Тепловое излучение. Закон Кихгофа

Под тепловым излучением понимают излучение электромагнитных волн телами за счет их внутренней энергии, то есть за счет теплового движения молекул и атомов. Такое излучение присуще всем телам, так как тепловое движение существует при всех температурах выше абсолютного нуля.

В отличие от других видов излучения тепловое излучение является равновесным, то есть может находиться в равновесии с излучающим телом. Это связано с тем, что интенсивность теплового излучения I зависит от температуры излучающего тела, и поэтому любые отклонения от равновесного состояния между излучающим телом и излучением приводят к тому, что положение равновесия восстанавливается.

Для описания теплового излучения вводятся такие понятия, как спектральная плотность энергетической светимости r_λ,T (испускательная способность) и энергетическая светимость R_T:

(6.1)

Как видно из формул (6.1), R_Tпредставляет собой энергию, излучаемую с единицы поверхности тела в единицу времени во всем интервале длин волн(или частот). Спектральная плотность энергетической светимости r_λ,T определяет энергию, излучаемую с единицы поверхности тела в единицу времени в единичном интервале длин волн. В теоретических и экспериментальных исследованиях наряду с r_λ,T применяется характеристика r_ν,T, зависящая от частоты излучения.

Для описания способности тел поглощать электромагнитное излучение вводят монохроматический коэффициент поглощения (поглощательную способность)

По способности поглощать электромагнитное излучение выделяют два идеальных тела:

абсолютно черное тело (а.ч.т.) – тело, которое во всем интервале длин волн поглощает полностью падающее на него излучение (a_λ,T= 1);

абсолютно серое тело (а.с.т.) – тело, для которого поглощательная способность во всем интервале длин волн является постоянной величиной, меньшей единицы (a_λ,T= const< 1).

Моделью а.ч.т. можно считать полость внутри тела, которое имеет малое входное отверстие (рис. 6.4). Действительно, все излучение, попадающее в эту полость, практически не выходит наружу. Это связано с тем, что при многократных отражениях от стенок полости энергия падающего излучения практически полностью поглощается. Следовательно, поглощательная способность такой полости во всем интервале длин волн будет равна единице, и тогда выходящее из полости тепловое излучение представляет собой излучение а.ч.т.

Поглощательная и испускательная способности любого тела связаны между собой законом Кирхгофа. Согласно закону Кирхгофа в состоянии теплового равновесия отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности

не зависит от природы тела и является универсальной функцией температуры тела и длины волны, которую называют универсальной функцией Кирхгофа, или испускательной способностью абсолютно черного тела:

где r ⁰_λ,T – испусательная способность абсолютно черного тела.

Из закона Кирхгофа следует, что если на каком то интервале длин волн тело сильно излучает, то на этом интервале длин волн оно и сильно поглощает.

Излучение а.ч.т. можно излучить с помощью спектральных приборов и построить график зависимости испускательной способности r⁰_λ,T от длины волны λ (рис.6.5б). Как видно из рисунка, график имеет максимум, зависящий от температуры тела; кривая r⁰_λ,T плавно спадает в области больших длин волн и практически равна нулю в области рентгеновского излучения. С увеличением температуры интенсивность излучения возрастает, максимум r⁰_λ,T увеличивается и смещается в область малых длин волн.