Основы теории. При тепловом излучении энергия теплового движения атомов переходит в энергию испускаемых телом электромагнитных волн

При тепловом излучении энергия теплового движения атомов переходит в энергию испускаемых телом электромагнитных волн. Тела излучают при любых температурах, отличных от нуля (по шкале Кельвина).

Излучение, находящееся в некоторой замкнутой области пространства в термодинамическом равновесии с имеющимися в этой области телами, называется равновесным. Поскольку излучение представляет собой вид материи, то, как и всякое тело, оно, находясь в равновесии и другими телами, принимает их температуру. Эта мысль была высказана русским физиком Б.Б. Голицыным в 1893 г.

Если количество лучистой энергии, характеризуемое длиной волны , падает из вакуума на тело, имеющее температуру , то из всего количества энергии некоторая часть поглощается телом, часть отражается или рассеивается, а часть проходит через тело, так что по закону сохранения энергии

. (1)

Разделив в этом уравнении почленно левую и правую части на , получим

. (2)

Первое слагаемое в равенстве (2) называется поглощательной способностью, или коэффициентом поглощения. Второе - отражательной способностью, или коэффициентом отражения. Третье - пропускательной способностью, или коэффициентом прозрачности. В таком случае

. (3)

Тела, поглощающие все падающее на них излучение любой длины волны (), называются абсолютно черными. В природе нет тел с такими абсолютными свойствами, однако некоторые тела можно, хоть и приближенно, считать абсолютно черными. Так, например, сажа является почти черным телом (), у платиновой черни коэффициент поглощения еще ближе к единице.

Для экспериментальных целей весьма просто получить излучение, близкое по свойствам к излучению абсолютно черного тела, просверлив отверстие в любом твердом теле. Если глубина этого отверстия составляет несколько его диаметров, то излучение из отверстия практически представляет собой излучение абсолютно черного тела.

Одной из важнейших проблем оптики было теоретическое объяснение закономерностей теплового излучения, то есть излучения нагретых тел или излучения абсолютно черного тела. Некоторые из этих закономерностей были получены из чисто термодинамического рассмотрения свойств излучения. В применении к тепловому излучению установлены следующие законы:

1. Закон Кирхгофа: отношение лучеиспускательной способности к лучепоглощательной способности при данной температуре не зависит от физических свойств тела и равно лучеиспускательной способности абсолютно черного тела.

. (4)

2. Закон Стефана–Больцмана: интегральная лучеиспускательная способность абсолютно черного тела, т.е. энергия, испускаемая за одну секунду единицей поверхности тела, определяется соотношением

, (5)

где - постоянная Стефана–Больцмана, - абсолютная температура излучающего тела.

3. Закон смещения Вина: с увеличением температуры абсолютно черного тела максимум энергии в спектре его излучения смещается в сторону коротких длин волн

, (6)

где b = 0,002897 м×К является постоянной величиной.

На основе законов теплового излучения можно с помощью оптического пирометра измерять температуру нагретых тел.