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.