Краткая Теория. Цель работы: Изучить основные закономерности теплового излучения

ЛАБОРАТОРИЯ АТОМНОЙ ФИЗИКИ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ

ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Талдыкорган

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ

ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Цель работы: Изучить основные закономерности теплового излучения.

Построить кривые излучения нагретой нихромовой спирали,

проверить выполнение закона смещения Вина и закона

Стефана-Больцмана.

Необходимые приборы: Лабораторная установка.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Тепловое излучение является по своей природе электромагнитным и возникает в результате изменения энергетических состояний атомов и ионов, входящих в состав излучающего тела. Термин тепловое излучение, возник в связи с тем, что испускание энергии происходит при нагревании тела или среды. Человеком тепловое излучение воспринимается как тепло или свет.

Область спектра электромагнитных волн, соответствующую тепловому излучению, принято разделять на следующие спектральные диапазоны: ультрафиолетовый видимый и три инфракрасных: ближний средний и дальний

Излучение в ультрафиолетовом, видимом и ближнем ИК - диапазонах обусловлено квантовыми переходами внешних электронов атомов. Излучение в средневолновом и длинноволновом ИК - диапазонах связано вращательными и колебательными переходами в молекулах, переходами в кристаллической решетке и другими видами квантовых переходов. При этом вращательные переходы могут происходить одновременно с колебательными, в результате чего излучаются колебательно-вращательные полосы, состоящие из совокупности вращательных линий, принадлежащих к одному и тому же колебательному переходу.

Характер теплового излучения зависит не только от типа квантовых переходов, но также и от агрегатного состояния вещества. Если спектр излучения нагретых газов является дискретным, т.е. состоящим из отдельных линий, о непрозрачные твердые тела имеют сплошной спектр излучения. Такое резкое различие объясняется тем, что при переходе от газовой среды к конденсированному состоянию происходит усиление межмолекулярного взаимодействия, которое приводит к уширению спектральных линий и их взаимному перекрытию. В результате спектр излучения твердых тел становится сплошным.

Основной особенностью теплового излучения является его равновесный характер. Так как источником теплового излучения является внутренняя энергия тел, то ее постоянство, т.е. постоянство температуры нагретого тела, можно поддерживать двумя способами:

1) за счет поглощения излучающим телом теплового излучения из окружающего пространства;

2) в результате непосредственной передачи энергии телу при механическом контакте с более нагретыми телами.

Если температура излучающего тела поддерживается постоянной первым способом, то говорят, что тело находится в состоянии термодинамического равновесия с окружающей средой. Законы теплового излучения строго справедливы именно для такого равновесия.

Фундаментальным понятием при рассмотрении теплового излучения твердых тел является понятие об абсолютном черном теле (АЧТ). Абсолютно черным называется тело, поглощающее все падающее на него излучение любых длин волн. Соответственно, при данной температуре АЧТ излучает максимально возможное (предельное) количество энергии. В природе таких источников не существует. Любой тепловой излучатель испускает в единицу времени с единичной площадки при любой заданной температуре в любом спектральном интервале меньшее количество энергии, чем АЧТ при тех же условиях. Однако, возможно построение источников теплового излучения, весьма близких по своим излучательным характеристикам к характеристикам АЧТ. Простейшей моделью АЧТ может служить замкнутая полость с непроницаемыми стенками и малым выходным отверстием.

Выдвинутая в начале ХХ века М. Планком гипотеза квантования энергии электромагнитных волн позволила ему открыть фундаментальный закон распределения спектральной плотности излучения АЧТ:

(1)

здесь, - спектральная плотность излучения,

- длина волны, ;

- постоянная Планка ;

- абсолютная температура, К;

;

;

- постоянная Больцмана

Величина называется также монохроматической испускательной способностью и зависит от длины волны и абсолютной температуры излучающего тела. Изотермы спектральной плотности излучения АЧТ в диапазоне температур от до изображены на рис.1. Они представляют собой плавные кривые с одним максимумом, спадающие до нуля при стремлении или к или бесконечности.

Анализ уравнения (1) и рис. 1. приводит к следующим выводам.

Во-первых, испускательная способность быстро увеличивается с ростом температуры. Выражение для полного лучистого потока, пропорционального площади, ограниченной осью абсцисс и соответствующей изотермой, можно получить, проинтегрировав закон Планка (1):

(2)

Соотношение (2) называется законом Стефана-Больцмана, а величина - постоянной Стефана-Больцмана (). Таким образом, величина , называемая также энергетической светимостью, для АЧТ увеличивается пропорционально четвертой степени температуры.

Во-вторых, распределение монохроматической испускательной способности по длинам волн неравномерно, и для некоторых длин волн, однозначно связанной с температурой тела, имеет максимум:

(3),

где Соотношение (3), называемое формулой Вина, получено в результате исследования закона Планка (1) на экстремум.

В-третьих, максимум монохроматической испускательной способности с увеличением температуры смещается в сторону более коротких длин волн. Продифференцировав соотношение (1) по времени, получим закон смещения Вина:

(4)

где, - длина волны, на которой наблюдается максимум распределения

спектральной плотности излучения, .

Пунктирная кривая на рис. 2. является геометрическим местом максимумов, смещающихся с увеличением температуры в сторону коротких длин волн.

Закон Планка (1) наиболее полно описывает процесс излучения абсолютно черного тела. Все другие законы теплового излучения (2 - 4) могут быть получены из него.

Энергетическая светимость реальных тел как отмечалось выше, всегда меньше энергетической светимости абсолютно черного тела при той же температуре. Отношение

(5)

называется коэффициентом излучения тела (или степенью черноты). Уравнение (5) является одной из форм закона Кирхгофа. Коэффициент излучения зависит от вида материала, обработки его поверхности и может изменяться с изменением длины волны излучения и температуры. Поэтому более общим выражением для является соотношение:

(6)

где, - спектральный коэффициент излучения. По характеру изменения все источники теплового излучения могут быть разделены на три типа:

1. Абсолютно черное тело (полный излучатель): .

2. Серые тела: .

3. Селективные излучатели, для которых меняется с длиной волны.