ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Энергия излучения из "Основы радиационного и сложного теплообмена " Впервые попытка истолкования природы света была предпринята в конце XVII в. Ньютоном, который выступил с известной корпускулярной теорией. В соответствии с этой теорией свет представлялся в виде потока большого числа элементарных световых частиц (корпускул), испускаемых светящимся телом. При этом процессы распространения, отражения и преломления света Ньютон объяснял, исходя из механических аналогий. [c.10] Почти одновременно с Ньютоном, также в конце XVII в., Гюйгенс выступил с волновой теорией света, согласно которой свет трактовался как распространение упругих волн в особой среде — эфире, заполняющем все окружающее пространство. Эти представления позволили Гюйгенсу сформулировать важный принцип геометрической оптики, согласно которому каждая колеблющаяся точка волнового поля становится источником вторичных волн, и дать объяснение ряду оптических явлений.. [c.10] Однако ряд физических процессов, связанных с излучением, не находил приемлемого объяснения с точки зрения волновой теории. В частности, это относилось к явлению фотоэффекта и распределению энергии по частотам для термодинамически равновесного излучения. Эти затруднения отпали после создания Планком в 1900 г. квантовых представлений излучения, согласно которым была установлена дискретность испускаемой электромагнитной энергии. При этом испускаемое веществом излучение представляется в виде мельчайших порций (квантов) энергии излучения. Планком была установлена связь между энергией кванта и частотой излучения. Квантовая теория позволила решить задачу о распределении энергии по частотам в случае термодинамически равновесного излучения. Полученные результаты нашли блестящее экспериментальное подтверждение. [c.11] Вскоре квантовые представления получили свое дальнейшее развитие. Эйнштейн в 1905 г. при построении теории фотоэффекта ввел понятие элементарных частиц излучения — фотонов, являющихся носителями электромагнитной энергии, обладающих рядом характерных свойств и имеющих запас энергии, равный энергии кванта. [c.11] Таким образом, наряду с волновыми представлениями в XX в. важное значение получила квантовая теория излучения, явившаяся как бы логическим завершением корпускулярной теории Ньютона. Было доказано, что электромагнитное излучение имеет двойственный (волновой и корпускулярный) характер. К настоящему времени волновая (классическая) и квантовая теории излучения получили существенное развитие и продолжают успешно совершенствоваться, взаимно дополняя друг друга. [c.11] Следует сказать, что квантовая теория, возникшая в области электромагнитного излучения, оказалась весьма плодотворной и легла в основу современных представлений о строении вещества. Двойственный характер природы излучения послужил поводом для аналогичных обобщений при изучении свойств элементарных частиц материи и явился примером научного подтверждения диалектического закона единства и борьбы противоположностей. [c.12] Шкала электромагнитных волн (длины волн указаны для вакуума). [c.12] Физически квантовая природа излучения более ярко проявляется у излучения с очень высокой частотой, и, наоборот, его волновые свойства наблюдаются при сравнительно низких частотах. [c.12] В 1895 г. Рентген обнаружил существование электромагнитного излучения более коротких, чем ультрафиолетовое излучение, длин волн, названного впоследствии в его честь рентгеновскими лучами. В настоящее время благодаря большой проникающей способности рентгеновские лучи нашли очень широкое применение в промышленности и медицине. [c.13] С открытием радиоактивности было обнаружено еще более коротковолновое, по сравнению с рентгеновским, электромагнитное излучение, так называемое гамма-излучение, образующееся при распаде радиоактивных веществ. При этом различные радиоактивные вещества испускают гамма-излучение различных длин волн. Нужно сказать, однако, что в природе существует электромагнитное излучение с еще более короткими длинами волн, чем гамма-излучение, это — космическое излучение, являющееся в настоящее время предметом обширных научных исследований. [c.13] На рис. 1-1 схематически представлена шкала электромагнитных волн с указанием перечисленных характерных участков. На этой же шкале указаны диапазоны длин волн, имеющие то или иное практическое применение. Следует, однако, иметь в виду, что рассмотренное деление шкалы электромагнитных волн на указанные участки спектра является условным. [c.13] Из уравнений (1-1) следует, что изменение векторов Ё и Н происходит в направлениях, нормальных к направлению распространения волны s, в связи с чем электромагнитные волны являются поперечнымп. Если ориентация векторов электрической и магнитной напряженностей в распространяющейся волне подчинена определенному закону и характеризуется пространст-венно-временной упорядоченностью, то такая волна носит названпе поляризованной, а отмеченное ее свойство называется поляризацией. Электромагнитные волны, у которых электрический и магнитный векторы хаотически меняют свое направление и их ориентация равновероятна для всевозможных направлений, называются естественными (неполяризованными). [c.14] Если соединить между собой все точки, для которых в данный момент времени изменяющиеся величины Е и Н находятся в одной и той же фазе, то получится поверхность, нормаль к которой совпадает с направлением распространения электромагнитной волны в каждой ее точке. Расстояние, на которое переместится поверхность одинаковой фазы за один период колебания, называется длиной волны, а скорость ее перемещения — фазовой скоростью. Среда, в которой скорость распространения электромагнитных волн не зависит от направления, носит название оптически изотропной. [c.15] Для вакуума, как известно, величины е и i равны единице и скорость электромагнитных волн в этом случае будет максимальной и равной с. Таким образом, с точки зрения волновой теории оптические свойства среды определяются ее магнитной и диэлектрической проницаемостью. [c.16] Формула (1-6) дает мгновенное значение вектора Пойнтинга. Для определения его среднего значения за определенный промежуток времени необходимо выполнить интегрирование (1-6) по времени в пределах рассматриваемого промежутка и разделить на величину последнего. [c.16] Поскольку скорость фотона всегда равна скорости распространения электромагнитного излучения в вакууме, то согласно теории относительности его масса покоя равна нулю. [c.17] Лри иопускании фотона происходит его возникновение как частицы, причем его энергия, масса, импульс и спин заимствуются от испускающей его частицы, т. е. имеют место уменьшение энергии и массы излучающей ореды и механический импульс отдачи при иопускании. После поглощения средой фотон перестает существовать как частица, а его энергия, масса, импульс и спин передаются поглотившему его атому или молекуле. [c.18] Через любой мысленно выделенный в среде замкнутый объем проходят в каждый момент времени электромагнитные волны всех частот во всевозможных направлениях. С точки зрения квантовых представлений объем заполнен фотонами различных частот (следовательно, и энергий), движущихся со скоростью света в вакууме по всевозможным направлениям. Для того чтобы иметь возможность точно оценить результирующий перенос излучения в исследуемой системе, необходимо знать распределение электромагнитной энергии по частотам и направлениям для любой точки объема и любого момента времени. С этой целью вводится детальная характеристика— спектральная интенсивность излучения Л, зависящая в общем случае от координат рассматриваемой точки М, времени t, направления s и частоты v. [c.18] Таким образом, с макроскопической точки зрения спектральная интенсивность излучения представляет собой количество электромагнитной энергии, распространяющейся в рассматриваемом направлении за единицу времени, отнесенное к единице телесного угла, осью которого является выбранное направление, к единице поверхности, нормальной к этому направлению, и к единице частотного интервала. [c.19] Вернуться к основной статье