Тепловым излучением тел называется электромагнитное излучение, возникающее за счет той части внутренней энергии тела, которая связана с тепловым движением его частиц.
Основными характеристиками теплового излучения тел нагретых до температуры T являются:
1. Энергетическая светимость R (T ) -количество энергии, излучаемой в единицу времени с единицы поверхности тела, во всем интервале длин волн. Зависит от температуры, природы и состояния поверхности излучающего тела. В системе СИR ( T ) имеет размерность [Вт/м 2 ].
2. Спектральная плотность энергетической светимости r ( ,Т) =dW / d - количество энергии, излучаемое единицей поверхности тела, в единицу времени в единичном интервале длин волн (вблизи рассматриваемой длины волны ). Т.е. эта величина численно равна отношению энергииdW , испускаемой с единицы площади в единицу времени в узком интервале длин волн от до +d , к ширине этого интервала. Она зависит от температуры тела, длины волны, а также от природы и состояния поверхности излучающего тела. В системе СИr ( , T ) имеет размерность [Вт/м 3 ].
Энергетическая светимостьR (T ) связана со спектральной плотностью энергетической светимостиr ( , T ) следующим образом:
(1) [Вт/м 2 ]
3. Все тела не только излучают, но и поглощают падающие на их поверхность электромагнитные волны. Для определения поглощательной способности тел по отношению к электромагнитным волнам определенной длины волны вводится понятиекоэффициента монохроматического поглощения -отношение величины поглощенной поверхностью тела энергии монохроматической волны к величине энергии падающей монохроматической волны:
Коэффициент монохроматического поглощения является безразмерной величиной, зависящей от температуры и длины волны. Он показывает, какая доля энергии падающей монохроматической волны поглощается поверхностью тела. Величина ( , T ) может принимать значения от 0 до 1.
Излучение в адиабатически замкнутой системе (не обменивающейся теплотой с внешней средой) называется равновесным . Если создать маленькое отверстие в стенке полости состояние равновесия измениться слабо и выходящее из полости излучение будет соответствовать равновесному излучению.
Если в такое отверстие направить луч, то после многократных отражений и поглощения на стенках полости он не сможет выйти обратно наружу. Это значит, что для такого отверстия коэффициент поглощения( , T ) = 1.
Рассмотренная замкнутая полость с небольшим отверстием служит одной из моделей абсолютно черного тела.
Абсолютно черным телом называется тело, которое поглощает все падающее на него излучение независимо от направления падающего излучения, его спектрального состава и поляризации (ничего не отражая и не пропуская).
Для абсолютно черного тела, спектральная плотность энергетической светимости является некоторой универсальной функцией длины волны и температурыf ( , T ) и не зависит от его природы.
Все тела в природе частично отражают падающее на их поверхность излучение и поэтому не относятся к абсолютно черным телам.Если коэффициент монохроматического поглощения тела одинаков для всех длин волн и меньше единицы (( , T ) = Т =const<1),то такое тело называется серым . Коэффициент монохроматического поглощения серого тела зависит только от температуры тела, его природы и состояния его поверхности.
Кирхгофом было показано, что для всех тел, независимо от их природы, отношение спектральной плотности энергетической светимости к коэффициенту монохроматического поглощения является той же универсальной функцией длины волны и температурыf ( , T ) , что и спектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела:
Уравнение (3) представляет собой закон Кирхгофа.
Закон Кирхгофа можно сформулировать таким образом:для всех тел системы, находящихся в термодинамическом равновесии, отношение спектральной плотности энергетической светимости к коэффициенту монохроматического поглощения не зависит от природы тела, является одинаковой для всех тел функцией, зависящей от длины волны и температуры Т.
Из вышесказанного и формулы (3) ясно, что при данной температуре сильнее излучают те серые тела, которые обладают большим коэффициентом поглощения, а наиболее сильно излучают абсолютно черные тела. Так как для абсолютно черного тела( , T )=1, то из формулы (3) следует, что универсальная функцияf ( , T ) представляет собой спектральную плотность энергетической светимости абсолютно черного тела
Итак, что такое тепловое излучение?
Тепловое излучение - это электромагнитное излучение, которое возникает за счет энергии вращательного и колебательного движения атомов и молекул в составе вещества. Тепловое излучение характерно для всех тел, которые имеют температуру, превышающую температуру абсолютного нуля.
Тепловое излучение тела человека относится к инфракрасному диапазону электромагнитных волн. Впервые такое излучение было открыто английским астрономом Вильямом Гершелем. В 1865 английский физик Дж. Максвелл доказал, что ИК - излучение имеет электромагнитную природу и представляет собой волны длиной от 760нм до 1-2мм . Чаще всего весь диапазон ИК - излучения делят на области: ближнюю (750нм -2.500нм ), среднюю (2.500нм - 50.000нм ) и дальнюю (50.000нм -2.000.000нм ).
Рассмотрим случай, когда тело А расположено в полости Б, которая ограничена идеальной отражающей (непроницаемой для излучения) оболочкой С (рис.1). В результате многократного отражения от внутренней поверхности оболочки излучение будет сохраняться в пределах зеркальной полости и частично поглощаться телом А. При таких условиях система полость Б - тело А не будет терять энергию, а будет лишь происходить непрерывный обмен энергией между телом А и излучением, которое заполняет полость Б.
Рис.1
. Многократное отражение тепловых волн от зеркальных стенок полости Б
Если распределение энергии остается неизменным для каждой длины волны, то состояние такой системы будет равновесным, а излучение также будет равновесным. Единственным видом равновесного излучения является тепловое. Если по какой-то причине равновесие между излучением и телом сместится, то начинают протекать такие термодинамические процессы, которые вернут систему в состояние равновесия. Если тело А начинает излучать больше, чем поглощает, то тело начинает терять внутреннюю энергию и температура тела (как мера внутренней энергии) начнет падать, что уменьшит количество излучаемой энергии. Температура тела будет падать до тех пор, пока количество излучаемой энергии не станет равным количеству энергии, поглощаемой телом. Таким образом, наступит равновесное состояние.
Равновесное тепловое излучение имеет такие свойства: однородное (одинаковая плотность потока энергии во всех точках полости), изотропное (возможные направления распространения равновероятны), неполяризованное (направления и значения векторов напряженностей электрического и магнитного полей во всех точках полости изменяются хаотически).
Основными количественными характеристиками теплового излучения являются:
- энергетическая светимость - это количество энергии электромагнитного излучения во всем диапазоне длин волн теплового излучения, которое излучается телом во всех направлениях с единицы площади поверхности за единицу времени: R = E/(S·t), [Дж/(м 2 с)] = [Вт/м 2 ] Энергетическая светимость зависит от природы тела, температуры тела, состояния поверхности тела и длины волны излучения.
- спектральная плотность энергетической светимости - энергетическая светимость тела для данных длин волн (λ + dλ) при данной температуре (T + dT): R λ,T = f(λ, T).
Энергетическая светимость тела в пределах каких-то длин волн вычисляется интегрированием R λ,T = f(λ, T) для T = const:
- коэффициент поглощения
- отношение поглощенной телом энергии к падающей энергии. Так, если на тело падает излучение потока dФ пад, то одна его часть отражается от поверхности тела - dФ отр, другая часть проходит в тело и частично превращается в теплоту dФ погл, а третья часть после нескольких внутренних отражений - проходит через тело наружу dФ пр: α = dФ погл /dФ пад.
Коэффициент поглощения α зависит от природы поглощающего тела, длины волны поглощаемого излучения, температуры и состояния поверхности тела.
- монохроматический коэффициент поглощения - коэффициент поглощения теплового излучения данной длины волны при заданной температуре: α λ,T = f(λ,T)
Среди тел есть такие тела, которые могут поглощать все тепловое излучение любых длин волн, которое падает на них. Такие идеально поглощающие тела называются абсолютно черными телами . Для них α =1.
Есть также серые тела, для которых α<1, но одинаковый для всех длин волн инфракрасного диапазона.
Моделью АЧТ является малое отверстие полости с теплонепроницаемой оболочкой. Диаметр отверстия составляет не более 0,1 диаметра полости. При постоянной температуре из отверстия излучается некоторая энергия, соответствующая энергетической светимости абсолютно черного тела. Но АЧТ - это идеализация. Но законы теплового излучения АЧТ помогают приблизиться к реальным закономерностям.
2. Законы теплового излучения
1. Закон Кирхгофа. Тепловое излучение является равновесным - сколько энергии излучается телом, столь ее им и поглощается. Для трех тел, находящихся в замкнутой полости можно записать:
Указанное соотношение будет верным и тогда, когда одно из тел будет АЧ:
Т.к. для АЧТ α λT .
Это закон Кирхгофа: отношение спектральной плотности энергетической светимости тела к его монохроматическому коэффициенту поглощения (при определенной температуре и для определенной длины волны) не зависит от природы тела и равно для всех тел спектральной плотности энергетической светимости при тех же самых температуре и длине волны.
Следствия из закона Кирхгофа:
1. Спектральная энергетическая светимость АЧТ является универсальной функцией длины волны и температуры тела.
2. Спектральная энергетическая светимость АЧТ наибольшая.
3. Спектральная энергетическая светимость произвольного тела равна произведению его коэффициента поглощения на спектральную энергетическую светимость абсолютно черного тела.
4. Любое тело при данной температуре излучает волны той же длины волны, которое оно излучает при данной температуре.
Систематическое изучение спектров ряда элементов позволило Кирхгофу и Бунзену установить однозначную связь между спектрами поглощения и излучения газов и индивидуальностью соответствующих атомов. Так был предложен спектральный анализ , с помощью которого можно выявить вещества, концентрация которых составляет 0,1нм.
Распределение спектральной плотности энергетической светимости для абсолютно черного тела, серого тела, произвольного тела. Последняя кривая имеет несколько максимумов и минимумов, что указывает на избирательность излучения и поглощения таких тел.
2. Закон Стефана-Больцмана.
В 1879 году австрийские ученые Йозеф Стефан (экспериментально для произвольного тела) и Людвиг Больцман (теоретически для АЧТ) установили, что общая энергетическая светимость во всем диапазоне длин волн пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры тела:
3. Закон Вина.
Немецкий физик Вильгельм Вин в 1893 году сформулировал закон, который определяет положение максимума спектральной плотности энергетической светимости тела в спектре излучения АЧТ в зависимости от температуры. Согласно закону, длина волны λ max , на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости АЧТ, обратно пропорционален его абсолютной температуре Т: λ max = в/t, где в = 2,9*10 -3 м·К- постоянная Вина.
Таким образом, при увеличении температуры изменяется не только полная энергия излучения, но и сама форма кривой распределения спектральной плотности энергетической светимости. Максимум спектральной плотности при увеличении температуры смещается в сторону более коротких длин волн. Поэтому закон Вина называют законом смещения.
Закон Вина применяется в оптической пирометрии
- метода определения температуры по спектру излучения сильно нагретых тел, которые отдалены от наблюдателя. Именно этим методом впервые была определена температура Солнца (для 470нм Т=6160К).
Представленные законы не позволяли теоретически найти уравнения распределения спектральной плотности энергетической светимости по длинам волн. Труды Релея и Джинса, в которых ученые исследовали спектральный состав излучения АЧТ на основе законов классической физики, привели к принципиальным трудностям, названных ультрафиолетовой катастрофой. В диапазоне УФ-волн энергетическая светимость АЧТ должна была достигать бесконечности, хотя в опытах она уменьшалась к нулю. Эти результаты противоречили закону сохранения энергии.
4. Теория Планка. Немецкий ученый в 1900 году выдвинул гипотезу о том, что тела излучают не непрерывно, а отдельными порциями - квантами. Энергия кванта пропорциональна частоте излучения: E = hν = h·c/λ , где h = 6,63*10 -34 Дж·с постоянная Планка.
Руководствуясь представлениями о квантовом излучении АЧТ, он получил уравнение для спектральной плотности энергетической светимости АЧТ:
Эта формула находится в соответствии с опытными данными во всем интервале длин волн при всех температурах.
Солнце - основной источник теплового излучения в природе. Солнечное излучение занимает широкий диапазон длин волн: от 0,1нм до 10м и более. 99% солнечной энергии приходится на диапазон от 280 до 6000нм . На единицу площади Земной поверхности приходится в горах от 800 до 1000 Вт/м 2 . До земной поверхности доходит одна двухмиллиардная часть тепла - 9,23 Дж/см 2 . На диапазон теплового излучения от 6000 до 500000нм приходится 0,4% энергии Солнца. В атмосфере Земли большая часть ИК-излучения поглощается молекулами воды, кислорода, азота, диоксида углерода. Радиодиапазон тоже большей частью поглощается атмосферой.
Количество энергии, которую приносят солнечные лучи за 1с на площадь в 1 кв.м, расположенную за пределами земной атмосферы на высоте 82 км перпендикулярную солнечным лучам называется солнечной постоянной. Она равна 1,4*10 3 Вт/м 2 .
Спектральное распределение нормальной плотности потока солнечного излучения совпадает с таким для АЧТ при температуре 6000 градусов. Поэтому Солнце относительно теплового излучения - АЧТ.
3. Излучение реальных тел и тела человека
Тепловое излучение с поверхности тела человека играет большую роль в теплоотдаче. Существуют такие способы теплоотдачи: теплопроводность (кондукция), конвекция, излучение, испарение. В зависимости от условий, в которых окажется человек, каждый из этих способов может иметь доминирующее значение (так, например, при очень высоких температурах среды ведущая роль принадлежит испарению, а в холодной воде - кондукции, причем температура воды 15 градусов является смертельной средой для обнаженного человека, и через 2-4 часа наступает обморок и смерть вследствие переохлаждения мозга). Доля излучения в общей теплоотдаче может составлять от 75 до 25%. В нормальных условиях около 50% при физиологическом покое.
Тепловое излучение, которое играет роль в жизни живых организмов делится на коротковолновую (от 0,3 до 3 мкм) и длинноволновую (от 5 до 100мкм ). Источником коротковолнового излучения служат Солнце и открытое пламя, а живые организмы являются исключительно реципиентами такого излучения. Длинноволновая радиация и излучается, и поглощается живыми организмами.
Величина коэффициента поглощения зависит от соотношения температур среды и тела, площади их взаимодействия, ориентации этих площадей, а для коротковолнового излучения - от цвета поверхности. Так у негров происходит отражение лишь 18% коротковолнового излучения, тогда как у людей белой расы около 40% (скорее всего, цвет кожи негров в эволюции не имел отношение к теплообмену). Для длинноволнового излучения коэффициент поглощения приближен к 1.
Расчет теплообмена излучением - очень трудная задача. Для реальных тел использовать закон Стефана-Больцмана нельзя, поскольку у них более сложная зависимость энергетической светимости от температуры. Оказывается, она зависит от температуры, природы тела, формы тела и состояния его поверхности. Со сменой температуры изменяется коэффициент σ и показатель степени температуры. Поверхность тела человека имеет сложную конфигурацию, человек носит одежду, которая изменяет излучение, на процесс влияет поза, в которой находится человек.
Для серого тела мощность излучения во всем диапазоне определяется по формуле: P = α с.т. σ·T 4 ·S Считая с определенными приближениями реальные тела (кожа человека, ткани одежды) близкими к серым телам, можно найти формулу для вычисления мощности излучения реальными телами при определенной температуре: P = α·σ·T 4 ·S В условиях разных температур излучающего тела и окружающей среды: P = α·σ·(T 1 4 - T 2 4)·S
Существуют особенности спектральной плотности энергетической светимости реальных тел: при 310К
, что соответствует средней температуре тела человека, максимум теплового излучения приходится на 9700нм
. Любое изменение температуры тела приводит к изменению мощности теплового излучения с поверхности тела (0,1 градус достаточно). Поэтому исследование участков кожи, через ЦНС связанных с определенными органами, способствует выявлению заболеваний, в результате которых температура изменяется довольно значительно (термография зон Захарьина-Геда
).
Интересен метод бесконтактного массажа биополем человека (Джуна Давиташвили). Мощность теплового излучения ладони 0,1Вт
, а тепловая чувствительность кожи 0,0001 Вт/см 2 . Если действовать на вышеупомянутые зоны, можно рефлекторно стимулировать работу этих органов.
4. Биологическое и терапевтическое действие тепла и холода
Тело человека постоянно излучает и поглощает тепловое излучение. Этот процесс зависит от температур тела человека и окружающей среды. Максимум ИК-излучения тела человека приходится на 9300нм.
При маленьких и средних дозах облучения ИК-лучами усиливаются метаболические процессы и ускоряются ферментативные реакции, процессы регенерации и репарации.
В результате действия ИК-лучей и видимого излучения в тканях образуются БАВ (брадикинин, калидин, гистамин, ацетилхолин, в основном вазомоторные вещества, которые играют роль в осуществлении и регуляции местного кровотока).
В результате действия ИК-лучей в коже активируются терморецепторы, информация от которых поступает в гипоталамус, в результате чего расширяются сосуды кожи, увеличивается объем циркулирующей в них крови, усиливается потовыделение.
Глубина проникновения ИК-лучей зависит от длины волны, влажности кожи, наполнения ее кровью степени пигментации и т.д.
На коже человека под действием ИК-лучей возникает красная эритема.
Применяется в клинической практике для влияния на местную и общую гемодинамику, усиления потовыделения, расслабления мышц, снижения болевого ощущения, ускорения рассасывания гематом, инфильтратов и т.д.
В условиях гипертермии усиливается противоопухолевое действие лучевой терапии - терморадиотерапия.
Основные показания применения ИК-терапии: острые негнойные воспалительные процессы, ожоги и обморожения, хронические воспалительные процессы, язвы, контрактуры, спайки, травмы суставов, связок и мышц, миозиты, миалгии, невралгии. Основные противопоказания: опухоли, гнойные воспаления, кровотечения, недостаточность кровообращения.
Холод применяется для остановки кровотечений, обезболивания, лечения некоторых заболеваний кожи. Закаливание ведет к долголетию.
Под действием холода снижается частота сердечных сокращений, артериальное давление, угнетаются рефлекторные реакции.
В определенных дозах холод стимулирует заживление ожогов, гнойных ран, трофических язв, эрозий, коньюктивитов.
Криобиология - изучает процессы, которые происходят в клетках, тканях, органах и организме под действием низких, нефизиологических температур.
В медицине используются криотерапия и гипертермия . Криотерапия включает методы, основанные на дозированном охлаждении тканей, органов. Криохирургия (часть криотерапии) использует локальное замораживание тканей с целью их удаления (часть миндалины. Если вся - криотонзилоэктомия. Можно удалять опухоли, например, кожи, шейки матки и т.д.) Криоэкстракция, основанная на криоадгезии (прилипании влажных тел к замороженному скальпелю) - выделение из органа части.
При гипертермии можно некоторое время сохранить функции органов ин виво. Гипотермию с помощью наркоза используют для сохранения функции органов при отсутствии кровоснабжения, поскольку замедляется обмен веществ в тканях. Ткани становятся стойкими к гипоксии. Применяют холодовой наркоз.
Осуществляют действие тепла с помощью ламп накаливания (лампа Минина, солюкс, ванна светотепловая, лампа ИК-лучей) с использованием физических сред, имеющих высокую теплоемкость, плохую теплопроводность и хорошую теплосохранящую способность: грязи, парафин, озокерит, нафталин и т.д.
5. Физические основы термографии.Тепловизоры
Термография, или тепловидение - это метод функциональной диагностики, основанный на регистрации ИК-излучения тела человека.
Существует 2 разновидности термографии:
- контактная холестерическая термография : в методе используются оптические свойства холестерических жидких кристаллов (многокомпонентные смеси сложных эфиров и других производных холестерина). Такие вещества избирательно отражают разные длины волн, что дает возможным получать на пленках этих веществ изображения теплового поля поверхности тела человека. На пленку направляют поток белого света. Разные длины волн по-разному отражаются от пленки в зависимости от температуры поверхности, на которую нанесен холестерик.
Под действием температуры холестерики могут изменять цвет от красного до фиолетового. В результате формируется цветное изображение теплового поля тела человека, которое легко расшифровать, зная зависимость температура-цвет. Существуют холестерики, позволяющие фиксировать разницу температур 0,1 градус. Так, можно определить границы воспалительного процесса, очаги воспалительной инфильтрации на разных стадиях ее развития.
В онкологии термография позволяет выявить метастатические узлы диаметром 1,5-2мм в молочной железе, коже, щитовидной железе; в ортопедии и травматологии оценить кровоснабжение каждого сегмента конечности, например, перед ампутацией, опередить глубину ожога и т.д.; в кардиологии и ангиологии выявить нарушения нормального функционирования ССС, нарушения кровообращения при вибрационной болезни, воспалении и закупорке сосудов; расширение вен и т.д.; в нейрохирургии определить расположение очагов повреждения проводимости нерва, подтвердить место нейропаралича, вызванного апоплексией; в акушерстве и гинекологии определить беременность, локализацию детского места; диагностировать широкий спектр воспалительных процессов.
- Телетермография - базируется на превращение ИК-излучения тела человека в электрические сигналы, которые регистрируются на экране тепловизора или другом записывающем устройстве. Метод бесконтактный.
ИК-излучение воспринимается системой зеркал, после чего ИК-лучи направляются на приемник ИК-волн, основную часть которого составляет детектор (фотосопротивление, металлический или полупроводниковый болометр, термоэлемент, фотохимический индикатор, электронно-оптический преобразователь, пьезоэлектрические детекторы и т.д.).
Электрические сигналы от приемника передаются на усилитель, а потом - на управляющее устройство, которое служит для перемещения зеркал (сканирование объекта), разогревания точечного источника света ТИС (пропорционально тепловому излучению), движения фотопленки. Каждый раз пленка засвечивается ТИС соответственно температуре тела в месте исследования.
После управляющего устройства сигнал может передаваться на компьютерную систему с дисплеем. Это позволяет запоминать термограммы, обрабатывать их с помощью аналитических программ. Дополнительные возможности предоставляет цветные тепловизоры (близкие по температуре цвета обозначить контрастными цветами), провести изотермы.
Многие копании в последнее время признают тот факт, что «достучаться» до потенциального клиента, порой, достаточно сложно, его информационное поле настолько загружено различного рода рекламными сообщениями, что таковые просто перестают восприниматься.
Активные продажи по телефону становятся одним из наиболее эффективных способов увеличения продаж в короткие сроки. Холодные звонки направлены на привлечение клиентов, которые ранее не обращались за товаром или услугой, но по ряду факторов являются потенциальными клиентами. Набрав телефонный номер, менеджер активных продаж должен четко осознавать цель холодного звонка. Ведь телефонные переговоры требуют от sales manager особого мастерства и терпения, а так же знание техники и методики ведения переговоров.
Энергетическая светимость тела - - физическая величина, являющаяся функцией температуры и численно равная энергии, испускаемой телом в единицу времени с единицы площади поверхности по всем направлениям и по всему спектру частот. Дж/с·м²=Вт/м²
Спектральная плотность энергетической светимости - функция частоты и температуры характеризующая распределение энергии излучения по всему спектру частот (или длин волн). , Аналогичную функцию можно написать и через длину волны
Можно доказать, что спектральная плотность энергетической светимости, выраженная через частоту и длину волны, связаны соотношением:
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.
Важность абсолютно чёрного тела в вопросе о спектре теплового излучения любых (серых и цветных) тел вообще, кроме того, что оно представляет собой наиболее простой нетривиальный случай, состоит ещё и в том, что вопрос о спектре равновесного теплового излучения тел любого цвета и коэффициента отражения сводится методами классической термодинамики к вопросу об излучении абсолютно чёрного (и исторически это было уже сделано к концу XIX века, когда проблема излучения абсолютно чёрного тела вышла на первый план).
Абсолютно чёрных тел в природе не существует, поэтому в физике для экспериментов используется модель. Она представляет собой замкнутую полость с небольшим отверстием. Свет, попадающий внутрь сквозь это отверстие, после многократных отражений будет полностью поглощён, и отверстие снаружи будет выглядеть совершенно чёрным. Но при нагревании этой полости у неё появится собственное видимое излучение. Поскольку излучение, испущенное внутренними стенками полости, прежде, чем выйдет (ведь отверстие очень мало), в подавляющей доле случаев претерпит огромное количество новых поглощений и излучений, то можно с уверенностью сказать, что излучение внутри полости находится в термодинамическом равновесии со стенками. (На самом деле, отверстие для этой модели вообще не важно, оно нужно только чтобы подчеркнуть принципиальную наблюдаемость излучения, находящегося внутри; отверстие можно, например, совсем закрыть, и быстро приоткрыть только тогда, когда равновесие уже установилось и проводится измерение).
2. Закон излучения Кирхгофа - физический закон, установленный немецким физиком Кирхгофом в 1859 году. В современной формулировке закон звучит следующим образом: 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, химического состава и проч.
Известно, что при падении электромагнитного излучения на некоторое тело часть его отражается, часть поглощается и часть может пропускаться. Доля поглощаемого излучения на данной частоте называется поглощательной способностью тела . С другой стороны, каждое нагретое тело излучает энергию по некоторому закону , именуемым излучательной способностью тела .
Величины и могут сильно меняться при переходе от одного тела к другому, однако согласно закону излучения Кирхгофа отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела и является универсальной функцией частоты (длины волны) и температуры:
По определению, абсолютно чёрное тело поглощает всё падающее на него излучение, то есть для него . Поэтому функция совпадает с излучательной способностью абсолютно чёрного тела, описываемой законом Стефана - Больцмана, вследствие чего излучательная способность любого тела может быть найдена исходя лишь из его поглощательной способности.
Закон Стефана - Больцмана - закон излучения абсолютно чёрного тела. Определяет зависимость мощности излучения абсолютно чёрного тела от его температуры. Формулировка закона: Мощность излучения абсолютно чёрного тела прямопропорциональна площади поверхности и четвёртой степени температуры тела: P = S εσT 4 , где ε - степень черноты (для всех веществ ε < 1, для абсолютно черного тела ε = 1).
При помощи закона Планка для излучения, постоянную σ можно определить как где - постоянная Планка, k - постоянная Больцмана, c - скорость света.
Численное значение Дж·с −1 ·м −2 · К −4 .
Немецкий физик В. Вин (1864-1928), опираясь на законы термо- и электродинамики, установил зависимость длины волны l max , соответствующей максимуму функции r l , T , от температуры Т. Согласно закону смещения Вина, l max =b/Т
т. е. длина волны l max , соответствующая максимальному значению спектральной плотности энергетической светимости r l , T черного тела, обратно пропорциональна его термодинамической температуре, b - постоянная Вина: ее экспериментальное значение равно 2,9 10 -3 м К. Выражение (199.2) потому называют законом смещения Вина, что оно показывает смещение положения максимума функции r l , T по мере возрастания температуры в область коротких длин волн. Закон Вина объясняет, почему при понижении температуры нагретых тел в их спектре все сильнее преобладает длинноволновое излучение (например, переход белого каления в красное при остывании металла).
Несмотря на то что законы Стефана - Больцмана и Вина играют, в теории теплового излучения важную роль, они являются частными законами, так как не дают общей картины распределения энергии по частотам при различных температурах.
3. Пусть стенки этой полости полностью отражают падающий на них свет. Поместим в полость какое-либо тело, которое будет излучать световую энергию. Внутри полости возникнет электромагнитное поле и, в конце концов, ее заполнит излучение, находящееся в состоянии теплового равновесия с телом. Равновесие наступит и в том случае, когда каким-либо способом нацело устранится обмен теплом исследуемого тела с окружающей его средой (например, будем проводить этот мысленный опыт в вакууме, когда отсутствуют явления теплопроводности и конвекции). Лишь за счет процессов испускания и поглощения света обязательно наступит равновесие: излучающее тело будет иметь температуру, равную температуре электромагнитного излучения, изотропно заполняющего пространство внутри полости, а каждая выделенная часть поверхности тела будет излучать в единицу времени столько энергии, сколько она поглощает. При этом равновесие должно наступить независимо от свойств тела, помещенного внутрь замкнутой полости, влияющих, однако, на время установления равновесия. Плотность энергии электромагнитного поля в полости, как будет показано ниже, в состоянии равновесия определяется только температурой.
Для характеристики равновесного теплового излучения важна не только объемная плотность энергии, но и распределение этой энергии по спектру. Поэтому будем характеризовать равновесное излучение, изотропно заполняющее пространство внутри полости, с помощью функции u ω - спектральной плотности излучения, т. е. средней энергии единицы объема электромагнитного поля, распределенной в интервале частот от ω до ω + δω и отнесенной к величине этого интервала. Очевидно, что значение u ω должно существенно зависеть от температуры, поэтому обозначим ее u (ω,T). Полная плотность энергии U (T ) связана с u (ω,T ) формулой .
Строго говоря, понятие температуры применимо лишь для равновесного теплового излучения. В условиях равновесия температура должна оставаться постоянной. Однако часто понятие температуры также используют для характеристики раскаленных тел, не находящихся в равновесии с излучением. Более того, при медленном изменении параметров системы можно в каждый данный промежуток времени характеризовать ее температурой, которая будет медленно изменяться. Так, например, если отсутствует приток тепла и излучение обусловлено уменьшением энергии светящегося тела, то его температура также будет уменьшаться.
Установим связь между испускательной способностью абсолютно черного тела и спектральной плотностью равновесного излучения. Для этого подсчитаем поток энергии, падающий на единичную площадку, расположенную внутри замкнутой полости, заполненной электромагнитной энергией средней плотности U ω . Пусть излучение падает на единичную площадку в направлении, определяемом углами θ и ϕ (рис. 6а) в пределах телесного угла dΩ:
Так как равновесное излучение изотропно, то в данном телесном угле распространяется доля, равная от всей энергии, заполняющей полость. Поток электромагнитной энергии, проходящей через единичную площадку в единицу времени
Заменяя dΩ выражением и интегрируя по ϕ в пределах (0, 2π) и по θ в пределах (0, π/2), получим полный поток энергии, падающий на единичную площадку:
Очевидно, что в условиях равновесия надо приравнять выражение (13) испускательной способности абсолютно черного тела r ω , характеризующей поток энергии, излучаемый площадкой, в единичном интервале частот вблизи ω:
Таким образом, показано, что испускательная способность абсолютно черного тела с точностью до множителя с/4 совпадает со спектральной плотностью равновесного излучения. Равенство (14) должно выполняться для каждой спектральной составляющей излучения, следовательно отсюда вытекает, что f (ω,T )= u (ω,T ) (15)
В заключение укажем, что излучение абсолютного черного тела (например, свет, испускаемый малым отверстием в полости) уже не будет равновесным. В частности, это излучение не изотропно, так как оно распространяется не по всем направлениям. Но распределение энергии по спектру для такого излучения будет совпадать со спектральной плотностью равновесного излучения, изотропно заполняющего пространство внутри полости. Это и позволяет пользоваться соотношением (14), справедливым при любой температуре. Никакой другой источник света не имеет сходного распределения энергии по спектру. Так, например, электрический разряд в газах или свечение под действием химических реакций имеет спектры, существенно отличные от свечения абсолютно черного тела. Распределение энергии по спектру раскаленных тел также заметно отличается от свечения абсолютно черного тела, что было выше сравнением спектров распространенного источника света (лампы накаливания с вольфрамовой нитью) и абсолютно черного тела.
4. Основываясь на законе о равнораспределении энергии по степеням свободы: на каждое электромагнитное колебание приходится в среднем энергия, складываемая из двух частей kT. Одну половинку вносит электрическая составляющая волны, а вторую -- магнитная. Само по себе, равновесное излучение в полости, можно представить как систему стоячих волн. Количество стоячих волн в трехмерном пространстве дается выражением:
В нашем случае скорость v следует положить равной c , более того, в одном направлении могут двигаться две электромагнитные волны с одной частотой, но со взаимно перпендикулярными поляризациями, тогда (1) в добавок следует помножить на два:
Итак, Релей и Джинс, каждому колебанию приписали энергию . Помножив (2) на ,получим плотность энергии, которая приходится на интервал частот dω:
Зная связь испускательной способности абсолютно черного тела f (ω,T ) с равновесной плотностью энергией теплового излучения , для f (ω,T ) находим: Выражения (3) и (4), называют формулой Релея-Джинса .
Формулы (3) и (4) удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными лишь для больших длин волн, на более коротких волнах согласие с экспериментом резко расходится. Более того, интегрирование (3) по ω в пределах от 0 до для равновесной плотности энергии u (T ) дает бесконечно большое значение. Этот результат, получивший название ультрафиолетовой катастрофы , очевидно, входит в противоречие с экспериментом: равновесие между излучением и излучающим телом должно устанавливаться при конечных значениях u (T ).
Ультрафиоле́товая катастро́фа - физический термин, описывающий парадокс классической физики, состоящий в том, что полная мощность теплового излучения любого нагретого тела должна быть бесконечной. Название парадокс получил из-за того, что спектральная плотность мощности излучения должна была неограниченно расти по мере сокращения длины волны. По сути этот парадокс показал если не внутреннюю противоречивость классической физики, то во всяком случае крайне резкое (абсурдное) расхождение с элементарными наблюдениями и экспериментом.
5. Гипо́теза Пла́нка - гипотеза, выдвинутая 14 декабря 1900 года Максом Планком и заключающаяся в том, что при тепловом излучении энергия испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными квантами (порциями). Каждая такая порция-квант имеет энергию , пропорциональной частоте ν излучения:
где h или - коэффициент пропорциональности, названный впоследствии постоянной Планка. На основе этой гипотезы он предложил теоретический вывод соотношения между температурой тела и испускаемым этим телом излучением - формулу Планка.
Формула Планка - выражение для спектральной плотности мощности излучения абсолютно чёрного тела, которое было получено Максом Планком. Для плотности энергии излучения u (ω,T ):
Формула Планка была получена после того, как стало ясно, что формула Рэлея - Джинса удовлетворительно описывает излучение только в области длинных волн. Для вывода формулы Планк в 1900 году сделал предположение о том, что электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций энергии (квантов), величина которых связана с частотой излучения выражением:
Коэффициент пропорциональности впоследствии назвали постоянной Планка, = 1.054 · 10 −27 эрг·с.
Для объяснения свойств теплового излучения пришлось ввести представление об испускании электромагнитного излучения порциями (квантами). Квантовая природа излучения подтверждается также существованием коротковолновой границы тормозного рентгеновского спектра.
Рентгеновское излучение возникает при бомбардировке твердых мишеней быстрыми электронами Здесь анод выполнен из W, Mo, Cu, Pt – тяжелых тугоплавких или с высоким коэффициентом теплопроводности металлов. Только 1–3 % энергии электронов идет на излучение, остальная часть выделяется на аноде в виде тепла, поэтому аноды охлаждают водой. Попав в вещество анода, электроны испытывают сильное торможение и становятся источником электромагнитных волн (рентгеновских лучей).
Начальная скорость электрона при попадании на анод определяется по формуле:
где U – ускоряющее напряжение.
>Заметное излучение наблюдается лишь при резком торможении быстрых электронов, начиная с U ~ 50 кВ, при этом (с – скорость света). В индукционных ускорителях электронов – бетатронах, электроны приобретают энергию до 50 МэВ, = 0,99995 с . Направив такие электроны на твердую мишень, получим рентгеновское излучение с малой длиной волны. Это излучение обладает большой проникающей способностью. Согласно классической электродинамике при торможении электрона должны возникать излучения всех длин волн от нуля до бесконечности. Длина волны, на которую приходится максимум мощности излучения, должна уменьшиться по мере увеличения скорости электронов. Однако есть принципиальное отличие от классической теории: нулевые распределения мощности не идут к началу координат, а обрываются при конечных значениях – это и есть коротковолновая граница рентгеновского спектра .
Экспериментально установлено, что
Существование коротковолновой границы непосредственно вытекает из квантовой природы излучения. Действительно, если излучение возникает за счёт энергии, теряемой электроном при торможении, то энергия кванта не может превысить энергию электрона eU , т.е. , отсюда или .
В данном эксперименте можно определить постоянную Планка h . Из всех методов определения постоянной Планка метод, основанный на измерении коротковолновой границы тормозного рентгеновского спектра, является самым точным.
7. Фотоэффе́кт - это испускание электронов вещества 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-ому 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 ν 0 (или максимальная длина волны λ 0), при которой ещё возможен фотоэффект, и если ν 0 , то фотоэффект уже не происходит .
Теоретическое объяснение этих законов было дано в 1905 году Эйнштейном. Согласно ему, электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов (фотонов) с энергией hν каждый, где h - постоянная Планка. При фотоэффекте часть падающего электромагнитного излучения от поверхности металла отражается, а часть проникает внутрь поверхностного слоя металла и там поглощается. Поглотив фотон, электрон получает от него энергию и, совершая работу выхода, покидает металл: h ν = A out + W e , где W e - максимальная кинетическая энергия, которую может иметь электрон при вылете из металла.
Из закона сохранения энергии, при представлении света в виде частиц (фотонов), следует формула Эйнштейна для фотоэффекта: h ν = A out + Ek
где A out - т. н. работа выхода (минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества), Ek - кинетическая энергия вылетающего электрона (в зависимости от скорости может вычисляться как кинетическая энергия релятивистской частицы, так и нет), ν - частота падающего фотона с энергией h ν, h - постоянная Планка.
Работа выхода - разница между минимальной энергией (обычно измеряемой в электрон-вольтах), которую необходимо сообщить электрону для его «непосредственного» удаления из объема твёрдого тела, и энергией Ферми.
«Красная» грани́ца фотоэффе́кта - минимальная частота или максимальная длина волны λ max света, при которой еще возможен внешний фотоэффект, то есть начальная кинетическая энергия фотоэлектронов больше нуля. Частота зависит только от работы выхода A out электрона: , где A out - работа выхода для конкретного фотокатода, h - постоянная Планка, а с - скорость света. Работа выхода A out зависит от материала фотокатода и состояния его поверхности. Испускание фотоэлектронов начинается сразу же, как только на фотокатод падает свет с частотой или с длиной волны .
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.
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.
