Основні закони випромінювання

Досвід показав, що між здатністю випромінювання радіації і здатністю її засвоєння існує зв’язок. Цей зв’язок виражається законом Кірхгофа

Е_λ /К_λ = ε

і звучить так: відношення випромінювальної здатності тіла (Е) при даній довжині хвилі (λ) до його поглинальної здатності (К) величина постійна і дорівнює випромінювальній здатності абсолютно чорного тіла (ε) при тій же температурі. Для всіх довжин хвиль

Е/К =ε

звідси Е = Кε, тобто випромінювання будь-якого тіла дорівнює добутку поглинальної здатності цього тіла і випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла. Поглинальна здатність К‹1 для всіх тіл, крім абсолютно чорного тіла. Звідси можна зробить висновок: якщо при даній температурі тіло випромінює променисту енергію певної довжини хвилі, то при цій температурі воно й поглинає променисту енергію цієї ж довжини хвилі і навпаки. Отже, внутрішня енергія такого тіла залишається сталою.

Абсолютно чорним тілом називається таке тіло, яке засвоює всю енергію, яка до нього надходить і його випромінювальна здатність найбільша. У природі до абсолютно чорного тіла для короткохвильової радіації якнайбільше підходить сажа і платинова чернь, а для інфрачервоного випромінювання – сніг.

Повний потік випромінювання абсолютно чорного тіла визначається за законом Стефана-Больцмана

Е = σТ⁴

де σ – стала Больцмана, σ = 5,67·10^-8 Вт/м².

Отже, потік випромінювання абсолютно чорного тіла прямопропорційний абсолютній температурі в четвертій степені.

Стосовно до природних поверхонь закон Стефана-Больцмана має такий вигляд

Е = δσТ⁴

де δ – коефіцієнт відносної здатності випромінювання природних поверхонь. Цей коефіцієнт для чорнозему становить 0,87, для піску 0,89, для житнього поля 0,93, для води 0,965, для світлого снігу 0,968. Коефіцієнт показує, яку частку від випромінювання абсолютно чорного тіла становить випромінювання даної поверхні.

Важливим є закон Віна:

добуток довжини хвилі λ_m, якій відповідає максимальна випромінювальна здатність тіла, і його абсолютної температури Т є величина стала

λ_m·Т = 2898 мкм·К

Формула дозволяє визначити температуру тіла, якщо відома довжина хвилі, яка відповідає максимальній випромінювальній здатності цього тіла. І навпаки, можна визначити довжину хвилі, на яку припадає максимум енергії випромінювання при даній температурі. Формула показує, що чим вища температура тіла, тим коротші хвилі, які випромінюють максимум енергії. При зміні температури тіла положення максимуму енергії випромінювання зміщується у бік довших чи коротших хвиль. Тому закон Віна ще називають законом зміщення.

Закон Планка визначає розподіл енергії в спектрі випромінювання абсолютно чорного тіла за довжинами хвиль за різних температур (мал. 3.1.)