черное тело.

Поглощением света называется явление уменьшения энергии световой волны при ее распространении в веществе, происходящее вследствие преобразования энергии волны во внутреннюю энергию вещества или в энергию вторичного излучения, имеющего другой спектральный состав. Поглощение света можно вызвать нагревание вещества, фотохимические реакции и другие процессы в веществе.

Поглощение света описывается законом Бугера, согласно которому, интенсивность I плоской волны монохроматического света уменьшается по мере прохождения через поглощающую среду по экспоненциальному закону:

,

где I₀ - интенсивность света на входе в поглощающий слой, l - толщина слоя, א - постоянная, зависящая от химической природы и состояния поглощающей среды и называемая коэффициентом поглощения среды. Зависимость показателя поглощения среды от длины волны характеризует спектр поглощения света в данной среде.

Спектр поглощения получается, если на пути лучей, падающих на призму, поместить какое - либо вещество. Это вещество не пропустит определенные лучи (поглотит их), и на экране на сплошной спектральной полоске появятся линии или полосы - спектр поглощения.

По виду различают спектры сплошные, линейчатые и полосатые. Сплошной спектр - это непрерывная радужная полоска. Такой спектр получается в результате свечения твердых или жидких тел (например, в электрической лампочке – накаленная металлическая нить).

Линейчатый спектр - это совокупность определенных спектральных линий (на черном фоне). Линейчатые спектры испускаются светящимися атомами. Полосатые спектры испускают целые светящиеся молекулы, он представляет собой отдельные спектральные полосы, один край которых резкий, а другой размытый.

Все тела в той или иной степени излучают электромагнитные волны. Например, сильно нагретые тела светятся, а при обычных температурах являются источниками только не­видимого инфракрасного излучения.

Электромагнитное излучение, испускаемое веществом и воз­никающее за счет его внутренней энергии, называется тепловым излучением. Оно зависит только от температуры и оптических свойств излучающего тела. Если расход энергии тела на тепловое излучение не восполняется за счет подвода к телу теплоты, то его температура постепенно понижается, а тепловое излучение уменьшается.

Теплообменом излучения (радиационным теплообменом) называется самопроизвольный процесс передачи энергии форме теплоты от более нагретого тела к менее нагретому, осуществляющийся путем теплового излучения и поглощения электромагнитных волн этими телами.

Тепловое излучение - единственное, которое может находиться в термодинамическом равновесии с веществом. При равновесии расход энергии тела на тепловое излучение компенсируется за счет поглощения телом такого же количества энергии падающего на него излучения. Равновесное излучение устанавливается в адиабатически замкнутой системе (т. е. такой, которая не обменивается теплотой с внешней средой) и все тела которой находятся при одной и той же температуре.

Количественной характеристикой теплового излучения является излучательная (испускательная) способность r_ν, которая определяет энергию электромагнитных волн, излучаемых за единицу времени с единицы площади поверхности тела в узком интервале частот от ν до ν+dν:

Помимо излучательной способности тела вводят понятие интегральной излучательной способности (или энергетическая светимость), которая определяет энергию излучения за единицу времени с единицы площади во всем спектре излучения:

Поглощательной способностью тела называется безразмерная величина a_ν, показывающая, какая доля энергии электромагнитных волн с частотами от ν до ν + dν, падающих на поверхность тела, поглощается им:

.

Значение a_ν зависит от частоты, температуры, химического состава тела и состояния его поверхности.

Серым телом называется тело, поглощательная способность которого меньше единицы и не зависит от частоты (длины волны) света, направления его распространения и поляризации.

Законы теплового излучения

1. Закон Кирхгофа: отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности не зависит от природы тела и равно испускательной способности абсолютно черного тела r* при тех же значениях температуры и частоты:

2. Закон Стефана—Больцмана: энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональ­на четвертой степени его термодинамической температуры:

,

где σ = 5,67 · 10^-8 Вт/м² К⁴ — постоянная Стефана— Больцмана.

3. За­кон смещения Вина: длина волны λ_m, соответствующая максимальному значению спектральной плотности энергетической светимости черного тела, обратно пропорциональна его термодинамической температуре:

где b = 2,9 · 10³ м · К — постоянная Вина.