Характеристики теплового излучения

Интенсивность теплового излучения характеризуется величиной потока энергии W, измеряемой в ваттах, то есть это энергия в единицу времени- мощность. Поток энергии, испускаемый единицей поверхности излучающего тела по всем направлениям во всем интервале длин волн (частот), 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.

Абсолютно черных тел (АЧТ) в природе не существует. Это физическая идеализация, применяемая в термодинамике. Несмотря на то, что оно ничего не отражает, оно может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения АЧТ определяется только его температурой.

Устройство, приближающееся по своим свойствам к абсолютно черному телу, представляет собой почти замкнутую полость, снабженную малым отверстием. 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.

Закон Кирхгофа.

Тепловое равновесие имеет динамический характер, т.е. при одинаковых температурах тел излучение и поглощение энергии происходит так, что в единицу времени тело столько же излучает тепла, сколько оно его поглощает. Очевидно, 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 к поглощательной способности 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 . Определение вида данной функции явилось основной задачей в теории теплового излучения.