Элементы теории

К электромагнитным волнам относятся гамма-излучение, рентгеновское излучение, оптический диапазон длин волн, радиоволны.

Весь спектр электромагнитных волн представлен на рис. 1.

Шкала электромагнитных волн

Видимый свет

400 500 600 700 нм

Рис.1

Тепловое излучение является по своей природе электромагнитным, т.е. содержащий электромагнитные волны всевозможных частот при любой температуре и возникает в результате изменения энергетических состояний атомов, молекул и ионов, входящих в состав излучающего тела.

Тепловое излучение обуславливается колебаниями электрических зарядов, входящих в состав вещества, т.е. электронов и ионов. Вследствие значительной массы колеблющихся ионов при их колебании излучается длинноволновое электромагнитное излучение, соответствующее инфракрасному диапазону длин волн. Движение электронов, входящих в состав атомов или молекул, инициирует более коротковолновое излучение, соответствующее видимому и ультрафиолетовому излучениям. Излучение тела сопровождается потерей энергии. Для того чтобы обеспечить длительное излучение энергии, совершаемое за счет энергии теплового движения заряженных частиц вещества, необходимо пополнять убыль внутренней энергии, сообщая телу соответствующее количество теплоты. В состоянии равновесия тело излучает столько энергии, сколько поглощает ее. Тепловое излучение, как наиболее распространенный вид электромагнитного излучения в природе, является равновесным излучением. В состоянии термодинамического равновесия тело поглощает в единицу времени столько же энергии, сколько и излучает. Если оно начнет излучать в единицу времени больше энергии, чем получает ее, то температура тела начнет понижаться и уменьшится количество излучаемой телом энергии до уровня, когда, наконец, не установится равновесие. Такое равновесное состояние устойчиво, т.е. при нарушении его, равновесное состояние вновь установится.

Способность теплового излучения находиться в равновесии с излучающим телом отличает тепловое излучение от других видов излучения тел.

Равновесному излучению можно приписать температуру тела, с которым оно находится в равновесии, распространив при этом законы равновесной термодинамики на тепловое излучение. Это означает, что для равновесного теплового излучения можно определить и рассчитать внутреннюю энергию, давление, энтропию и другие термодинамические характеристики, которые не будут изменяться со временем.

Равновесное тепловое излучение однородно, то есть его плотность энергии одинакова во всех точках внутри полости, где оно заключено. Такое излучение изотропно и неполяризовано, т. е. оно содержит все возможные направления распространения и направления колебаний векторов и .

Все другие виды излучения тел являются неравновесными и называются люминесценцией.

Область спектра электромагнитных волн, соответствующую тепловому излучению, принято разделять на следующие спектральные диапазоны: ультрафиоле­товый (0,2 – 0,4 мкм), видимый (0,4 – 0,72 мкм) и три инфракрасных – ближний (0,72 – 2,5 мкм), средний (2,5 – 25 мкм) и дальний (25 – 1000 мкм). Спектр электромагнитного излучения в тепловой области изображен на рис. 1а.

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.

Рис. 1а

Тепловое излучение содержит электромагнитные волны всевозможных частот, однако при низких температурах тела излучают преимущественно волны инфракрасного диапазона. Поскольку тепловое излучение является равновесным, то для описания его свойств можно использовать законы термодинамики.

Если окружить излучающее тело (или несколько тел) оболочкой с идеально отражающей поверхностью (рис 2), удалив из оболочки воздух, то между телом (телами) и заполняющим оболочку излучением будет происходить непрерывный обме

Рис. 2

Если распределение энергии между телами и излучением остается неизменным для каждой длины волны, состояние системы тел и излучения будет равновесным, т.е. все тела будут иметь температуру T, равную температуре оболочки.

Фундаментальным понятием при рассмотрении теплового излучения твердых тел является понятие об абсолютно черном теле (АЧТ). Абсолютно черным называется тело, поглощающее все падающие на него излучения любых длин волн. Соответственно, при данной температуре АЧТ излучает максимально возможное (предельное) количество энергии. В природе таких источников не существует. Каждый тепловой излучатель испускает в единицу времени с единичной площадки при 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 (рис. 3).

Рис. 3

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

. (1)

Здесь R (λ, T) – спектральная плотность излучения, т.е. мощность излучения с единицы площади поверхности тела в единичном интервале длин волн; λ – длина волны, м; h – постоянная Планка (h = 6,626∙10^-34 Дж∙с); T – абсолютная температура, K; c – скорость света (c = 2,998∙10⁸ м/с); k – постоянная Больцмана (k = 1,380∙10^-23 Дж/К).

Величина R (λ,T) называется также монохроматической излучательной способностью и зависит от длины волны и абсолютной температуры излучающего тела. Зависимости спектральной плотности излучения АЧТ от длины волны, выраженной мкм, в диапазоне температур от 750 К до 2000 К изображены на рис.4. Из рисунка видно, что значения длин волн λ _max, соответствующие максимальной излучательной способности тела при увеличении его температуры, смещаются в сторону более коротких длин волн. Эти зависимости представляют собой плавные кривые с одним максимумом и спадают до нуля при стремлении λ к 0 и к бесконечности.

Рис. 4. Зависимости спектральной плотности излучения абсолютно

черного тела для нескольких температур от длины волны λ (в мкм).

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

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

(2)

является безразмерной физической величиной и называется коэффициентом излучения тела (или степенью черноты). Коэффициент излучения зависит от вида материала, обработки его поверхности и может изменяться с изменением длины волны излучения и температуры. Поэтому более общим выражением для εявляется соотношение

, (3)

где ε (λ) – спектральный коэффициент излучения. По характеру изменения ε (λ) все источники теплового излучения могут быть разделены на три типа:

1. Абсолютно черное тело (полный излучатель), ε (λ) = ε = 1;

2. Серые тела, ε (λ) = < 1;

3. Селективные излучатели, для которых ε (λ) меняется с длиной волны.