Тепловое излучение. Явление люминесценции

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Между всеми телами природы идёт бесконечный процесс обмена энергией. Это явление может иметь разные формы, но для тел, которые непосредственно не контактируют, перенос энергии происходит главным образом в виде электромагнитных волн. Тела непрерывно излучают и поглощают энергию. Как известно, электромагнитное излучение возникает в атоме при его переходе из более высокого энергетического состояния на более низкое. Понятно, что для создания предпосылок к такому переходу необходимо сначала перевести атом в возбуждённое состояние, т.е. передать ему некоторое определённое количество энергии. Если возбуждение атомов происходит в результате их столкновения с другими атомами этого же тела в процессе теплового движения, то возникающее при этом электромагнитное излучение называется тепловым.

Тепловое излучение имеет место при любой температуре. При этом независимо от температуры тело испускает все без исключения длины волн, т.е. спектр теплового излучения является сплошным и простирается от нуля до бесконечности. Однако, чем выше температура, тем более коротковолновое излучение является основным в спектре излучения. Процесс испускания электромагнитных волн телом происходит одновременно и независимо с их поглощением.

Данный механизм энергообмена носит равновесный характер. Это значит, что при неизменных внешних условиях между количеством испущенной и поглощённой энергии всегда устанавливается динамическое равновесие. И после того как это произошло, температура тела больше не меняется

Дадим определение некоторым величинам, которые характеризуют тепловое излучение.

Поток энергии (поток излучения) Ф – полное количество энергии, которое переносит электромагнитное излучение через какую-либо поверхность за единицу времени.

; [Ф]=Дж/с=Вт. (1)

Энергетическая светимость тела R – полное количество энергии, излучаемое телом во всём диапазоне длин волн за единицу

времени с единицы площади:

; [R]=Вт/м² при Т = const. (2)

Обозначим поток энергии, испускаемый единицей поверхности тела в интервале длин волн dλ через dR_λ. При малой величине интервала dλ будет справедливо соотношение (при T = const):

. (3)

Коэффициент пропорциональности r_λ называется испускательной способностью тела или спектральной плотностью энергетической светимости тела:

; [r_λ]=Вт/м³. (4)

Опыт показывает, что численное значение r_λ зависит от температуры светящегося тела и длины волны излучения, т.е. r_λ = f(T,λ).

Проинтегрировав выражение (4) по всему интервалу длин волн, испускаемых телом, получим значение энергетической светимости R при T = const:

. (5)

Способность тел поглощать энергию теплового излучения характеризуется коэффициентом поглощения α. Этот интегральный параметр равен отношению потока излучения (Ф), поглощенного телом, к величине потока излучения (Ф₀) падающего на тело:

. (6)

Обозначим поток излучения, падающий на тело в интервале длин волн dλ, через dФ_0,λ, а поток излучения в этом же интервале, поглощённого телом, через dФ_λ. Безразмерная величина

(7)

называется поглощательной способностью тела или монохроматическим коэффициентом поглощения (T = const).

Коэффициент α_λ принимает разные значения при разных температурах и зависит от интервала длин волн, для которого определяется, т.е. α_λ = f(T,λ). Понятно, что поглощательная способность тел принимает все значения от 0 до 1: 0≤ α_λ ≤1.

Тело, которое полностью поглощает энергию во всём диапазоне длин волн, т.е. для которого α = 1, называется абсолютно чёрным (чёрным). В природе таких тел нет, это понятие является физической абстракцией. Однако, для некоторых тел значение α близко к единице (сажа – α = 0,95). Тела, для которых α < 1, называются серыми, если α_λ для всех длин волн имеет одно и то же значение. Как выясняется, и серых тел в природе не существует, т.к.: .

 

Закона Кирхгофа

 

Как установил Кирхгоф, независимо от природы вещества при T = const между испускательной и поглощательной способностью тел существует количественная связь:

, (8)

где ε_λ – испускательная способность чёрного тела при той же температуре.

Следствия из закона Кирхгофа:

1) ;

2) r_λ,T<ε_λ,T;

3) если тело не испускает каких-то длин волн, то оно и не поглощает:

, т.к. ε_λ,T≠0, то, если r_λ,T=0, то и α_λ,T=0.

Таким образом, закон Кирхгофа позволяет изучать процессы излучения и поглощения реальных тел:

и . (9)

Основной вопрос, который при этом необходимо решить, состоит в отыскании вида функции:

. (10)

На рис.1 представлена экспериментальная зависимость ε_λ = f(λ) для разных температур. Площадь под каждой из этих кривых представляет энергетическую светимость абсолютно чёрного тела для данной температуры:

. (11)

Долгое время не могли получить аналитическое выражение, описывающее такой ход зависимости . Эта задача была решена в 1900 году М. Планком.

Исходя из представлений, что излучение и полощение электромагнитных волн происходит не непрерывно, а дискретно, т.е. отдельными порциями (квантами) с энергией . Он получил для ε_λ,T:

, или для , (12)

что соответствовало опытным данным. Здесь h = 6,62·10^-34Дж·с – постоянная Планка; c =3·10⁸ м/с – скорость света; k =1,38·10^-23 Дж/K – постоянная Больцмана.