Характеристики теплового излучения.

Интенсивность теплового излучения характеризуется величиной потока энергии Ф, измеряемой в ваттах.

Поток энергии, испускаемый единицей поверхности излучающего тела за единицу времени по всем направлениям, называется энергетической светимостью

 

(1.1)

где S – площадь излучающей поверхности.

Энергетическая светимость является функцией температуры. Обозначим поток энергии, испускаемый единицей поверхности тела в интервале частот (ω,ω+dω), через dR. При малом интервале dω поток dR, будет пропорционален dω:

dR _ω,T = r_ω,T dω (1.2)

Величина r_ω,T называется испускательной способностью тела (спектральной плотностью энергетической светимости). Испускательная способность – это поток энергии, излучаемый с единицы площади в единичном интервале частот. Она является функцией температуры и частоты. Энергетическая светимость связана с испускательной способностью формулой

(1.3)

Поглощательной способностью (или коэффициентом поглощения) тела называется отношение поглощенного телом потока энергии Ф’ к падающему Ф. Поглощательная способность есть функция частоты и температуры

.

Для всех тел безразмерная величина а_ω,Т < 1. Если тело полностью поглощает падающее на него излучение всех частот, то оно называется абсолютно черным и

а_ω,Т = 1.

 

Закон Кирхгофа.

Между испускательной и поглощательной способностями любого тела существует связь.

При одинаковых температурах тел, находящихся в состоянии теплового равновесия, происходит, конечно, излучение и поглощение энергии, но так, что в единицу времени тело столько же излучает тепла, сколько оно его поглощает. Отсюда ясно, что если два тела обладают различной способностью к поглощению, то их способность к испусканию также неодинакова.

В 1859 г. Кирхгоф сформулировал это утверждение в виде строго количественного закона, играющего важную роль во всех вопросах теплового излучения: отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела, оно является для всех тел одной и той же (универсальной) функцией частоты (длины волны) и температуры:

(1.4)

Сами величины а_ω,Т и r_ω,Т для различных тел могут сильно отличаться. Отношение же их оказывается одинаковым для всех тел.

Для абсолютно черного тела поглощательная способность равна единице. Следовательно, универсальная функция Кирхгофа имеет смысл испускательной способности абсолютно черного тела .

Абсолютно черных тел в природе не существует. Устройство, приближающееся по своим свойствам к абсолютно черному телу, представляет собой почти замкнутую полость, снабженную малым отверстием (рисунок). Излучение, проникающее внутрь через отверстие, прежде чем выйти обратно из отверстия, претерпевает многократные отражения. При этом лучистая энергия частично поглощается, рассеивается, отражается вновь и т.д., пока не поглотится почти что полностью. Если стенки полости поддерживать при постоянной температуре, то из отверстия выходит излучение, весьма близкое по спектральному составу к излучению абсолютно черного тела при той же температуре.

Сажа или платиновая чернь имеют поглощательную способность, близкую к единице, лишь в ограниченном интервале частот – в далекой инфракрасной области их поглощательная способность заметно меньше единицы. Следует отметить, что высокие поглощающие свойства этих материалов отчасти объясняются их пористостью, особенно для сажи. Свет, попавший на нее, испытывает несколько отражений, прежде чем получает возможность выйти из толщи материала. При каждом отражении часть энергии поглощается, и чем большее число раз отразится свет, тем больше поглотится энергии и тем больше, следовательно, поглощательная способность материала.

Закон Кирхгофа ставит в центр внимания теории теплового излучения функцию , представляющую собой испускательную способность абсолютно черного тела. Определение вида данной функции явилось основной задачей в этой области физики. Решение было получено не сразу.