Тема 1. Тепловое излучение. Основные характеристики теплового излучения. Законы теплового излучения: Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина. Абсолютно черное тело. Гипотеза и формула Планка.

Неравновесное излучение: Люминесценция - излучение (свечение) тел, возникающее при различных внешних воздействиях: Хемилюминесценция Фотолюминесценция Электролюминесценция Катодолюминесценция Биолюминесценция

Неравновесное излучение Хемилюминесценция – процессы излучения, сопровождающие химические превращения внутри тела (свечение гниющего дерева, свечение фосфора, медленно окисляющегося на воздухе)

Неравновесное излучение Фотолюминесценция – процессы излучения, вызванные освещением тела видимым светом или ультрафиолетовым излучением (лампы дневного света). Особый тип фотолюминесценции - фосфоресценция. В отличие от флуоресцентного, фосфоресцентное вещество излучает поглощённую энергию не сразу.

Неравновесное излучение Электролюминесценция – возбуждение свечения электрическим воздействием на излучающую систему (свечение газов или паров под действием проходящего через них электрического разряда: тлеющего, искрового, дугового) (полярное сияние, свечение рекламных трубок)

Неравновесное излучение Катодолюминесценция – свечение твердых тел (например минералов), возникающее при бомбардировке его электронами

Неравновесное излучение Биолюминесценция – видимое свечение некоторых живых организмов, являющееся результатом биохимической реакции, в которой химическая энергия возбуждает специфическую молекулу и та излучает свет.

Равновесное излучение: Равновесным состоянием системы тело- излучение является состояние, при котором распределение энергии между телом и излучением остается неизменным для каждой длины волны.

Тепловое излучение : – это испускание электромагнитных волн телами за счет их внутренней энергии. Тепловое излучение имеет место при любой температуре Т > 0 К, но при невысоких температурах излучаются практически длинные (инфракрасные) электромагнитные волны.

Основные характеристики теплового излучения Энергетическая светимость – это энергия, испускаемая в единицу времени с единицы поверхности излучающего тела во всем интервале частот по всем направлениям (в пределах телесного угла ω=2 π )

Основные характеристики теплового излучения Спектральная плотность энергетической светимости (испускательная способность) – это энергия, испускаемая в единицу времени с единицы поверхности излучающего тела в узком интервале частот от Энергетическая светимость связана с испускательной способностью формулой

Поглощательная способность – это отношение поглощенного телом потока лучистой энергии к падающему потоку этой энергии, заключенному в узком интервале частот от Основные характеристики теплового излучения

Ачт - это тело, поглощательная способность которого для всех частот и температур Сажа, черный бархат и платиновая чернь имеют поглощательную способность близкую к 1 лишь в ограниченном интервале частот. Абсолютно чёрное тело

Модель абсолютно черного тела – представляет собой почти замкнутую полость с малым отверстием. Серое тело – это тело, для которого Абсолютно белое тело – это тело, для которого Абсолютно чёрное тело

Закон Кирхгофа Кирхгоф Густав Роберт ( ) – немецкий физик, член Берлинской академии наук Закон Кирхгофа: отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела, оно является для всех тел одной и той же (универсальной) функцией частоты и температуры:

Закон Кирхгофа Чем больше испускательная способность тела, тем больше и его поглощательная способность. Это означает, что тело сильнее поглощающее какие-либо лучи будет эти лучи сильнее и испускать. Так как для абсолютно черного тела то универсальная функция Кирхгофа есть испускательная способность абсолютно черного тела

Кривые зависимости испускательной способности абсолютно черного тела от длины волны, полученные для трех значений температуры. При теоретических исследованиях удобнее пользоваться функцией частоты, в экспериментальных работах – функцией длины волны Обе функции связаны друг с другом формулой

Закон Стефана-Больцмана Стефан (1879), анализируя экспериментальные данные, пришел к выводу, что энергетическая светимость любого тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры. Больцман (1884), исходя из термодинамических соображений, получил для энергетической светимости абсолютно черного тела СТЕФАН Йозеф ( ) австрийский физик, основатель австрийской физической школы. Больцман Людвиг (1844–1906) австрийский физик-теоретик

Закон Стефана-Больцмана Закон Стефана - Больцмана: Энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры: где - постоянная Стефана-Больцмана. Внимание! К нечерным телам закон не применим.

Закон смещения Вина Вин (1893), воспользовавшись кроме термодинамики, электромагнитной теорией, показал, что функция спектрального распределения должна иметь вид или И из данного соотношения получил закон смещения. Вильгельм Карл Вин ( ) немецкий физик член-корр. Берлинской АН

Закон смещения Вина Закон Вина: Длина волны, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела, обратно пропорциональна абсолютной температуре: где - постоянная Вина.

Формула Рэлея-Джинса и понятие об «ультрафиолетовой катастрофе» Рэлей и Джинс, исходя из теоремы классической статистики о равнораспределении энергии по степеням свободы, приписали каждому электромагнитному колебанию энергию, равную kT и получили выражение для испускательной способности абсолютно черного тела, которое называют формулой Рэлея-Джинса Джон Уильям Стретт Рэлей (1842–1919), английский физик Джеймс Хопвуд Джинс (1877–1946), английский математик, физик и астроном

Формула Рэлея-Джинса и понятие об «ультрафиолетовой катастрофе» Этот результат и получил название ультрафиолетовой катастрофы Формула удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными при больших длинах волн и резко расходится с опытом для малых длин волн (ультрафиолетовая часть спектра) (см. рис.).

Гипотеза и формула Планка Гипотеза Планка: Электромагнитное излучение испускается телами не непрерывно, а в виде отдельных порций энергии (квантов), величина которых где - постоянная Планка, а - постоянная Планка с чертой Макс Карл Эрнст Людвиг Планк ( ), немецкий физик

Гипотеза и формула Планка

Продолжение вывода формулы Планка: Под знаком логарифма стоит сумма членов бесконечной геометрической прогрессии, прогрессия будет убывающей по известной из алгебры формуле Подставив это значение суммы и выполнив дифференцирование, получим При формула переходит в классическое выражение

Гипотеза и формула Планка Продолжение вывода формулы Планка: Воспользовавшись формулой Рэлея- Джинса, получим выражение, которое носит название формулы Планка Осуществив преобразование, получим

Связь формулы Планка с классическими законами теплового излучения 1) При, (область малых частот) формула Планка переходит в формулу Рэлея- Джинса 2) При, (область высоких частот) формула Планка переходит в формулу Вина

Связь формулы Планка с классическими законами теплового излучения 3) Для энергетической светимости абсолютно черного тела: формула Планка приводит к закону Стефана- Больцмана Здесь - постоянная Стефана-Больцмана

Связь формулы Планка с классическими законами теплового излучения 4) Исследование формулы Планка на экстремум приводит к трансцендентному уравнению решение которого дает откуда получаем закон смещения Вина Таким образом, формула Планка приводит к закону смещения Вина

Понятие об оптической пирометрии ???