Определить максимальную спектральную плотность энергетической светимости. Тепловое излучение. Энергетическая светимость. Спектральная плотность светимости. Абсолютно чёрное тело. Закон Кирхгофа. Закон Стефана-Больцмана

Спектральная плотность энергетической светимости (яркости) - это функция, показывающая распределение энергетической светимости (яркости) по спектру излучения.
Имея ввиду, что:
Энергетическая светимость - это поверхностная плотность потока энергии, излучаемой поверхностью
Энергетическая яркость - это величина потока, излучаемого единицей площади в единицу телесного угла в данном направлении

Абсолютно чёрное тело - физическая идеализация, применяемая в термодинамике, тело, поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее. Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только его температурой.

Абсолютно черное тело

Абсолютно черное тело - это физическая абстракция (модель), под которой понимают тело, полностью поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение

Для абсолютно черного тела

Серое тело

Серое тело - это такое тело, коэффициент поглощения которого не зависит от частоты, а зависит только от температуры

- для серого тела

Закон кирхгофа для теплового излучения

Отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел при данной температуре для данной частоты и не зависит от их формы и химической природы.

Температурная зависимость спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела

зависимости спектральной плотности энергии излучения L (Т) черного тела от температуры Т в микроволновом диапазоне излучения, устанавливается для диапазона температур от 6300 до 100000 К.

Закон смещения Вина даёт зависимость длины волны, на которой поток излучения энергии чёрного тела достигает своего максимума, от температуры чёрного тела.

B=2,90* м*К

Закон Стефана-Больцмана

Формула рэлея-джинса

формула планка

постоянная планка

Фотоэффе́кт - это испускание электронов веществом под действием света (и, вообще говоря, любого электромагнитного излучения). В конденсированных веществах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект.

Законы фотоэффекта :

Формулировка 1-го закона фотоэффекта : количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за единицу времени на данной частоте, прямо пропорционально световому потоку, освещающему металл .

Согласно 2-му закону фотоэффекта , максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности .

3-ий закон фотоэффекта : для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света (или максимальная длина волны λ 0), при которой ещё возможен фотоэффект, и если , то фотоэффект уже не происходит .

Фото́н - элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле -света). Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю.

Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта

Фотоэлемент - электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века.

энергия масса и импульс фотона

Давление света - это давление, которое производят электромагнитные световые волны, падающие на поверхность какого-либо тела.

Давление р, оказываемое волной на поверхность металла можно было рассчитать, как отношение равнодействующей сил Лоренца, действующих на свободные электроны в поверхностном слое металла, к площади поверхности металла:

Квантовая теория света объясняетдавление света как результат передачи фотонами своего импульса атомам или молекулам вещества.

Эффект Комптона (Комптон-эффект) - явление изменения длины волны электромагнитного излучения вследствие упругого рассеивания его электронами

Комптоновская длина волны

Гипотеза де Бройля заключается в том, что французский физик Луи де Бройль выдвинул идею приписать волновые свойства электрону. Проводя аналогию между квантом, де Бройль предположил, что движение электрона или какой-либо другой частицы, обладающей массой покоя, связано с волновым процессом.

Гипотеза де Бройля устанавливает, что движущейся частице, обладающей энергией E и импульсом p, соответствует волновой процесс, частота которого равна:

а длина волны:

где p - импульс движущейся частицы.

Опыт Дэвиссона-Джермера - физический эксперимент по дифракции электронов, проведённый в 1927 г. американскими учёными Клинтоном Дэвиссоном и Лестером Джермером.

Проводилось исследование отражения электронов от монокристалла никеля. Установка включала в себя монокристалл никеля, сошлифованный под углом и установленный на держателе. На плоскость шлифа направлялся перпендикулярно пучок монохроматических электронов. Скорость электронов определялась напряжением на электронной пушке:

Под углом к падающему пучку электронов устанавливался цилиндр Фарадея, соединённый с чувствительным гальванометром. По показаниям гальванометра определялась интенсивность отражённого от кристалла электронного пучка. Вся установка находилась в вакууме.

В опытах измерялась интенсивность рассеянного кристаллом электронного пучка в зависимости от угла рассеяния от азимутального угла , от скорости электронов в пучке.

Опыты показали, что имеется ярко выраженная селективность (выборочность) рассеяния электронов. При различных значениях углов и скоростей, в отражённых лучах наблюдаются максимумы и минимумы интенсивности. Условие максимума:

Здесь - межплоскостное расстояние.

Таким образом наблюдалась дифракция электронов на кристаллической решётке монокристала. Опыт явился блестящим подтверждением существования у микрочастиц волновых свойств.

Волнова́я фу́нкция , или пси-функция - комплекснозначная функция, используемая в квантовой механике для описания чистого состояния системы. Является коэффициентом разложения вектора состояния по базису (обычно координатному):

где - координатный базисный вектор, а - волновая функция в координатном представлении.

Физический смысл волновой функции заключается в том, что согласно копенгагенской интерпретации квантовой механики плотность вероятностинахождения частицы в данной точке пространства в данный момент времени считается равной квадрату абсолютного значения волновой функции этого состояния в координатном представлении.

Принцип неопределённости Гейзенбе́рга (или Га́йзенберга ) в квантовой механике - фундаментальное неравенство (соотношение неопределённостей), устанавливающее предел точности одновременного определения пары характеризующих квантовую систему физических наблюдаемых (см. физическая величина), описываемых некоммутирующими операторами (например, координаты и импульса, тока и напряжения, электрического и магнитного поля). Соотношение неопределенностей [* 1] задаёт нижний предел для произведения среднеквадратичных отклонений пары квантовых наблюдаемых. Принцип неопределённости, открытый Вернером Гейзенбергом в 1927 г., является одним из краеугольных камней квантовой механики.

Определение Если имеется несколько (много) идентичных копий системы в данном состоянии, то измеренные значения координаты и импульса будут подчиняться определённому распределению вероятности - это фундаментальный постулат квантовой механики. Измеряя величину среднеквадратического отклонения координаты и среднеквадратического отклонения импульса, мы найдем что:

Уравнение шредингера

Потенциа́льная я́ма – область пространства, где присутствует локальный минимум потенциальной энергии частицы.

Тунне́льный эффект , туннели́рование - преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера. Туннельный эффект - явление исключительно квантовой природы, невозможное и даже полностью противоречащее классической механике. Аналогом туннельного эффекта в волновой оптике может служить проникновение световой волны внутрь отражающей среды (на расстояния порядка длины световой волны) в условиях, когда, с точки зрения геометрической оптики, происходит полное внутреннее отражение. Явление туннелирования лежит в основе многих важных процессов в атомной и молекулярной физике, в физике атомного ядра, твёрдого тела и т. д.

Гармонический осциллятор в квантовой механике представляет собой квантовый аналог простого гармонического осциллятора, при этом рассматривают не силы, действующие на частицу, а гамильтониан, то есть полную энергию гармонического осциллятора, причём потенциальная энергия предполагается квадратично зависящей от координат. Учёт следующих слагаемых в разложении потенциальной энергии по координате ведёт к понятию ангармонического осциллятора.

Изучение строения атомов показало, что атомы состоят из положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масс. ч атома, и движущихся вокруг ядра отрицательно заряженных электронов.

Планетарная модель атома Бора-Резерфорда . В 1911 году Эрнест Резерфорд, проделав ряд экспериментов, пришёл к выводу, что атом представляет собой подобие планетной системы, в которой электроны движутся по орбитам вокруг расположенного в центре атома тяжёлого положительно заряженного ядра («модель атома Резерфорда»). Однако такое описание атома вошло в противоречие с классической электродинамикой. Дело в том, что, согласно классической электродинамике, электрон при движении с центростремительным ускорением должен излучать электромагнитные волны, а, следовательно, терять энергию. Расчёты показывали, что время, за которое электрон в таком атоме упадёт на ядро, совершенно ничтожно. Для объяснения стабильности атомов Нильсу Бору пришлось ввести постулаты, которые сводились к тому, что электрон в атоме, находясь в некоторых специальных энергетических состояниях, не излучает энергию («модель атома Бора-Резерфорда»). Постулаты Бора показали, что для описания атома классическая механика неприменима. Дальнейшее изучение излучения атома привело к созданию квантовой механики, которая позволила объяснить подавляющее большинство наблюдаемых фактов.

Спектры излучения атомов обычно получаются при высокой температуре источника света (плазма, дуга или искра), при которой происходит испарение вещества, расщепление его молекул на отдельные атомы и возбуждение атомов к свечению. Атомный анализ может быть как эмиссионным - исследование спектров излучения, так и абсорбционным - исследование спектров поглощения.
Спектр излучения атома представляет собой набор спектральных линий. Спектральная линия появляется в результате монохроматического светового излучения при переходе электрона с одного допускаемого постулатом Бора электронного подуровня на другой подуровень разных уровней. Это излучение характеризуется длиной волны К, частотой v или волновым числом со.
Спектр излучения атома представляет собой набор спектральных линий. Спектральная линия появляется в результате монохроматического светового излучения при переходе электрона с одного допускаемого постулатом Бора электронного подуровня на другой подуровень разных уровней.

Бо́ровская моде́ль а́тома (Моде́ль Бо́ра) - полуклассическая модель атома, предложенная Нильсом Бором в 1913 г. За основу он взял планетарную модель атома, выдвинутую Резерфордом. Однако, с точки зрения классической электродинамики, электрон в модели Резерфорда, двигаясь вокруг ядра, должен был бы излучать непрерывно, и очень быстро, потеряв энергию, упасть на ядро. Чтобы преодолеть эту проблему Бор ввел допущение, суть которого заключается в том, что электроны в атоме могут двигаться только по определенным (стационарным) орбитам, находясь на которых они не излучают, а излучение или поглощение происходит только в момент перехода с одной орбиты на другую. Причем стационарными являются лишь те орбиты, при движении по которым момент количества движения электрона равен целому числу постоянных Планка : .

Используя это допущение и законы классической механики, а именно равенство силы притяжения электрона со стороны ядра и центробежной силы, действующей на вращающийся электрон, он получил следующие значения для радиуса стационарной орбиты и энергии находящегося на этой орбите электрона:

Здесь - масса электрона, Z - количество протонов в ядре, - диэлектрическая постоянная, e - заряд электрона.

Именно такое выражение для энергии можно получить, применяя уравнение Шрёдингера, решая задачу о движении электрона в центральном кулоновском поле.

Радиус первой орбиты в атоме водорода R 0 =5,2917720859(36)·10 −11 м , ныне называется боровским радиусом, либо атомной единицей длины и широко используется в современной физике. Энергия первой орбиты эВ представляет собойэнергию ионизации атома водорода.

Постулаты Бора

§ Атом может находиться только в особенных стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых отвечает определенная энергия. В стационарном состоянии атом не излучает электромагнитных волн.

§ Электрон в атоме, не теряя энергии, двигается по определённым дискретным круговым орбитам, для которых момент импульса квантуется: , где - натуральные числа, а - постоянная Планка. Пребывание электрона на орбите определяет энергию этих стационарных состояний.

§ При переходе электрона с орбиты (энергетический уровень) на орбиту излучается или поглощается квант энергии , где - энергетические уровни, между которыми осуществляется переход. При переходе с верхнего уровня на нижний энергия излучается, при переходе с нижнего на верхний - поглощается.

Используя данные постулаты и законы классической механики, Бор предложил модель атома, ныне именуемую Боровской моделью атома . В дальнейшем Зоммерфельд расширил теорию Бора на случай эллиптических орбит. Её называют моделью Бора-Зоммерфельда.

Опыты франка и герца

опыт показал, что электроны передают свою энергию атомам ртути порциями , причем 4,86 эВ – наименьшая возможная порция, которая может быть поглощена атомом ртути в основном энергетическом состоянии

Формула бальмера

Для описания длин волн λ четырех видимых линий спектра водорода И. Бальмер предложил формулу

где n = 3, 4, 5, 6; b = 3645,6 Å.

В настоящее время для серии Бальмера используют частный случай формулы Ридберга:

где λ - длина волны,

R ≈ 1,0974·10 7 м −1 - постоянная Ридберга,

n - главное квантовое число исходного уровня - натуральное число, большее или равное 3.

Водородоподобный атом - атом, содержащий в электронной оболочке один и только один электрон.

Рентге́новское излуче́ние - электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10 −2 до 10 3 Å (от 10 −12 до 10 −7 м)

Рентге́новская тру́бка - электровакуумный прибор, предназначенный для генерации рентгеновского излучения.

Тормозное излучение - электромагнитное излучение, испускаемое заряженной частицей при её рассеянии (торможении) в электрическом поле. Иногда в понятие «тормозное излучение» включают также излучение релятивистских заряженных частиц, движущихся в макроскопических магнитных полях (в ускорителях, в космическом пространстве), и называют его магнитотормозным; однако более употребительным в этом случае является термин «синхротронное излучение».

ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ - рентг. излучение линейчатого спектра. Характерно для атомов каждого элемента.

Химическая связь - явление взаимодействия атомов, обусловленное перекрыванием электронных облаков связывающихся частиц, которое сопровождается уменьшением полной энергии системы.

молекуляр­ный спектр - спектр излучения (по­глощения), возникающий при квантовых переходах между уровнями энергии моле­кул

Энергетический уровень - собственные значения энергии квантовых систем, то есть систем, состоящих из микрочастиц (электронов, протонов и других элементарных частиц) и подчиняющихся законам квантовой механики.

Квантовое число n – главное . Оно определяет энергию электрона в атоме водорода и одноэлектронных системах (He + , Li 2+ и т. д.). В этом случае энергия электрона

где n принимает значения от 1 до ∞. Чем меньше n , тем больше энергия взаимодействия электрона с ядром. При n = 1 атом водорода находится в основном состоянии, при n > 1 – в возбужденном.

Правилами отбора в спектроскопии называют ограничения и запрет на переходы между уровнями квантомеханической системы с поглощением или излучением фотона, наложенные законами сохранения и симметрией.

Многоэлектронными атомами называются атомы с двумя и более электронами.

Эффе́кт Зе́емана - расщепление линий атомных спектров в магнитном поле.

Обнаружен в 1896 г. Зееманом для эмиссионных линий натрия.

Суть явления электронного парамагнитного резонанса заключается в резонансном поглощении электромагнитного излучения неспаренными электронами. Электрон имеет спин и ассоциированный с ним магнитный момент.

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Закон Стефана Больцмана Связь энергетической светимости R e и спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела Энергетическая светимость серого тела Закон смещения Вина (1-ый закон) Зависимость максимальной спектральной плотности энергетической светимости черного тела от температуры (2-ой закон) Формула Планка

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ 1. Максимум спектральной плотности энергетической светимости Солнца приходится на длину волны = 0,48 мкм. Считая, что Солнце излучает как черное тело, определить: 1) температуру его поверхности; 2) мощность, излучаемую его поверхностью. Согласно закону смещения Вина Мощность, излучаемая поверхностью Солнца Согласно закону Стефана Больцмана,

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ 2. Определить количество теплоты, теряемое 50 см 2 с поверхности расплавленной платины за 1 мин, если поглощательная способность платины А Т = 0,8. Температура плавления платины равна 1770 °С. Количество теплоты, теряемое платиной равно энергии, излучаемой ее раскаленной поверхностью Согласно закону Стефана Больцмана,

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ 3. Электрическая печь потребляет мощность Р = 500 Вт. Температура ее внутренней поверхности при открытом небольшом отверстии диаметром d = 5,0 см равна 700 °С. Какая часть потребляемой мощности рассеивается стенками? Полная мощность определяется суммой Мощность, выделяемая через отверстие Мощность рассеиваемая стенками Согласно закону Стефана Больцмана,

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ 4 Вольфрамовая нить накаливается в вакууме током силой I = 1 А до температуры T 1 = 1000 К. При какой силе тока нить накалится до температуры Т 2 = 3000 К? Коэффициенты поглощения вольфрама и его удельные сопротивления, соответствующие температурам T 1, Т 2 равны: a 1 = 0,115 и a 2 = 0,334; 1 = 25, Ом м, 2 = 96, Ом м Мощность излучаемая равна мощности потребляемой от электрической цепи в установившемся режиме Электрическая мощность выделяемая в проводнике Согласно закону Стефана Больцмана,

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ 5. В спектре Солнца максимум спектральной плотности энергетической светимости приходится на длину волны.0 = 0,47 мкм. Приняв, что Солнце излучает как абсолютно черное тело, найти интенсивность солнечной радиации (т. е. плотность потока излучения) вблизи Земли за пределами ее атмосферы. Сила света (интенсивность излучения) Световой поток Согласно законам Стефана Больцмана и Вина

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ 6. Длина волны 0, на которую приходится максимум энергии в спектре излучения черного тела, равна 0,58 мкм. Определить максимальную спектральную плотность энергетической светимости (r,T) max, рассчитанную на интервал длин волн = 1 нм, вблизи 0. Максимальная спектральная плотность энергетической светимости пропорциональна пятой степени температуры и выражается 2-ым законом Вина Температуру Т выразим из закона смещения Вина значение С дано в единицах СИ, в которых единичный интервал длин волн =1 м. По условию же задачи требуется вычислить спектральную плотность энергетической светимости, рассчитанную на интервал длин волн 1 нм, поэтому выпишем значение С в единицах СИ и пересчитаем его на заданный интервал длин волн:

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ 7. Исследование спектра излучения Солнца показывает, что максимум спектральной плотности энергетической светимости соответствует длине волны =500 нм. Принимая Солнце за черное тело, определить: 1) энергетическую светимость R e Солнца; 2) поток энергии Ф е, излучаемый Солнцем; 3) массу электромагнитных волн (всех длин), излучаемых Солнцем за 1 с. 1. Согласно законам Стефана Больцмана и Вина 2. Световой поток 3. Массу электромагнитных волн (всех длин), излучаемых Солнцем за время t=1 с, определим, применив закон пропорциональности массы и энергии Е=мс 2. Энергия электромагнитных волн, излучаемых за время t, равна произведению потока энергии Ф e ((мощности излучения) на время: E=Ф e t. Следовательно, Ф е =мс 2, откуда m=Ф е /с 2.

1. Характеристики теплового излучения.

2. Закон Кирхгофа.

3. Законы излучения черного тела.

4. Излучение Солнца.

5. Физические основы термографии.

6. Светолечение. Лечебное применение ультрафиолета.

7. Основные понятия и формулы.

8. Задачи.

Из всего многообразия электромагнитных излучений, видимых или невидимых человеческим глазом, можно выделить одно, которое присуще всем телам - это тепловое излучение.

Тепловое излучение - электромагнитное излучение, испускаемое веществом и возникающее за счет его внутренней энергии.

Тепловое излучение обусловливается возбуждением частиц вещества при соударениях в процессе теплового движения или ускоренным движением зарядов (колебания ионов кристаллической решетки, тепловое движение свободных электронов и т.д.). Оно возникает при любых температурах и присуще всем телам. Характерной чертой теплового излучения является сплошной спектр.

Интенсивность излучения и спектральный состав зависят от температуры тела, поэтому не всегда тепловое излучение воспринимается глазом как свечение. Например, тела, нагретые до высокой температуры, значительную часть энергии испускают в видимом диапазоне, а при комнатной температуре почти вся энергия испускается в инфракрасной части спектра.

26.1. Характеристики теплового излучения

Энергия, которую теряет тело вследствие теплового излучения, характеризуется следующими величинами.

Поток излучения (Ф) - энергия, излучаемая за единицу времени со всей поверхности тела.

Фактически, это мощность теплового излучения. Размерность потока излучения - [Дж/с = Вт].

Энергетическая светимость (Re) - энергия теплового излучения, испускаемого за единицу времени с единичной поверхности нагретого тела:

Размерность этой характеристики - [Вт/м 2 ].

И поток излучения, и энергетическая светимость зависят от строения вещества и его температуры: Ф = Ф(Т), Re = Re(T).

Распределение энергетической светимости по спектру теплового излучения характеризует ее спектральная плотность. Обозначим энергию теплового излучения, испускаемого единичной поверхностью за 1 с в узком интервале длин волн от λ до λ + dλ, через dRe.

Спектральной плотностью энергетической светимости (r) или испускательной способностью называется отношение энергетической светимости в узком участке спектра (dRe) к ширине этого участка (d λ):

Примерный вид спектральной плотности и энергетичекая светимость (dRe) в интервале волн от λ до λ + dλ, показаны на рис. 26.1.

Рис. 26.1. Спектральная плотность энергетической светимости

Зависимость спектральной плотности энергетической светимости от длины волны называют спектром излучения тела. Знание этой зависимости позволяет рассчитать энергетическую светимость тела в любом диапазоне длин волн:

Тела не только испускают, но и поглощают тепловое излучение. Способность тела к поглощению энергии излучения зависит от его вещества, температуры и длины волны излучения. Поглощательную способность тела характеризует монохроматический коэффициент поглощения α.

Пусть на поверхность тела падает поток монохроматического излучения Φ λ с длиной волны λ. Часть этого потока отражается, а часть поглощается телом. Обозначим величину поглощенного потока Φ λ погл.

Монохроматическим коэффициентом поглощения α λ называется отношение потока излучения, поглощенного данным телом, к величине падающего монохроматического потока:

Монохроматический коэффициент поглощения - величина безразмерная. Его значения лежат между нулем и единицей: 0 ≤ α ≤ 1.

Функция α = α(λ,Τ), выражающая зависимость монохроматического коэффициента поглощения от длины волны и температуры, называется поглощательной способностью тела. Ее вид может быть весьма сложным. Ниже рассмотрены простейшие типы поглощения.

Абсолютно черное тело - такое тело, коэффициент поглощения которого равен единице для всех длин волн: α = 1. Оно поглощает все падающее на него излучение.

По своим поглощательным свойствам к абсолютно черному телу близки сажи, черный бархат, платиновая чернь. Очень хорошей моделью абсолютно черного тела является замкнутая полость с небольшим отверстием (O). Стенки полости зачернены рис. 26.2.

Луч, попавший в это отверстие, после многократных отражений от стенок поглощается практически полностью. Подобные устройства

Рис. 26.2. Модель абсолютно черного тела

применяют в качестве световых эталонов, используют при измерениях высоких температур и т.п.

Спектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела обозначается ε(λ,Τ). Эта функция играет важнейшую роль в теории теплового излучения. Ее вид сначала был установлен экспериментально, а затем получен теоретически (формула Планка).

Абсолютно белое тело - такое тело, коэффициент поглощения которого равен нулю для всех длин волн: α = 0.

Истинно белых тел в природе нет, однако существуют тела, близкие к ним по свойствам в достаточно широком диапазоне температур и длин волн. Например, зеркало в оптической части спектра отражает почти весь падающий свет.

Серое тело - это тело, для которого коэффициент поглощения не зависит от длины волны: α = const < 1.

Некоторые реальные тела обладают этим свойством в определенном интервале длин волн и температур. Например, «серой» (α = 0,9) можно считать кожу человека в инфракрасной области.

26.2. Закон Кирхгофа

Количественная связь между излучением и поглощением установлена Г. Кирхгофом (1859).

Закон Кирхгофа - отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел и равно спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела:

Отметим некоторые следствия этого закона.

1. Если тело при данной температуре не поглощает какое-либо излучение, то оно его и не испускает. Действительно, если для

26.3. Законы излучения черного тела

Законы излучения абсолютно черного тела были установлены в следующей последовательности.

В 1879 г. Й. Стефан экспериментально, а в 1884 г. Л. Больцман теоретически определили энергетическую светимость абсолютно черного тела.

Закон Стефана-Больцмана - энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры:

Значения коэффициентов поглощения для некоторых материалов приведены в табл. 26.1.

Таблица 26.1. Коэффициенты поглощения

Немецкий физик В. Вин (1893) установил формулу для длины волны, на которую приходится максимум испускательной способности абсолютно черного тела. Соотношение, которое он получил, было названо его именем.

При повышении температуры максимум испускательной способности смещается влево (рис. 26.3).

Рис. 26.3. Иллюстрация закона смещения Вина

В табл. 26.2 указаны цвета в видимой части спектра, соответствующие излучениям тел при различных температурах.

Таблица 26.2. Цвета нагретых тел

Используя законы Стефана-Больцмана и Вина, можно определить температуры тел посредством измерения излучения этих тел. Например, так определяют температуру поверхности Солнца (~6000 К), температуру в эпицентре взрыва (~10 6 К) и т.д. Общее название этих методов - пирометрия.

В 1900 г. М. Планк получил формулу для расчета испускательной способности абсолютно черного тела теоретически. Для этого ему пришлось отказаться от классических представлений о непрерывности процесса излучения электромагнитных волн. По представлениям Планка, поток излучения состоит из отдельных порций - квантов, энергии которых пропорциональны частотам света:

Из формулы (26.11) можно теоретически получить законы Стефана-Больцмана и Вина.

26.4. Излучение Солнца

В пределах Солнечной системы Солнце - самый мощный источник теплового излучения, обусловливающий жизнь на Земле. Солнечное излучение обладает лечебными свойствами (гелиотерапия), используется как средство закаливания. Оно же может оказывать и негативное воздействие на организм (ожог, тепловой

Спектры солнечного излучения на границе земной атмосферы и у поверхности Земли различны (рис. 26.4).

Рис. 26.4. Спектр солнечного излучения: 1 - на границе атмосферы, 2 - у поверхности Земли

На границе атмосферы спектр Солнца близок к спектру абсолютно черного тела. Максимум испускательной способности приходится на λ 1max = 470 нм (синий цвет).

У поверхности Земли спектр солнечного излучения имеет более сложную форму, что связано с поглощением в атмосфере. В частности, в нем отсутствует высокочастотная часть ультрафиолетового излучения, губительная для живых организмов. Эти лучи практически полностью поглощаются озоновым слоем. Максимум испускательной способности приходится на λ 2max = 555 нм (зелено-желтый), что соответствует наилучшей чувствительности глаз.

Поток теплового излучения Солнца на границе земной атмосферы определяет солнечная постоянная I.

Поток, достигающий земной поверхности, значительно меньше вследствие поглощения в атмосфере. При самых благоприятных условиях (солнце в зените) он не превышает 1120 Вт/м 2 . В Москве в момент летнего солнцестояния (июнь) - 930 Вт/м 2 .

От высоты Солнца над горизонтом самым существенным образом зависит как мощность солнечного излучения у земной поверхности, так и его спектральный состав. На рис. 26.5 приведены сглаженные кривые распределения энергии солнечного света: I - за пределами атмосферы; II - при положении Солнца в зените; III - при высоте 30° над горизонтом; IV - при условиях, близких к восходу и закату (10° над горизонтом).

Рис. 26.5. Распределение энергии в спектре Солнца при различных высотах над горизонтом

Различные составляющие солнечного спектра по-разному проходят через земную атмосферу. На рисунке 26.6 показана прозрачность атмосферы при большой высоте стояния Солнца.

26.5. Физические основы термографии

Тепловое излучение человека составляет существенную долю его тепловых потерь. Излучательные потери человека равны разности испущенного потока и поглощенного потока излучения окружающей среды. Мощность излучательных потерь рассчитывается по формуле

где S - площадь поверхности; δ - приведенный коэффициент поглощения кожи (одежды), рассматриваемой как серое тело; Т 1 - температура поверхности тела (одежды); Т 0 - температура окружающей среды.

Рассмотрим следующий пример.

Рассчитаем мощность излучательных потерь раздетого человека при температуре окружающей среды 18°С (291 К). Примем: площадь поверхности тела S = 1,5 м 2 ; температура кожи Т 1 = 306 К (33°С). Приведенный коэффициент поглощения кожи найдем по табл. 26.1 (δ = 5,1*10 -8 Вт/м 2 К 4). Подставив эти значения в формулу (26.11), получим

Р = 1,5*5,1*10 -8 * (306 4 - 291 4) ≈122 Вт.

Рис. 26.6. Прозрачность земной атмосферы (в процентах) для различных участков спектра при большой высоте стояния Солнца.

Тепловое излучение человека может быть использовано как диагностический параметр.

Термография - диагностический метод, основанный на измерении и регистрации теплового излучения поверхности тела человека или его отдельных участков.

Распределение температуры на небольшом участке поверхности тела можно определить с помощью специальных жидкокристаллических пленок. Такие пленки чувствительны к небольшим изменениям температуры (меняют цвет). Поэтому на пленке возникает цветной тепловой «портрет» участка тела, на который она наложена.

Более совершенный способ состоит в использовании тепловизоров, преобразующих инфракрасное излучение в видимый свет. Излучение тела с помощью специального объектива проецируется на матрицу тепловизора. После преобразования на экране формируется детальный тепловой портрет. Участки с различными температурами отличаются цветом или интенсивностью. Современные методы позволяют фиксировать различие в температурах до 0,2 градуса.

Тепловые портреты используются в функциональной диагностике. Различные патологии внутренних органов могут образовывать на поверхности кожные зоны с измененной температурой. Обнаружение таких зон указывает на наличие патологии. Термографический метод облегчает дифференциальный диагноз между доброкачественными и злокачественными опухолями. Этот метод является объективным средством контроля за эффективностью терапевтических методов лечения. Так, при термографическом обследовании больных псориазом было установлено, что при наличии выраженной инфильтрации и гиперемии в бляшках отмечается повышение температуры. Снижение температуры до уровня окружающих участков в большинстве случаев свидетельствует о регрессии процесса на коже.

Повышенная температура часто является показателем инфекции. Чтобы определить температуру человека, достаточно взглянуть через инфракрасное устройство на его лицо и шею. Для здоровых людей отношение температуры лба к температуре в области сонной артерии лежит в диапазоне от 0,98 до 1,03. Это отношение и можно использовать при экспресс-диагностике во время эпидемий для проведения карантинных мероприятий.

26.6. Светолечение. Лечебное применение ультрафиолета

Инфракрасное излучение, видимый свет и ультрафиолетовое излучение находят широкое применение в медицине. Напомним диапазоны их длин волн:

Светолечением называют применение в лечебных целях инфракрасного и видимого излучений.

Проникая в ткани, инфракрасные лучи (как и видимые) в месте своего поглощения вызывают выделение теплоты. Глубина проникновения инфракрасных и видимых лучей в кожу показана на рис. 26.7.

Рис. 26.7. Глубина проникновения излучения в кожу

В лечебной практике в качестве источников инфракрасного излучения используются специальные облучатели (рис. 26.8).

Лампа Минина представляет собой лампу накаливания с рефлектором, локализующим излучение в необходимом направлении. Источником излучения служит лампа накаливания мощностью 20-60 Вт из бесцветного или синего стекла.

Светотепловая ванна представляет собой полуцилиндрический каркас, состоящий из двух половин, соединенных подвижно между собой. На внутренней поверхности каркаса, обращенной к пациенту, укреплены лампы накаливания мощностью 40 Вт. В таких ваннах на биологический объект действуют инфракрасное и видимое излучения, а также нагретый воздух, температура которого может достигать 70°С.

Лампа Соллюкс представляет собой мощную лампу накаливания, помещенную в специальный рефлектор на штативе. Источником излучения служит лампа накаливания мощностью 500 Вт (температура вольфрамовой нити 2 800°С, максимум излучения приходится на длину волны 2 мкм).

Рис. 26.8. Облучатели: лампа Минина (а), светотепловая ванна (б), лампа Соллюкс (в)

Лечебное применение ультрафиолета

Ультрафиолетовое излучение, применяемое в медицинских целях, подразделяют на три диапазона:

При поглощении ультрафиолетового излучения в тканях (в коже) происходят различные фотохимические и фотобиологические реакции.

В качестве источников излучения используют лампы высокого давления (дуговые, ртутные, трубчатые), люминесцентные лампы, газоразрядные лампы низкого давления, одной из разновидностей которых являются бактерицидные лампы.

А-излучение оказывает эритемное и загарное действие. Оно используется при лечении многих дерматологических заболеваний. Некоторые химические соединения фурокумаринового ряда (например, псорален) способны сенсибилизировать кожу этих больных к длинноволновому ультрафиолетовому излучению и стимулировать образование в меланоцитах пигмента меланина. Совместное применение данных препаратов с А-излучением является основой метода лечения, называемого фотохимиотерапией или ПУВА-терапией (PUVA: Р - псорален; UVA - ультрафиолетовое излучение зоны А). Облучению подвергают часть или все тело.

В-излучение оказывает ватиминообразующее, антирахитное действие.

С-излучение оказывает бактерицидное действие. При облучении происходит разрушение структуры микроорганизмов и грибов. С-излучение создается специальными бактерицидными лампами (рис. 26.9).

Некоторые лечебные методики используют С-излучение для облучения крови.

Ультрафиолетовое голодание. Ультрафиолетовое излучение необходимо для нормального развития и функционирования организма. Его недостаток приводит к возникновению ряда серьезных заболеваний. С ультрафиолетовым голоданием сталкиваются жители крайнего

Рис. 26.9. Бактерицидный облучатель (а), облучатель для носоглотки (б)

Севера, рабочие горнорудной промышленности, метрополитена, жители крупных городов. В городах недостаток ультрафиолета связан с загрязнением атмосферного воздуха пылью, дымом, газами, задерживающими УФ-часть солнечного спектра. Окна помещений не пропускают УФ-лучи с длиной волны λ < 310 нм. Значительно снижают УФ-поток загрязненные стекла и занавеси (тюлевые занавески снижают УФ-излучение на 20 %). Поэтому на многих производствах и в быту наблюдается так называемая «биологическая полутьма». В первую очередь страдают дети (возрастает вероятность заболевания рахитом).

Вредность ультрафиолетового облучения

Воздействие избыточных доз ультрафиолетового облучения на организм в целом и на отдельные его органы приводит к возникновению ряда патологий. В первую очередь это относится к последствиям бесконтрольного загорания: ожоги, пигментные пятна, повреждение глаз - развитие фотоофтальмии. Действие ультрафиолета на глаз подобно эритеме, так как оно связано с разложением протеинов в клетках роговой и слизистой оболочек глаза. Живые клетки кожи человека защищены от деструктивного действия УФ лучей «мертвы-

ми» клетками рогового слоя кожи. Глаза лишены этой защиты, поэтому при значительной дозе облучения глаз после скрытого периода развивается воспаление роговой (кератит) и слизистой (конъюнктивит) оболочек глаза. Этот эффект обусловлен лучами с длиной волны меньше 310 нм. Необходимо защищать глаз от таких лучей. Особо следует рассмотривать бластомогенное действие УФ-радиации, приводящее к развитию рака кожи.

26.7. Основные понятия и формулы

Продолжение таблицы

Окончание таблицы

26.8. Задачи

2. Определить, во сколько раз отличаются энергетические светимости участков поверхности тела человека, имеющих температуры 34 и 33°С соответственно?

3. При диагностике методом термографии опухоли молочной железы пациентке дают выпить раствор глюкозы. Через некоторое время регистрируют тепловое излучение поверхности тела. Клетки опухолевой ткани интенсивно поглощают глюкозу, в результате чего их теплопродукция возрастает. На сколько градусов при этом меняется температура участка кожи над опухолью, если излучение с поверхности возрастает на 1% (в 1,01 раза)? Начальная температура участка тела равна 37°С.

6. Насколько увеличилась температура тела человека, если поток излучения с поверхности тела возрос на 4%? Начальная температура тела равна 35°С.

7. В комнате стоят два одинаковых чайника, содержащие равные массы воды при 90°С. Один из них никелированный, а другой темный. Какой из чайников быстрее остынет? Почему?

Решение

По закону Кирхгофа отношение испускательной и поглощательной способностей одинаково у всех тел. Никелированный чайник отражает почти весь свет. Следовательно, его поглощательная способность мала. Соответственно мала и испускательная способность.

Ответ: быстрее остынет темный чайник.

8. Для уничтожения жучков-вредителей зерно подвергают действию инфракрасного облучения. Почему жучки погибают, а зерно нет?

Ответ: жучки имеют черный цвет, поэтому интенсивно поглощают инфракрасное излучение и гибнут.

9. Нагревая кусок стали, мы при температуре 800°С будем наблюдать яркое вишнево-красное каление, но прозрачный стерженек плавленого кварца при той же температуре совсем не светится. Почему?

Решение

См. задачу 7. Прозрачное тело поглощает малую часть света. Поэтому и его испускательная способность мала.

Ответ: прозрачное тело практически не излучает, даже будучи сильно нагретым.

10. Почему в холодную погоду многие животные спят, свернувшись в клубок?

Ответ: при этом уменьшается открытая поверхность тела и соответственно уменьшаются потери на излучение.

d Φ e {\displaystyle d\Phi _{e}} , испускаемого малым участком поверхности источника излучения, к его площади d S {\displaystyle dS} : M e = d Φ e d S . {\displaystyle M_{e}={\frac {d\Phi _{e}}{dS}}.}

Говорят также, что энергетическая светимость - это поверхностная плотность испускаемого потока излучения.

Численно энергетическая светимость равна среднему по времени модулю составляющей вектора Пойнтинга , перпендикулярной поверхности. Усреднение при этом проводится за время, существенно превосходящее период электромагнитных колебаний.

Испускаемое излучение может возникать в самой поверхности, тогда говорят о самосветящейся поверхности. Другой вариант наблюдается при освещении поверхности извне. В таких случаях некоторая часть падающего потока в результате рассеяния и отражения обязательно возвращается обратно. Тогда выражение для энергетической светимости имеет вид:

M e = (ρ + σ) ⋅ E e , {\displaystyle M_{e}=(\rho +\sigma)\cdot E_{e},}

где ρ {\displaystyle \rho } и σ {\displaystyle \sigma } - коэффициент отражения и коэффициент рассеяния поверхности соответственно, а - её облучённость .

Другие, иногда используемые в литературе, но не предусмотренные ГОСТОм наименования энергетической светимости: - излучательность и интегральная испускательная способность .

Спектральная плотность энергетической светимости

Спектральная плотность энергетической светимости M e , λ (λ) {\displaystyle M_{e,\lambda }(\lambda)} - отношение величины энергетической светимости d M e (λ) , {\displaystyle dM_{e}(\lambda),} приходящейся на малый спектральный интервал d λ , {\displaystyle d\lambda ,} , заключённый между λ {\displaystyle \lambda } и λ + d λ {\displaystyle \lambda +d\lambda } , к ширине этого интервала:

M e , λ (λ) = d M e (λ) d λ . {\displaystyle M_{e,\lambda }(\lambda)={\frac {dM_{e}(\lambda)}{d\lambda }}.}

Единицей измерения в системе СИ является Вт·м −3 . Поскольку длины волн оптического излучения принято измерять в нанометрах , то на практике часто используется Вт·м −2 ·нм −1 .

Иногда в литературе M e , λ {\displaystyle M_{e,\lambda }} именуют спектральной испускательной способностью .

Световой аналог

M v = K m ⋅ ∫ 380 n m 780 n m M e , λ (λ) V (λ) d λ , {\displaystyle M_{v}=K_{m}\cdot \int \limits _{380~nm}^{780~nm}M_{e,\lambda }(\lambda)V(\lambda)d\lambda ,}

где K m {\displaystyle K_{m}} - максимальная световая эффективность излучения , равная в системе СИ 683 лм /Вт . Её численное значение следует непосредственно из определения канделы .

Сведения о других основных энергетических фотометрических величинах и их световых аналогах приведены в таблице. Обозначения величин даны по ГОСТ 26148-84 .

Энергетические фотометрические величины СИ

Наименование (синоним )	Обозначение величины	Определение	Обозначение единиц СИ	Световая величина
Энергия излучения (лучистая энергия)	Q e {\displaystyle Q_{e}} или W {\displaystyle W}	Энергия, переносимая излучением	Дж	Световая энергия
Поток излучения (лучистый поток)	Φ {\displaystyle \Phi } e или P {\displaystyle P}	Φ e = d Q e d t {\displaystyle \Phi _{e}={\frac {dQ_{e}}{dt}}}	Вт	Световой поток
Сила излучения (энергетическая сила света)	I e {\displaystyle I_{e}}	I e = d Φ e d Ω {\displaystyle I_{e}={\frac {d\Phi _{e}}{d\Omega }}}	Вт·ср −1	Сила света
Объёмная плотность энергии излучения	U e {\displaystyle U_{e}}	U e = d Q e d V {\displaystyle U_{e}={\frac {dQ_{e}}{dV}}}	Дж·м −3	Объёмная плотность световой энергии
Энергетическая яркость	L e {\displaystyle L_{e}}	L e = d 2 Φ e d Ω d S 1 cos ⁡ ε {\displaystyle L_{e}={\frac {d^{2}\Phi _{e}}{d\Omega \,dS_{1}\,\cos \varepsilon }}}	Вт·м −2 ·ср −1	Яркость
Интегральная энергетическая яркость	Λ e {\displaystyle \Lambda _{e}}	Λ e = ∫ 0 t L e (t ′) d t ′ {\displaystyle \Lambda _{e}=\int _{0}^{t}L_{e}(t")dt"}	Дж·м −2 ·ср −1	Интегральная яркость
Облучённость (энергетическая освещённость)	E e {\displaystyle E_{e}}	E e = d Φ e d S 2 {\displaystyle E_{e}={\frac {d\Phi _{e}}{dS_{2}}}}	Вт·м −2

Энергия, которую теряет тело вследствие теплового излучения, характеризуется следующими величинами.

Поток излучения (Ф) - энергия, излучаемая за единицу времени со всей поверхности тела.

Фактически, это мощность теплового излучения. Размерность потока излучения - [Дж/с = Вт].

Энергетическая светимость (Re) - энергия теплового излучения, испускаемого за единицу времени с единичной поверхности нагретого тела:

В системе СИ энергетическая светимость измеряется - [Вт/м 2 ].

Поток излучения, и энергетическая светимость зависят от строения вещества и его температуры: Ф = Ф(Т),

Распределение энергетической светимости по спектру теплового излучения характеризует ее спектральная плотность. Обозначим энергию теплового излучения, испускаемого единичной поверхностью за 1 с в узком интервале длин волн от λ до λ + dλ, через dRe.

Спектральной плотностью энергетической светимости(r) или испускательной способностью называется отношение энергетической светимости в узком участке спектра (dRe) к ширине этого участка (dλ):

Примерный вид спектральной плотности и энергетичекая светимость (dRe) в интервале волн от λ до λ + dλ, показаны на рис. 13.1.

Рис. 13.1. Спектральная плотность энергетической светимости

Зависимость спектральной плотности энергетической светимости от длины волны называют спектром излучения тела . Знание этой зависимости позволяет рассчитать энергетическую светимость тела в любом диапазоне длин волн. Формула для расчета энергетической светимости тела в диапазоне длин волн имеет вид:

Полная светимость равна:

Тела не только испускают, но и поглощают тепловое излучение. Способность тела к поглощению энергии излучения зависит от его вещества, температуры и длины волны излучения. Поглощательную способность тела характеризует монохроматический коэффициент поглощенияα .

Пусть на поверхность тела падает поток монохроматического излучения Φ λ с длиной волны λ. Часть этого потока отражается, а часть поглощается телом. Обозначим величину поглощенного потока Φ λ погл.

Монохроматическим коэффициентом поглощения α λ называется отношение потока излучения, поглощенного данным телом, к величине падающего монохроматического потока:

Монохроматический коэффициент поглощения - величина безразмерная. Его значения лежат между нулем и единицей: 0 ≤ α ≤ 1.

Функция α = α(λ,Τ) , выражающая зависимость монохроматического коэффициента поглощения от длины волны и температуры, называется поглощательной способностью тела. Ее вид может быть весьма сложным. Ниже рассмотрены простейшие типы поглощения.

Абсолютно черное тело - это тело, коэффициент поглощения которого равен единице для всех длин волн: α = 1.

Серое тело - это тело, для которого коэффициент поглощения не зависит от длины волны: α = const < 1.

Абсолютно белое тело - это тело, коэффициент поглощения которого равен нулю для всех длин волн: α = 0.

Закон Кирхгофа

Закон Кирхгофа - отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел и равно спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела:

= /

Следствие из закона:

1. Если тело при данной температуре не поглощает какое-либо излучение, то оно его и не испускает. Действительно, если для некоторой длины волны коэффициент поглощения α = 0, то и r = α∙ε(λT) = 0

1. При одной и той же температуречерное тело излучает больше чем любое другое. Действительно, для всех тел, кроме черного, α < 1, поэтому для них r = α∙ε(λT) < ε

2. Если для некоторого тела экспериментально определить зависимость монохроматического коэффициент поглощения от длины волны и температуры - α = r = α(λT), то можно рассчитать спектр его излучения.