7.5.11. Шкала электромагнитных волн

ЭМВ в зависимости от их частоты (длины волны) делят на группы:

а) низкочастотное излучение  = 10 ... 310⁴ Гц;  = 310⁷ ... 10⁴ м;

источники: линии электропередач, низкочастотные электро-радиосхемы и др.;

б) радиоволны  = 310⁴ ... 10¹³ Гц;  = 10⁴ ... 310^–5 м;

источники: электромагнитные вибраторы;

в) инфракрасное излучение  = 310¹² ... 310¹⁴ Гц;  = 10^–4 ... 10^–6 м;

источники: нагретые вещества;

г) видимое излучение  = 3,510¹⁴ ... 710¹⁴ Гц;  = 810^–7 ... 410^–7 м;

источники: Солнце, нагретые тела и др.;

д) ультрафиолетовое излучение:  = 710¹⁴ ... 510¹⁶ Гц;  = 410^–7 ... 610^–9 м;

источники: Солнце, тела при температуре порядка 3000 К и др.;

е) рентгеновское излучение  = 510¹⁶ ... 10²⁰ Гц;  = 610^–9 ... 310^–12 м;

источники: рентгеновская трубка, Солнце и др.;

ж) гамма ()-излучение  = 10²⁰ ... 10²¹ Гц;  = 310^–12 ... 310^–13 м;

источники: ядра атомов при возбуждении, космические объекты при ядерных реакциях.

• Диапазоны отмечены приближённо и часто перекрываются.

• Свойства излучений разных диапазонов качественно различны.

• В наибольшей степени атмосфера Земли поглощает рентгеновское и -излучения.

7.5.12. Чёрное тело. Закон теплового излучения Кирхгофа

Тепловое излучение возникает вследствие возбуждения частиц при их хаотическом движении и зависит от природы вещества и его температуры, причём разные вещества при одной и той же температуре( ) излучают неодинаково.

Спектральная плотность энергетической светимости (излучательная способность) по частоте (е) – физическая величина, численно равная энергии теплового излучения с единицы площади поверхности тела за единицу времени в интервале частот единичной ширины .

Если излучение падает на тело, то энергия излучения поглощается и превращается во внутреннюю энергию тела.

Коэффициент поглощения (поглощательная способность) тела (а) – отношение поглощённой телом энергии излучения к падающей.

• а – безразмерная величина, зависит от природы тела, состояния его поверхности и частоты излучения.

Абсолютно чёрное тело – тело, поглощающее всё падающее на него излучение.

• У абсолютно чёрного тела (АЧТ) , у других тел а < 1, у идеального зеркала а = 0.

Рассмотрим термоизолированную систему – камеру, внутрь которой помещены тела 1, 2, 3 разной температуры. Более нагретые тела излучают энергию, менее нагретые – принимают. Через некоторое время наступит тепловое равновесие (баланс излучения и поглощения), у стенок и тел установится одна температура. Пространство камеры будет равномерно заполнено ЭМВ разной частоты и интенсивности, хаотически движущимися во всех направлениях.

Пусть на 1 м² любой поверхности системы в любом единичном диапазоне частот падает в 1 с энергия излучения J, тогда тело поглощает aJ энергии. Т.к. тело излучает столько же, сколько и поглощает, то е = aJ или е₁ = a₁J; е₂ = a₂J и т. д. Тогда .

Если в системе есть АЧТ (а_ч = 1), то и мы получаем закон теплового излучения Кирхгофа: для произвольной частоты и температуры отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел и равно излучательной способности абсолютно чёрного тела, являющейся функцией только частоты и температуры.

Значит, при данной температуре наибольшей излучательной способностью обладает АЧТ (а_ч = 1 = а_max  е_ч = е_max). Тогда при данной высокой температуре: 1) при неравновесном излучении АЧТ светит ярче других; 2) при равновесном излучении из энергии J, падающей на тело, часть aJ поглощается, остальная (1 – а)J – отражается. К отражённой части (1 – а)J добавляется излучённая e = aJ и общая энергия, исходящая с поверхности тела aJ + (1 – а)J = J = e_ч, т. е. при равновесном излучении с единицы площади поверхности любого тела в единицу времени исходит излучение с такой же энергией, как и от АЧТ (с той же площади за то же время).

Значит, если в стенке системы сделать отверстие (достаточно малое, чтобы не нарушить тепловое равновесие), то оно может служить хорошей моделью АЧТ. Действительно, если в отверстие попадает излучение, то оно, многократно отражаясь, полностью поглощается системой и обратно не выходит.

Если поместить в печь детали из графита, металла и кварца и наблюдать их через маленькое окошко, то они светят практически одинаково (их излучение равновесно и определяется только температурой). Если же их вынуть из печи (нарушить тепловое равновесие), то в первый момент их излучение будет определяться излучающей способностью и ярче других будет светить деталь из графита.

Если представить, что в системе установлены фильтры, пропускающие тепловое излучение только определённой частоты , то закон примет вид: . Значит, если в каком-либо диапазоне частот тело имеет наибольшую поглощательную способность, то в этом же диапазоне оно имеет и наибольшую излучательную способность, что приводит к формулировке закона Кирхгофа, приведённой в п.7.5.4.