Тепловое излучение. Природа и свойства теплового излучения презентация

Все остальные виды свечения относятся к люминесценции и осуществляются за счет других видов энергии (например, химических реакций).
Свойства теплового излучения: имеет сплошной спектр, изотропно и равновесно.
Тепловое излучение состоит из смеси электромагнитных волн с разной длиной волны, от самых длинных до коротких. При низкой температуре тело испускает в основном длинные волны ; такое излучение называют инфракрасным. По мере нагрева тела в излучении начинают преобладать короткие длины волн.

Рассмотрим, что такое равновесное тепловое излучение.
Равновесное тепловое излучение происходит при постоянной температуре
излучающего тела – при этом энергия , отдаваемая телом на излучение,
равна энергии, поглощаемой им из падающего на него излучения
Окружим излучающее в вакууме тело S оболочкой
с идеально отражающей поверхностью.
Излучение тела отражается оболочкой , падает на
тело, поглощается им (частично или полностью), а
затем опять переизлучается телом.
То есть происходит непрерывный обмен энергией
между телом и излучением, заполняющим полость.
Если распределение энергии между телом и излучением не изменяется с
течением времени (сколько энергии излучается телом в единицу времени,
столько же и поглощается) для каждой длины волны, то состояние
системы тело-излучение будет называться равновесным.
Единственным видом излучения, которое может находиться в равновесии
с излучающими телами, является тепловое излучение.

1.2 Характеристики теплового излучения
1) Энергетическая светимость тела
2)Спектральная плотность излучения
3) Поглощательная способность тела
, -энергия , падающая на поверхность тела в интервале длин волн (λ, λ+d λ),
- энергия , поглощенная этой поверхностью в том же интервале (λ, λ+d λ).

Для тела, полностью поглощающего упавшее
на него излучение всех частот .
Такое тело называется абсолютно черным.
Тело, для которого
называется серым телом.
Обозначения характеристик абсолютно черного тела: , .
Абсолютно черных тел в природе не существует – это модель. Однако можно создать устройство сколь угодно близкое к нему по своим свойствам.
Такое устройство представляет собой почти замкнутую полость с малым отверстием. Излучение, проникшее внутрь полости через отверстие, многократно отражается от стенок
полости и почти полностью поглощается ими.
Для него называют коэффициентом нечерности тела:
Серое тело поглощает одинаково на всех частотах ,но не все падающее на него излучение.

Отступление
Зеленый наряд планеты
К зелёному наряду планеты мы привыкли и поэтому не всегда задумываемся над тем, почему именно он зеленый. Растениям принадлежит существенная роль в жизни на Земле, т. к. в результате фотосинтеза в листьях растений вырабатывается кислород.
Так как фотосинтез протекает наиболее эффективно под действием света синего и красного участков спектра, растения приспособились отражать зеленый свет. Таким образом, отражая зеленый свет, листья приобрели зелёную окраску

1.3 Законы теплового излучения
Закон Кирхгофа
Отношение спектральной плотности излучения тела к его поглощательной способности не зависит от природы тела и равно спектральной плотности излучения абсолютно черного тела при тех же значениях λ и Т.
Т.о. равновесное излучение любого тела , зная его ,можно свести к излучению абсолютно черного тела при той же температуре:
Основная модель равновесного теплового излучения – модель абсолютно черного тела.
Согласно закону Кирхгофа зачерненная часть платиновой пластинки при нагревании светится ярче, чем незачерненная.
Тело, которое при данной температуре лучше поглощает волны какой-либо длины, должно их и лучше испускать.

У Солнца испускательная способность очень велика, следовательно по закону Кирхгофа и поглощательная его способность огромна, т.е. Солнце является абсолютно черным телом!
Получен опытным путем спектр излучения абсолютно черного тела. Из него следуют законы теплового излучения:
Энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна абсолютной температуре в четвертой степени:
ЗАКОН СТЕФАНА – БОЛЬЦМАНА
σ−постоянная Стефана − Больцмана, σ=5,7⋅10-8 Вт/(м2⋅К4).
Для нечерных тел:
а−поглощательная способность нечерного тела.

Законы смещения Вина
Длина волны, соответствующая максимуму спектра излучения абс. черн. тела, обратно пропорциональна температуре излучающего тела.
1 = 2,90⋅10-3 м⋅К.
b
1-й закон смещения Вина:
Из 1 закона следует, что при повышении температуры максимум спектра излучения абсолютно черного тела смещается в область более коротких длин волн.
2-й закон смещения Вина:
максимум излучательной способности абсолютно черного тела пропорционален абсолютной температуре в пятой степени.
2 =1,29⋅10-5 Вт/(м3⋅К5)
b

Отступление.
Практическое применение законов Стефана – Больцмана и Вина.
Законы Вина и Стефана – Больцмана широко применяются для дистанционного определения температуры нагретых тел.
Радиационной (излучательной) температурой называется температура тела, определённая путём измерения мощности излучения тела с помощью закона Стефана –Больцмана.
Цветовой температурой называется температура тела, определённая путём измерения длины волны максимума излучательной способности тела и его температуры с помощью 1 закона Вина.
Яркостная температура - температура абс. черн. тела, при которой его спектральная плотность излучения равна спектральной плотности излучения данного тела (определяется пирометром с исчезающей нитью):

Рассмотрим яркостную температуру.
- по принципу работы пирометра
- по закону Кирхгофа
- истинная температура тела всегда выше яркостной.

1.4 Формула Рэлея – Джинса. Ультрафиолетовая катастрофа.
Рэлей и Джинс попытались объяснить зависимость с точки зрения классической физики, используя волновые представления о природе света.
Они считали, что в состоянии теплового равновесия в полости могут существовать лишь стоячие волны, т.к. отсутствует направленный перенос энергии в системе «излучение – стенка». То есть вдоль линейных размеров полости укладывается целое число длин волн излучения.
В одномерном случае , или ,
где с – скорость света в вакууме, N - число мод колебаний, укладывающихся по длине а полости.
В трехмерном случае плотность мод колебаний ( число длин полуволн в единице объема в единичном интервале частот) они получили такую:
(1)

Умножив выражение (1) на среднюю энергию излучения
, приходящуюся на одно колебание, получили объемную плотность энергии излучения в единичном интервале частот :
Они предположили, что на каждое электромагнитное колебание приходится в среднем энергия равная двум половинкам kT, − одна половинка на электрическую, вторая − на магнитную энергию волны: .
Связь энергетической светимости тела и полной плотности энергии излучения этого тела (Савельев И.В., Курс физики, т.3, §3) :
Полная плотность энергии, суммируемая по всем частотам:
(2)
(3)

Подставляя (2) в (3), получим
(4) - формула Рэлея – Джинса.
Этот результат получил название ультрафиолетовой катастрофы.
Формула Рэлея-Джинса для равновесного излучения абсолютно черного тела
Запишем (4) через длину волны:
Эта зависимость представлена на рис. пунктиром .
удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными лишь при
больших длинах волн и резко расходится с опытом для малых длин волн.

Планк предположил, что это не так.
Гипотеза Планка (1-я часть): Энергия излучается и поглощается веществом порциями, или квантами, и процесс имеет вероятностный характер. При этом энергия каждого кванта пропорциональна частоте излучения:
1.5 ГИПОТЕЗА И ФОРМУЛА ПЛАНКА
Выражение для получено строго и сомнений не вызывает. Причина неудачи теории Рэлея и Джинса связана с использованием ими одного из основных положений классической физики: энергия любой системы может меняться непрерывно, т.е. принимать любые, сколь угодно близкие друг другу значения.
Согласно этому положению средняя энергия одного колебания .
Если излучение испускается порциями то его энергия должна быть кратна этой величине:
Гипотеза Планка (2-я часть): распределение энергии излучения по возможным энергетическим состояниям подчиняется распределению Больцмана.

Планк получил среднюю энергию излучения на частоте ν:
(5)
Подставив (5) в (4) вместо kT , получим формулу Планка:
(6)
Эта формула хорошо согласуется с экспериментальными данными во всем интервале частот от 0 до ∞.