ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Равновесное тепловое излучение из "Волновая оптика " Но именно в это время возникли задачи, решение которых в рамках электромагнитной теории оказалось невозможным. Так, например, были безуспешны все попытки количественно описать явление равновесного теплового излучения, а безупречный с позиций классической физики вывод формулы Рэлея-Джинса приводил к абсурдному результату. Смелая гипотеза Планка привела к решению этой проблемы и позволила сформулировать основы новой теории света, которую обычно называют физикой фотонов или квантовой оптикой. [c.399] Этот процесс ломки старых понятий явился началом новой эры в развитии физики. При этом выявилась недостаточность некоторых представлений, которые на рубеже XX в. казались незыблемыми. Рассмотрению фундаментальных проблем, определяющих границы применимости электромагнитной теории света, и посвящена эта глава. [c.399] Как известно, в эксперименте и технике используют различные способы возбуждения световых волн. В этом разделе нас, в первую очередь, будет интересовать свечение раскаленных твердых тел, при котором убыль энергии тела из-за излучения компенсируется соответствующим количеством теплоты, подводимым к телу. Такое свечение характеризуется сплошным (непрерывным) спектром и называется тепловым излучением. [c.399] Мы выделяем тепловое излучение, противопоставляя его различным видам люминесценции (свечение тел в результате электрического разряда, химических процессов и т.д.), так как это единственный вид излучения, который может находиться в состоянии теплового равновесия с различными телами. [c.400] Остановимся подробнее на понятии теплового равновесия, очень важном для последующего изложения, в значительной мере связанного с изучением энергетики п юцессов излучения и поглощения света. Для этого полезно обратиться к термодинамическому рассмотрению явлений внутри замкнутой полости. Пусть стенки этой полости полностью отражают падающий на них свет. Поместим в полость какое-либо тело, излучающее световую энергию. Внутри полости возникнет электромагнитное поле и в конце концов ее заполнит излучение, находящееся в состоянии теплового равновесия с телом. Равновесие наступит и в том случае, когда каким-либо способом нацело устранится обмен теплом исследуемого тела с окружающей его средой (например, будем проводить этот мысленный опьгг в вакууме, когда отсутствуют явления теплопроводности и конвекции). Лишь за счет процессов испускания и поглощения света обязательно наступит равновесие излучающее тело будет иметь температуру, равную температуре электромагнитного излучения, изотропно заполняющего пространство внутри полости, а каждая выделенная часть поверхности тела будет излучать в единицу времени столько энергии, сколько она поглощает. При этом равновесие должно наступить независимо от свойств тела, помещенного внутрь замкнутой полости, влияющих, однако, на время установления равновесия. Плотность энергии электромагнитного поля в полости, как показано ниже, в состоянии равновесия определяется только температурой. [c.400] Следует заметить, что плотность энергии электромагнитного поля внутри полости не равна объемной плотности тепловой энергии, сосредоточенной в находящихся там телах внутренней энергии, которая определяется тепловым движением частиц тела и зависит не только от температуры, но и от свойств тела). При невысокой температуре (например, 300 К) объемная плотность тепловой энергии тела на несколько порядков больше плотности энергии электромагнитного поля в полости, но в условиях равновесия соотношение между ними остается постоянным, так как тело получает от поля и отдает ему одну и ту же энергию. [c.400] Второй важной характеристикой тел, участвующих в процессах поглощения и излучения световой энергии, является поглощательная способность. Очевидно, что выбранная площадка 5S может не только излучать световые волны, но и поглощать падающий на нее поток световой энергии dO. Однако, как правило, площадка лл может поглощать лишь часть падающего на нее потока лучистой энергии (обозначим ее (кГ ), так как световые волны могут также отражаться или рассеиваться . С.ледовательно, d D d4 . [c.402] Предполагается, что световые волны не могут проходить сквозь площадку 6S. Коэффициент пропускания для нее равен нулю. [c.402] Вопрос о связи между испускательной и поглощательной способностями различных тел подлежит детальному выяснению. Весьма простые опыты показывают, что чем больше энергии поглощает тело, тем больше оно излучает. Для демонстрации этой особенности теплового излучения измеряют поток световой энергии от двух стенок полого металлического i yoa, заполненного теплой водой (рис. 8.2). Одна из стенок, снаружи блестящая — она много света огражает и мало поглощает. Друг ая С1 енка зачернена. Ее коэффициент поглощения велик. Фотоприемник (термостолбик), соединенный с чувствительным гальванометром, поочередно подносится к двум этим стенкам куба, и отброс гальванометра, регистрируемый при измерении интенсивности излучения зачерненной стенки, во много раз больше, чем при измерении светового потока от блестящей стенки. [c.403] Доказательство теоремы Кирхгофа основано на втором законе термодинамики, по которому тепловое равновесие, установившееся в замкнутой системе, не может быть нарушено простым обменом теплоты между частями системы. [c.404] Формула Нина (8.6), безусловно, справедлива, так как она была получена исходя из самых общих соображений и законов термодинамики . Она оказалась очень полезной при рассмотрении различных проблем, но для конкретизации вида функции F v/T) было необходимо сделать какие-то предположения о механизме испускания света. Однако вскоре выяснилось, что Fi e попытки решения этой задачи в рамках классической физики не приводят li согласию теории и эксперимента. В последующем изложении (см. 8.3) мы подробно продискутируем вопрос о том, сколь кардинально должен быть изменен подход к решению этой задачи для того, чтобы такое согласие оказалось возможным. [c.405] Это соотношение показывает, что все черные тела имеют одно и то же распределение энергии излучения по спектру, а их энергетическая светимость одинаково изменяется с температурой. Следовательно, открывается возможность экспериментальной проверки следствий закона Кирхгофа и опытного определения вида универсальной функции f X,T). Для этого необходимо создать тепловой излучатель, поглощающий все падающие на него лучи, и исследовать его испускательную способность как функцию длины волны и температуры. Экспериментальное решение такой задачи базируется на использовании очень простой модели черного тела. [c.405] Формула Вини относительно просто выводится включением эффекта Доплера в термодинамическое риссмотрение гипотетической машины с подвижными зеркалами (см. Бори М. Атомная физика. М.. 1965). [c.405] Многочисленные примеры подтверждают реальность подобной схемы ЯЕ ления. Если взять коробку, покрашенную внутри белой краской, то малое отверстие в ней будет казаться совершенно черным, Оголь же черными кажутся снаружи окна комнат, внутри которых достаточно светло в солнечный день. Бархат или другой материал с разветвленной поверхностью кажется нам более черным, чем выкрашенная в черный цвет гладкая гюверхность кожи или дерева. Число таких примеров велико. [c.406] На рис. 8.4 изображена схема эксперимента, позволяющего провести детальное исследование зависимости испускательной способности черного тела с использованием принятой модели. Измеряя поток световой энергии в различных спектральных областях и при разных температурах, можно получить семейство кривых, характеризующих искомую универсальную зависимость от длины волны и температуры. На рис. 8.5 представлена лабораторная модель черного тела, позволяющая изменять его температуру в широких пределах. [c.406] Вернуться к основной статье