Свойства теплового излучения
ВВЕДЕНИЕ
Заключительный раздел курса общей физики посвящен рассмотрению процессов, которые происходят между объектами, имеющими удивительные так называемые квантовые свойства.
Теория этих явлений довольно сложна. С одной стороны, применяемый математический аппарат значительно усложняется по сравнению с рассматриваемой до этого классической физикой. С другой стороны – большая часть затруднений связана с тем, что наше восприятие окружающего мира имеет «классическую» направленность. Многие свойства квантовых частиц, не имея аналогии в классической физике, вообще с трудом поддаются пониманию. Для преодоления этого препятствия требуются последовательность в изучении материала и настойчивость, так как некоторые вопросы корректно усваиваются только после многократных попыток осознать суть изучаемого явления.
Данное пособие представляет собой примерный курс лекций, содержащий в логическом порядке основные разделы квантовой механики, атомной, молекулярной и ядерной физики, а также элементы квантовой статистики и зонной теории твердых тел. Темы, систематически вызывающие у студентов наибольшие затруднения, рассмотрены более подробно. Кроме того, учтены современные поправки к развивающимся теориям, описан ряд приборов и устройств, работающих на основе квантовых явлений.
Содержание курса подобрано в соответствии с программой базового уровня по дисциплине "Физика" федерального компонента цикла общих математических и естественнонаучных дисциплин для ГОС 3-го поколения, рекомендованной научно-методическим советом по физике Министерства образования и науки Российской Федерации.
Пособие может быть использовано для аудиторных занятий и как дополнение к рекомендованным учебникам при самостоятельном изучении третьей части общего курса физики студентами-бакалаврами 1 и 2 курсов инженерно-технических специальностей ВТУЗа. Может быть особенно полезным для экономии лекционного времени за счет обращения в текст пособия.
I. КВАНТОВАЯ ПРИРОДА
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Свойства теплового излучения
С античных времен известно, что вещества, нагретые до достаточно высокой температуры, приобретают способность светиться. Например, раскаленные жидкие и твердые тела испускают белый свет, обладающий сплошным спектром частот. По мере понижения температуры тела не только уменьшается интенсивность его излучения, но и изменяется спектральный состав. В нем все сильнее обнаруживается преобладание длинных волн (красных и инфракрасных). При дальнейшем охлаждении тела излучение видимого света вообще прекращается – тело испускает лишь невидимые глазом инфракрасные лучи. Чтобы составить себе представление о характере этого излучения, рассмотрим несколько тел, нагретых до различной температуры и помещенных в замкнутую полость, стенки которой полностью отражают падающее на них излучение (рис. 1.1).
Рис.1.1. Тела, помещенные в полость, изолированную от обмена энергией
с окружающим пространством
Опыт показывает, что такая система в результате обмена энергией через некоторое время перейдет в состояние теплового равновесия, при котором температура всех тел окажется одинаковой.
Независимо от того, будет ли между телами вакуум или какая-либо упругая среда, они будут обмениваться энергией путем испускания и поглощения электромагнитных волн. Электромагнитное излучение, которое возникает за счет внутренней энергии излучающего тела и зависит только от температуры и оптических свойств этого тела, называется тепловым излучением.
Такое излучение называют равновесным, поскольку это единственное излучение, способное находиться в термодинамическом равновесии с веществом. Это означает, что если тела имеют одинаковую температуру, то за любой промежуток времени испускаемая телами энергия равна энергии, поглощаемой этими телами. В случае, если температура одного из тел будет выше других, то это тело будет характеризоваться бóльшим количеством излучаемой энергии. Температура этого тела будет снижаться до тех пор, пока количество излучаемой энергии не станет равным количеству поглощаемой энергии, то есть до тех пор, пока не восстановится термодинамическое равновесие. Если же одно из тел будет иметь температуру ниже остальных тел, то будет наблюдаться обратный процесс: поглощение энергии этим телом будет преобладать над излучением, и его температура будет возрастать до точки термодинамического равновесия. То есть, в любом случае будет наблюдаться процесс, восстанавливающий равновесное состояние системы «тело-излучение».
Итак, когда излучение падает на какое-либо тело, часть этого излучения отражается от поверхности. Причем гладкая поверхность даст зеркальное отражение, матовая – позволит наблюдать диффузное отражение или так называемое рассеяние. Остальная часть излучения поглотится веществом и энергия излучения, в конечном счете, будет превращена в тепловую энергию. Процесс поглощения можно описать следующим образом: поглощаемое телом излучение увеличивает кинетическую энергию составляющих его атомов, которые совершают колебания вблизи положений равновесия. Средняя кинетическая энергия поступательного движения атомов определяет температуру тела, поэтому поглощение энергии приводит к повышению температуры. Соответственно, процесс теплового излучения сводится к уменьшению кинетической энергии за счет испускания атомами электромагнитной волны, уносящей с собой долю энергии атомов. В свою очередь, согласно законам термодинамики, уменьшение кинетической энергии атомов равнозначно понижению температуры тела.
Интенсивность теплового излучения принято характеризовать потоком энергии Ф, имеющим в системе СИ размерность [1 ватт]. Плотность потока энергии (отношение потока энергии Ф к объему пространства между телами) не зависит ни от размеров и формы описанной выше полости, ни от свойств находящихся в ней тел (рис. 1.1), а определяется лишь равновесной температурой тел. Поэтому можно говорить о температуре самого излучения, считая ее равной температуре тел.
Равновесное излучение однородно (интенсивность излучения одинакова во всех точках), изотропно (волны распространяются во всех направлениях равномерно) и не поляризовано (см. курс волновой оптики тему «поляризация света»).