Спектральная плотность излучения абсолютно черного тела равна

Абсолютно чёрное тело — физическое тело, которое при любой температуре поглощает всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах. Коэффицент поглощения равен 1.

Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только его температурой.

Рис.1. Модель абсолютно черного тела

Первый закон излучения Вина:

В 1893 году Вильгельм Вин, воспользовавшись, помимо классической термодинамики, электромагнитной теорией света, вывел следующую формулу:

где uν — плотность энергии излучения,

ν — частота излучения,

T — температура излучающего тела,

f — функция, зависящая только от отношения частоты к температуре. Вид этой функции невозможно установить, исходя только из термодинамических соображений.

Второй закон излучения Вина:

В 1896 году Вин на основе дополнительных предположений вывел второй закон:

где C1, C2 — константы. Опыт показывает, что вторая формула Вина справедлива лишь в пределе высоких частот (малых длин волн).

Закон Рэлея — Джинса:

Попытка описать излучение абсолютно чёрного тела исходя из классических принципов термодинамики и электродинамики приводит к закону Рэлея — Джинса:

Эта формула предполагает квадратичное возрастание спектральной плотности излучения в зависимости от его частоты.

Интенсивность излучения абсолютно чёрного тела в зависимости от температуры и частоты определяется законом Планка

где R (v, T) — мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности в единичном интервале частот (размерность в СИ: Дж·с −1 ·м −2 ·Гц −1 ).

Закон Стефана — Больцмана:

Общая энергия теплового излучения определяется законом Стефана — Больцмана, который гласит:

Мощность излучения абсолютно чёрного тела (интегральная мощность по всему спектру), приходящаяся на единицу площади поверхности, прямо пропорциональна четвёртой степени температуры тела:

Таким образом, абсолютно чёрное тело при <displaystyle T>T = 100 K излучает 5,67 ватт с квадратного метра своей поверхности.

Цветность чернотельного излучения:

Температурный интервал в кельвинах

Квантовый характер теплового излучения. Формула Планка. Оптическая пирометрия.

После установления законов излучения стало очевидно, что первоочередная задача теории теплового излучения состоит в нахождении вида функции Кирхгофа, т.е. выяснение спектрального состава равновесного излучения абсолютно черного тела. Решение этой задачи вышло далеко за рамки теории излучения и сыграло огромную роль во всем дальнейшем развитии физики, т.к. привело к установлению квантового характера излучения и поглощения энергии атомами и молекулами.

Формула Планка — выражение для спектральной плотности мощности излучения (спектральной плотности энергетической светимости) абсолютно чёрного тела, которое было получено Максом Планком для плотности энергии излучения u(w,T)

Формула Планка («форма» зависимости <displaystyle u>h от частоты и температуры), первоначально, была «выведена» эмпирически. Формула Планка была получена после того, как стало ясно, что формула Рэлея — Джинса (которая следует из классической теории электромагнитного поля) удовлетворительно описывает излучение только в области длинных волн. С убыванием длин волн формула Рэлея—Джинса сильно расходится с эмпирическими данными; более того, в пределе она даёт расхождение: бесконечную энергию излучения (ультрафиолетовая катастрофа). В связи с этим Планк в 1900 году сделал предположение, противоречащее классической физике, что электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций (квантов) энергии, величина которых связана с частотой излучения выражением:

Коэффициент пропорциональности h, впоследствии назвали постоянной Планка, h = = 1,054 · 10 −27 эрг·с.

Правильность формулы Планка подтверждается не только непосредственной эмпирической проверкой, но и следствиями из данной формулы; в частности, из неё следует закон Стефана — Больцмана (также эмпирически подтверждённый). Кроме того, из неё выводятся также и приблизительные формулы, полученные до формулы Планка: формула Вина и формула Рэлея — Джинса.

Оптическая пирометрия – методы измерения высоких температур, использующие зависимость спектральной плотности энергетической светимости или интегральной энергетической светимости тел от температуры. Приборы для измерения температуры нагретых тел по интенсивности их теплового излучения в оптическом диапазоне спектра называются пирометрами. В зависимости от того, какой закон теплового излучения используется при измерении тем­пературы тел, различают радиационную, цветовую и яркостную температуры.

<displaystyle u(omega ,T)>пр Радиационная температура — это такая температура черного тела, при которой его энергетическая светимость равна энергетической светимости исследуемого тела. В данном случае регистрируется энергетическая светимость исследуемого тела и по закону Стефана – Больцмана вычисляется его радиационная температура:

Цветовая температура. Для серых тел (или тел, близких к ним по свойствам) спектральная плотность энергетической светимости

Читайте также:  Цифровое телевидение мгтс без приставки

Яркостная температуря Тя. — это температура черного тела, при которой для определенной длины волны его спектральная плотность энергетической светимости равна спектральной плотности энергетической светимости исследуемого тела, т. е.

где Т — истинная температура тела. В качестве яркостного пирометра обычно используется пирометр с исчезающей нитью. В данном случае изображение нити пирометра становится неразличимым на фоне поверхности раскаленного тела. Используя проградуированный по черному телу миллиамперметр, можно определить яркостную температуру.

Зависимость полной испускательной способности R абсолютно черного тела от температуры была получена в 1879 г. австрийским физиком И. Стефаном и обоснована теоретически в 1884 г. Л. Больцманом.

Полная испускательная способность R абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры (закон Стефана-Больцмана): , где σ = 5,67·10 -8 Вт·м -2 ·К -4 – постоянная Стефана-Больцмана.

Спектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела имеет максимум, который смещается в зависимости от абсолютной температуры этого тела. На Рис. 4.2.1 показано распределение энергии и смещение максимума при различных температурах в спектре излучения угля близком к абсолютно черному телу.

Рис. 1. Спектральная плотность излучения угля

Характер этого смещения выражается законом Вина – длина волны, соответствующая максимуму излучения абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его абсолютной температуре: , где
b = 2,9·10 -3 м·К – постоянная Вина.

Из рис. 1 следует, что с повышением температуры испускательная способность возрастает (увеличивается площадь под кривой), а длина волны, соответствующая максимуму излучения, уменьшается.

Наглядным примером, подтверждающим изменение длины волны максимума излучения, является изменение цвета свечения нагреваемого металла. Сначала металл остается темным (максимум лежит в ИК области спектра), затем при достаточно высокой температуре появляется красное свечение металла ("красное каление"), потом оранжевое, желтое и, наконец, голубовато-белое свечение ("белое каление"). Конечно, металл не является абсолютно черным телом, но некоторые черты последнего сохраняются.

При температуре 6000 К максимум излучения приходится на видимый свет (λмакс ≈ 0,5 мкм). Отсюда следует, что наиболее выгодный в световом отношении источник света должен иметь такую температуру, при которой световой КПД (отношение энергии излучения, приходящейся на видимую часть спектра, ко всей энергии излучения) оказывается около 15%, поскольку большая часть энергии излучения приходится на ИК лучи. У современных осветительных ламп температура нити накала равна приблизительно 3000 К, что соответствует световому КПД примерно 3%.

На законе Вина основана оптическая пирометрия. Так, максимум излучения Солнца приходится на видимый свет (λмакс ≈ 0,47 мкм). Поэтому, согласно закону Вина, имеем: .

Законы Стефана-Больцмана и Вина являются частными законами излучения абсолютно черного тела, они не дают полной картины распределения энергии по длинам волн при различных температурах.

Световые кванты. Формула Планка

Макс Планк высказал революционную гипотезу, согласно которой электромагнитная энергия может излучаться только определенными порциями – квантами ε – энергии. Поэтому излучение любого тела производится с энергией, кратной минимальному значению nε (n = 1, 2, 3, . ). Квант энергии электромагнитного излучения пропорционален частоте (обратно пропорционален длине волны): , где с – скорость света в вакууме, h = 6,625·10 -34 Дж·с – постоянная Планка.

По этой формуле можно вычислить квант энергии для излучения с любой длиной волны.

Процесс поглощения также, как и процесс излучения электромагнитной энергии, имеем прерывистый (квантовый) характер. Особенно заметны квантовые особенности поглощения и излучения для коротких длин волн, порождаемых атомами и молекулами. Поэтому законы классической физики, полученные из наблюдений за макрообъектами, не вполне пригодны для описания процессов, происходящих на уровне атомов и молекул или еще более глубоких степенях изучения материи.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Сдача сессии и защита диплома – страшная бессонница, которая потом кажется страшным сном. 8921 – | 7229 – или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Абсолютно чёрное тело — физическое тело, которое при любой температуре поглощает всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах [1] .

Таким образом, у абсолютно чёрного тела поглощательная способность (отношение поглощённой энергии к энергии падающего излучения) равна 1 для излучения всех частот, направлений распространения и поляризаций [2] [3] .

Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только его температурой.

Важность абсолютно чёрного тела в вопросе о спектре теплового излучения любых (серых и цветных) тел вообще, кроме того, что оно представляет собой наиболее простой нетривиальный случай, состоит ещё и в том, что вопрос о спектре равновесного теплового излучения тел любого цвета и коэффициента отражения сводится методами классической термодинамики к вопросу об излучении абсолютно чёрного тела (и исторически это было уже сделано к концу XIX века, когда проблема излучения абсолютно чёрного тела вышла на первый план).

Читайте также:  Экомашина хьюля цена отзывы

Близким к единице коэффициентом поглощения обладают сажа и платиновая чернь [3] . Сажа поглощает до 99 % падающего излучения (то есть имеет альбедо, равное 0,01) в видимом диапазоне длин волн, однако инфракрасное излучение поглощается ею значительно хуже. Наиболее чёрное из всех известных веществ — изобретённая в 2014 году субстанция Vantablack, состоящая из параллельно ориентированных углеродных нанотрубок, — поглощает 99,965 % падающего на него излучения в диапазонах видимого света, микроволн и радиоволн.

Среди тел Солнечной системы свойствами абсолютно чёрного тела в наибольшей степени обладает Солнце. Максимум энергии излучения Солнца приходится примерно на длину волны 450 нм, что соответствует температуре наружных слоёв Солнца около 6000 K (если рассматривать Солнце как абсолютно чёрное тело) [4] .

Термин «абсолютно чёрное тело» был введён Густавом Кирхгофом в 1862 году.

Содержание

Практическая модель [ править | править код ]

Абсолютно чёрных тел в природе не существует (чёрная дыра поглощает всё падающее излучение, но её температуру невозможно контролировать), поэтому в физике для экспериментов используется модель. Она представляет собой непрозрачную замкнутую полость с небольшим отверстием, стенки которой имеют одинаковую температуру. Свет, попадающий внутрь сквозь это отверстие, после многократных отражений будет полностью поглощён, и отверстие снаружи будет выглядеть совершенно чёрным [3] . Но при нагревании этой полости у неё появится собственное видимое излучение. Поскольку излучение, испущенное внутренними стенками полости, прежде, чем выйдет (ведь отверстие очень мало), в подавляющей доле случаев претерпит огромное количество новых поглощений и излучений, то можно с уверенностью сказать, что излучение внутри полости находится в термодинамическом равновесии со стенками. (На самом деле, отверстие для этой модели вообще не важно, оно нужно только чтобы подчеркнуть принципиальную наблюдаемость излучения, находящегося внутри; отверстие можно, например, совсем закрыть, и быстро приоткрыть только тогда, когда равновесие уже установилось и проводится измерение).

Законы излучения абсолютно чёрного тела [ править | править код ]

Классический подход [ править | править код ]

Изначально к решению проблемы были применены чисто классические методы, которые дали ряд важных и верных результатов, однако полностью решить проблему не позволили, приведя в конечном итоге не только к резкому расхождению с экспериментом, но и ко внутреннему противоречию — так называемой ультрафиолетовой катастрофе.

Изучение законов излучения абсолютно чёрного тела явилось одной из предпосылок появления квантовой механики.

Первый закон излучения Вина [ править | править код ]

  • u ν = ν 3 f ( ν T ) , <displaystyle u_<
    u >=
    u ^<3>fleft(<frac <
    u >>
    ight),>

где uν — плотность энергии излучения,

ν — частота излучения, T — температура излучающего тела, f — функция, зависящая только от отношения частоты к температуре. Вид этой функции невозможно установить, исходя только из термодинамических соображений.

Первая формула Вина справедлива для всех частот. Любая более конкретная формула (например, закон Планка) должна удовлетворять первой формуле Вина.

Из первой формулы Вина можно вывести закон смещения Вина (закон максимума) и закон Стефана — Больцмана, но нельзя найти значения постоянных, входящих в эти законы.

Исторически именно первый закон Вина назывался законом смещения, но в настоящее время термином «закон смещения Вина» называют закон максимума.

Второй закон излучения Вина [ править | править код ]

В 1896 году Вин на основе дополнительных предположений вывел второй закон:

u ν = C 1 ν 3 e − C 2 ν T , <displaystyle u_<
u >=C_<1>
u ^<3>e^<-C_<2><frac <
u >>>,>

где C1, C2 — константы. Опыт показывает, что вторая формула Вина справедлива лишь в пределе высоких частот (малых длин волн). Она является частным конкретным случаем первого закона Вина.

Позже Макс Планк показал, что второй закон Вина следует из закона Планка для больших энергий квантов, а также нашёл постоянные C1 и C2 . С учётом этого, второй закон Вина можно записать в виде:

u ν = 8 π h ν 3 c 3 e − h ν / k T , <displaystyle u_<
u >=<frac <8pi h
u ^<3>><3>>>e^<-h
u /kT>,>

Закон Рэлея — Джинса [ править | править код ]

Попытка описать излучение абсолютно чёрного тела исходя из классических принципов термодинамики и электродинамики приводит к закону Рэлея — Джинса:

u ( ω , T ) = k T ω 2 π 2 c 3 <displaystyle u(omega ,T)=kT<frac <omega ^<2>><pi ^<2>c^<3>>>>

Эта формула предполагает квадратичное возрастание спектральной плотности излучения в зависимости от его частоты. На практике такой закон означал бы невозможность термодинамического равновесия между веществом и излучением, поскольку согласно ему вся тепловая энергия должна была бы перейти в энергию излучения коротковолновой области спектра. Такое гипотетическое явление было названо ультрафиолетовой катастрофой.

Тем не менее закон излучения Рэлея — Джинса справедлив для длинноволновой области спектра и адекватно описывает характер излучения. Объяснить факт такого соответствия можно лишь при использовании квантово-механического подхода, согласно которому излучение происходит дискретно. Исходя из квантовых законов можно получить формулу Планка, которая будет совпадать с формулой Рэлея — Джинса при ℏ ω / k T ≪ 1 <displaystyle hbar omega /kTll 1> .

Этот факт является прекрасной иллюстрацией действия принципа соответствия, согласно которому новая физическая теория должна объяснять всё то, что была в состоянии объяснить старая.

Читайте также:  Таблица случайных чисел как пользоваться

Закон Планка [ править | править код ]

Интенсивность излучения абсолютно чёрного тела в зависимости от температуры и частоты определяется законом Планка [5] :

R ( ν , T ) = 2 π h ν 3 c 2 1 e h ν / k T − 1 , <displaystyle R(
u ,T)=<frac <2pi h
u ^<3>><2>>><frac <1>-1>>,>

где R ( ν , T ) <displaystyle R(
u ,T)> — мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности в единичном интервале частот (размерность в СИ: Дж·с −1 ·м −2 ·Гц −1 ), что эквивалентно

R ( λ , T ) = 2 π h c 2 λ 5 1 e h c / λ k T − 1 , <displaystyle R(lambda ,T)=<2pi h<2>> over lambda ^<5>><1 over e^-1>,>

где R ( λ , T ) <displaystyle R(lambda ,T)> — мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности в единичном интервале длин волн (размерность в СИ: Дж·с −1 ·м −2 ·м −1 ).

Закон Стефана — Больцмана [ править | править код ]

Общая энергия теплового излучения определяется законом Стефана — Больцмана, который гласит:

Мощность излучения абсолютно чёрного тела (интегральная мощность по всему спектру), приходящаяся на единицу площади поверхности, прямо пропорциональна четвёртой степени температуры тела:

j = σ T 4 , <displaystyle j=sigma T^<4>,>

где j <displaystyle j> — мощность на единицу площади излучающей поверхности, а

σ = 2 π 5 k 4 15 c 2 h 3 = π 2 k 4 60 ℏ 3 c 2 ≃ 5,670 400 ( 40 ) ⋅ 10 − 8 <displaystyle sigma =<frac <2pi ^<5>k^<4>><15c^<2>h^<3>>>=<frac <pi ^<2>k^<4>><60hbar ^<3>c^<2>>>simeq 5<,>670400(40)cdot 10^<-8>> Вт/(м²·К 4 ) — постоянная Стефана — Больцмана.

Таким образом, абсолютно чёрное тело при T <displaystyle T> = 100 K излучает 5,67 ватт с квадратного метра своей поверхности. При температуре 1000 K мощность излучения увеличивается до 56,7 киловатт с квадратного метра.

Для нечёрных тел можно приближённо записать:

j = ϵ σ T 4 , <displaystyle j=epsilon sigma T^<4>, >

где ϵ <displaystyle epsilon > — степень черноты. Для всех веществ ϵ 1 <displaystyle epsilon , для абсолютно чёрного тела ϵ = 1 <displaystyle epsilon =1> , для других объектов в силу закона Кирхгофа степень черноты равна коэффициенту поглощения: ϵ = α = 1 − ρ − τ <displaystyle epsilon =alpha =1-
ho – au > , где α <displaystyle alpha > — коэффициент поглощения, ρ <displaystyle
ho > — коэффициент отражения, а τ <displaystyle au > — коэффициент пропускания. Именно поэтому для уменьшения тепловой радиации поверхность окрашивают в белый цвет или наносят блестящее покрытие, а для увеличения — затемняют.

Константу Стефана — Больцмана σ <displaystyle sigma > можно теоретически вычислить только из квантовых соображений, воспользовавшись формулой Планка. В то же время общий вид формулы может быть получен из классических соображений (что не снимает проблемы ультрафиолетовой катастрофы).

Закон смещения Вина [ править | править код ]

Длина волны, при которой энергия излучения абсолютно чёрного тела максимальна, определяется законом смещения Вина:

λ max = 0,002 8999 T <displaystyle lambda _<max >=<frac <0<,>0028999>>>

где T <displaystyle T> — температура в кельвинах, а λ max <displaystyle lambda _<max >> — длина волны с максимальной интенсивностью в метрах.

Так, если считать в первом приближении, что кожа человека близка по свойствам к абсолютно чёрному телу, то максимум спектра излучения при температуре 36 °C (309 K) лежит на длине волны 9400 нм (в инфракрасной области спектра).

Видимый цвет абсолютно чёрных тел с разной температурой представлен на диаграмме.

Чернотельное излучение [ править | править код ]

Электромагнитное излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с абсолютно чёрным телом при данной температуре (например, излучение внутри полости в абсолютно чёрном теле), называется чернотельным (или тепловым равновесным) излучением. Равновесное тепловое излучение однородно, изотропно и неполяризовано, перенос энергии в нём отсутствует, все его характеристики зависят только от температуры абсолютно чёрного тела-излучателя (и, поскольку чернотельное излучение находится в тепловом равновесии с данным телом, эта температура может быть приписана излучению). Объёмная плотность энергии чернотельного излучения равна u = 4 σ c T 4 , <displaystyle u=<frac <4sigma >>T^<4>,> его давление равно P = u / 3 = 4 σ 3 c T 4 . <displaystyle P=u/3=<frac <4sigma ><3c>>T^<4>.> Очень близко по своим свойствам к чернотельному так называемое реликтовое излучение, или космический микроволновой фон — заполняющее Вселенную излучение с температурой около 3 K.

Чернотельным также является излучение Хокинга (квантовомеханическое испарение чёрных дыр). Это излучение имеет температуру T B H = ℏ c 3 8 π k G M <displaystyle T_= <hbar ,c^<3>over 8pi k,GM>>

Цветность чернотельного излучения [ править | править код ]

Цветность чернотельного излучения, или, вернее, цветовой тон излучения абсолютно чёрного тела при его определённой температуре, приведена в таблице:

Температурный интервал в кельвинах Цвет
до 1000 Красный
1000—2000 Оранжевый
2000—3000 Жёлтый
3000—4500 Бледно-жёлтый
4500—5500 Желтовато-белый
5500—6500 Чисто белый
6500—8000 Голубовато-белый
8000—15000 Бело-голубой
15000 и более Голубой

Цвета даны в сравнении с рассеянным дневным светом (D65). Реально воспринимаемый цвет может быть искажён адаптацией глаза к условиям освещения.

Термодинамика равновесного теплового излучения [ править | править код ]

В термодинамике равновесное тепловое излучение рассматривают как фотонный газ, состоящий из электронейтральных безмассовых частиц, заполняющий полость объёмом V в абсолютно чёрном теле (см. раздел «Практическая модель»), с давлением P и температурой T , совпадающей с температурой стенок полости. Для фотонного газа справедливы следующие термодинамические соотношения [6] [7] [8] [9] :

Оцените статью
Добавить комментарий

Adblock
detector