Испускание и поглощение света. Тепловое излучение

    Тела, нагретые, начинают светиться. Чем выше температура тела, тем интенсивнее и богаче становится спектральный состав излучения. С понижением температуры уменьшается интенсивность излучения и изменяется его спектральный состав: в свечении начинает преобладать красное излучение. При дальнейшем охлаждении свечение не прекращается, тела испускают невидимые инфракрасное излучение. Электромагнитное излучение за счет только внутренней энергии тела и зависящее только от температуры называется тепловым излучением. Если в процессе излучения внутренняя энергия тела, затрачиваемая на излучение, не восполняется, температура тела понижается.

    Тепловое излучение является единственным излучением, способным находиться в равновесии с излучающим веществом. Если в теплоизолированную полость с абсолютно отражающими стенками поместить нагретое тело, то тело вначале охлаждается из-за потери внутренней энергии на излучение. Одновременно тело начнет и поглощать энергию из поля излучения и за счет поглощенной энергии нагреваться. Однако с увеличением плотности энергии в поле излучения наступит такое состояние, когда энергия, теряемая телом на излучение за данный промежуток времени, сравняется с энергией, поглощаемой им за тот же промежуток времени. Между телом и полем излучения наступит равновесие подобное равновесию между жидкостью и ее насыщенным паром в герметичном сосуде.

  Поток энергии, испускаемой единицей поверхности излучающего тела по всем направлениям, называется энергетической светимостью или интегральной интенсивностью R. Излучение состоит из волн различных частот или длин волн и ее интенсивность не одинакова для всех частот (или длин волн). Поэтому для характеристики спектрального состава излучения вводится понятие испускательной способности или спектральной плотности, определяемой, как энергия, приходящаяся на единичный интервал частот (или длин волн) в  интервале частот  (или длин волн ):        

, или                                     (33)

    Спектральной характеристикой поглощения является коэффициент поглощения

или  ,                                   (34)

определямый как энергия, поглощаемая в единичном интервале частот (или длин волн), находящемся в интервале частот  (или длин волн ).    

    Тело, которое поглощает все падающее на него электромагнитное излучение всех частот (или длин волн) называвется абсолютно черным телом. Коэффициент поглощения абсолютно черного тела равен единице. Излучательная способность абсолютно черного тела зависит только от частоты (или длины волны) и температуры.

Все реальные тела не являются абсолютно черными. Однако некоторые из них в определенных интервалах частот приближаются к абсолютно черному телу (сажа, платиновая чернь, черный бархат). Наиболее хорошей моделью абсолютно черного тела можно считать небольшое отверстие в замкнутой полости. Луч, попадая в полость через отверстие, практически не выйдет из полости, полностью поглотится при многократных отражениях от стенок полости (рис.39).

Рис.39

    Испускательная и поглощательная способности тел взаимосвязаны. Пусть в некоторой теплоизолированной полости с абсолютно отражающими стенками находится несколько различных тел с различными испускательными и поглощательными способностями (рис.40).

Рис.40

 Если начальные температуры тел различны, то спустя некоторое время, благодаря обмену энергией посредством излучения тела придут в тепловое равновесие как с полем излучения, так и между собой. Температуры тел станут одинаковыми и неизменными во времени. Тем не менее тела, у которых больше испускательная способность, охлаждаются сильнее, испуская большее количество энергии за единицу времени. Однако тепловое равновесие между телами не должно нарушаться. Для этого необходимо, чтобы те тела, которые испускают больше энергии, должны ее больше и поглощать.  Другими словами, чем больше испускательная способность тел, тем больше их поглощательная способность. Это условие может быть выражено математическим соотношением

,

где индексы 1,2,…, n относятся к разным телам. Это условие Кирхгоф сформулировал как закон: отношение испускательной способности и поглощательной способности тел не зависит от природы тела, оно для всех тел одинаково и является функцией частоты (или длины волны) и температуры

.                            (35)

Функция называется функцией Кирхгофа Если среди перечисленных тел какое-либо тело, например, второе является абсолютно черным, то. испускательная способность этого тела станет равной функции Кирхгофа . Значит, функция Кирхгофа это испускательная способность абсолютно черного тела.

Широко используется понятие серого тела. Серым называется тело, коэффициент поглощения которого одинаков для всех частот и зависит только от температуры, материала и состояния поверхности.  Энергетическая светимость серого тела связана с энергетической светимостью абсолютно черного тела

,

где R _c, R _ч – энергетические светимости серого и абсолютно черного тела, а ^с –коэффициент черноты.

Испускательная способность абсолютно черного тела и объемная плотность энергии излучения  связаны соотношением

.                                        (36)