Тепловое излучение. Равновесное излучение.
Излучение телами электромагнитных волн (свечение тел) может осуществляться за счет различных видов энергии.
Тепловым излучением называется испускание электромагнитных волн за счет внутренней энергии тел.
Виды свечения, возбуждаемые за счет любого вида энергии, кроме внутренней (тепловой) энергии, объединяются под общим названием «люминесценция». К ним относятся хемилюминесценция, электролюминесценция, катодолюминесценция, фотолюминесценция.
Электромагнитное излучение всех длин волн обусловливается колебаниями электрических зарядов, входящих в состав вещества, т.е. электронов и ионов. При этом колебаниям ионов соответствует излучение низкой частоты (инфракрасное) вследствие значительной массы колеблющихся зарядов. Излучение, возникающее в результате движения электронов, может иметь высокую частоту (видимое и ультрафиолетовое излучение), если электроны входят в состав атомов или молекул и, следовательно, удерживаются около своего положения равновесия значительными силами. Свободные электроны, приведенные в движение, испытывают нерегулярное торможение, и их излучение характеризуется спектром различных длин волн.
Тепловое излучение имеет место при любой температуре. Тела, нагретые до достаточно высокой температуры, светятся белым цветом, обладая сплошным спектром частот. С понижением температуры уменьшается интенсивность излучения и изменяется спектральный состав излучения – все больший вклад вносят длинные волны (красные и инфракрасные). При низких температурах излучаются практически лишь длинные (инфракрасные) электромагнитные волны.
Пример: Нагревая какое-либо тугоплавкое вещество (уголь, металл), мы замечаем, что видимое на глаз темно-красное свечение появляется лишь при определенной температуре (около 500˚С). По мере повышения температуры свечение становится ярче и обогащается более короткими волнами, переходя примерно при 1500˚С в яркое белое каление. При помощи спектроскопа можем видеть, как по мере повышения температуры постепенно развивается сплошной спектр видимого свечения, т.е. от длин волн порядка 700 нм до 350нм (от красного до фиолетового). При помощи термоэлемента можно обнаружить, что кроме видимого спектра, нагреваемое тело излучает и инфракрасные, и ультрафиолетовые волны.
Не следует смешивать испускание лучей с их отражением. Любое излучение тела сопровождается потерей энергии. Для того чтобы обеспечить возможность непрерывного излучения энергии, необходимо пополнять ее убыль, иначе излучение будет сопровождаться какими-либо изменениями внутри тела, и состояние излучающей системы будет непрерывно изменяться.
Равновесным называется такое излучение, при котором все тела теплоизолированной (адиабатно замкнутой) системы находятся при одной и той же температуре.
Рассмотрим теплоизолированную систему тел, находящихся внутри замкнутой оболочки, температура которой постоянна. Тела могут обмениваться энергией между собой и оболочкой лишь путем испускания и поглощения электромагнитных волн. Опыт показывает, что такая система через некоторое время придет в состояние теплового равновесия – все тела примут ту же температуру, что и оболочка.
Нарушение равновесия теплового излучения вызывает возникновение процессов, восстанавливающих это равновесие. Допустим, что тело излучает больше энергии, чем поглощает. Тогда внутренняя энергия тела будет убывать, что приведет к понижению его температуры. Это в свою очередь повлечет уменьшение излучаемой телом энергии, пока количество излучаемой энергии не станет равным количеству поглощаемой, и равновесие восстановится.
Из всех видов излучения равновесным может быть только тепловое излучение. К равновесным состояниям и процессам применимы законы термодинамики. Перейдем к рассмотрению законов теплового излучения. Но прежде определим характеристики теплового излучения.
Характеристики теплового излучения.
Интенсивность теплового излучения характеризуется величиной потока энергии Ф, измеряемой в ваттах.
Поток энергии, испускаемый единицей поверхности излучающего тела за единицу времени по всем направлениям, называется энергетической светимостью
(1.1)
где S – площадь излучающей поверхности.
Энергетическая светимость является функцией температуры. Обозначим поток энергии, испускаемый единицей поверхности тела в интервале частот (ω,ω+dω), через dR. При малом интервале dω поток dR, будет пропорционален dω:
dR ω,T = rω,T dω (1.2)
Величина rω,T называется испускательной способностью тела (спектральной плотностью энергетической светимости). Испускательная способность – это поток энергии, излучаемый с единицы площади в единичном интервале частот. Она является функцией температуры и частоты. Энергетическая светимость связана с испускательной способностью формулой
(1.3)
Поглощательной способностью (или коэффициентом поглощения) тела называется отношение поглощенного телом потока энергии Ф’ к падающему Ф. Поглощательная способность есть функция частоты и температуры
.
Для всех тел безразмерная величина аω,Т < 1. Если тело полностью поглощает падающее на него излучение всех частот, то оно называется абсолютно черным и
аω,Т = 1.
Закон Кирхгофа.
Между испускательной и поглощательной способностями любого тела существует связь.
При одинаковых температурах тел, находящихся в состоянии теплового равновесия, происходит, конечно, излучение и поглощение энергии, но так, что в единицу времени тело столько же излучает тепла, сколько оно его поглощает. Отсюда ясно, что если два тела обладают различной способностью к поглощению, то их способность к испусканию также неодинакова.
В 1859 г. Кирхгоф сформулировал это утверждение в виде строго количественного закона, играющего важную роль во всех вопросах теплового излучения: отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела, оно является для всех тел одной и той же (универсальной) функцией частоты (длины волны) и температуры:
(1.4)
Сами величины аω,Т и rω,Т для различных тел могут сильно отличаться. Отношение же их оказывается одинаковым для всех тел.
Для абсолютно черного тела поглощательная способность равна единице. Следовательно, универсальная функция Кирхгофа 
имеет смысл испускательной способности абсолютно черного тела 
.
Абсолютно черных тел в природе не существует. Устройство, приближающееся по своим свойствам к абсолютно черному телу, представляет собой почти замкнутую полость, снабженную малым отверстием (рисунок). Излучение, проникающее внутрь через отверстие, прежде чем выйти обратно из отверстия, претерпевает многократные отражения. При этом лучистая энергия частично поглощается, рассеивается, отражается вновь и т.д., пока не поглотится почти что полностью. Если стенки полости поддерживать при постоянной температуре, то из отверстия выходит излучение, весьма близкое по спектральному составу к излучению абсолютно черного тела при той же температуре.
Сажа или платиновая чернь имеют поглощательную способность, близкую к единице, лишь в ограниченном интервале частот – в далекой инфракрасной области их поглощательная способность заметно меньше единицы. Следует отметить, что высокие поглощающие свойства этих материалов отчасти объясняются их пористостью, особенно для сажи. Свет, попавший на нее, испытывает несколько отражений, прежде чем получает возможность выйти из толщи материала. При каждом отражении часть энергии поглощается, и чем большее число раз отразится свет, тем больше поглотится энергии и тем больше, следовательно, поглощательная способность материала.
Закон Кирхгофа ставит в центр внимания теории теплового излучения функцию , представляющую собой испускательную способность абсолютно черного тела. Определение вида данной функции явилось основной задачей в этой области физики. Решение было получено не сразу.