Излучение и поглощение в условиях термодинамического равновесия

Излучение и поглощение в условиях термодинамического равновесия [c.77]

Закон Кирхгофа (1882 г.) устанавливает количественную связь между энергиями излучения и поглощения поверхностями серых и абсолютно черны Х тел. Этот закон можно получить из баланса лучистой-энергии для излучающей системы, состоящей из относительно большого замкнутого объема с теплоизолированными стенками и помещенных в него тел. Для каждого из этих тел в условиях термодинамического-равновесия энергия излучения равна поглощенной энергии [c.374]

Если же в системе происходит процесс теплообмена излучением, то состояние термодинамического равновесия, естественно, отсутствует н степени возбуждения атомов и молекул вещества будут отличаться от равновесного состояния. В связи с этим правомерно ожидать, что в принципе в этом случае излучение и поглощение вещества будут иными, чем в условиях термодинамического равновесия. Соответственно и величина собствен-82 [c.82]

Таким образом, излучательная и поглощательная способности 6,5 (—s) и j (s), строго говоря, равны друг другу лишь в условиях термодинамического равновесия. При наличии радиационного теплообмена качественный характер изменения обеих величин можно установить, исходя из следующих упрощенных представлений. Как отмечалось выше, процесс теплового излучения заключается в последовательном превращении кинетической энергии движения частиц вещества в энергию их возбужденного состояния и затем в испускаемую электромагнитную энергию. Обратный процесс поглощения излучения веществом сопровождается последовательным превращением электромагнитной энергии в энергию возбуждения атомов и молекул, а последняя затем превращается в кинетическую энергию их движения. В случае термодинамического равновесия результирующий обмен энергией отсутствует ( рез,у =0) и оба процесса (излучение и поглощение) в точности сбалансированы, а объемные плотности всех трех видов энергии (кинетической энергии движения частиц, энергии их 6 83 [c.83]

Интегральные по спектру коэффициенты теплового излучения и поглощения также равны только в условиях термодинамического равновесия [c.249]

Строго равенства (3.231) доказываются для условий термодинамического равновесия (тело и окружающая среда находятся при одной и той же температуре, теплообмен излучением отсутствует). Однако физическое представление о процессах испускания и захвата квантов энергии дает основание считать равенства (3.231) приближенно правомерными и для многих неравновесных ситуаций, в которых состояние вещества в том реальном поверхностном слое, где формируется собственное излучение и протекает поглощение, можно характеризовать определенной температурой, к которой и относится это равенство. [c.249]

Результат (20.85) оказался возможным благодаря использованию в выводе уравнения переноса излучения гипотезы о локальном термодинамическом равновесии. Согласно этой гипотезе, каждый элементарный объем среды, имеющий произвольное температурное распределение, находится в состоянии термодинамического равновесия при температуре данного элемента среды. Е. Милн доказал, что условия локального термодинамического равновесия определяются теми эффектами столкновений, которые обусловливают процессы поглощения и излучения радиационной энергии. Таким условиям удовлетворяют поглощающие и излучающие среды, имеющие достаточно высокую оптическую плотность. Проинтегрируем интегро-дифференциальное уравнение (20.77) почленно ска-лярно в пределах телесного угла Q = 4n [c.514]

Если все тела, участвующие в лучистом теплообмене, имеют одинаковую температуру (находятся в термодинамическом равновесии), то результирующее излучение, или теплопередача, всех тел равна нулю степени черноты излучения и поглощения каждого тела в этих условиях одинаковы, и эффективное излучение всех тел отвечает излучению абсолютно черного тела [c.409]

Вкладом спонтанного испускания в направленный зондирующий поток можно пренебречь, так как спонтанное излучение распространяется по всем направлениям и в фиксированное направление рассматриваемого пучка попадает ничтожная его часть. Формула (9.35) позволяет выяснить, какие условия необходимы для непосредственного экспериментального обнаружения вынужденного испускания. Так как 621= 12, то N= N2—Ы )В 2иР 1 ))Ах/с и видно, что при распространении зондирующего пучка поглощение преобладает над вынужденным испусканием и интенсивность пучка убывает во всех случаях, когда Л 2<Л 1, т.е. число возбужденных атомов меньше числа атомов в основном состоянии. Так обычно и обстоит дело, если пучок распространяется в среде, находящейся в состоянии термодинамического равновесия или близком к нему. Чтобы наблюдать нарастание интенсивности зондирующего пучка (отрицательное поглощение) и тем самым экспериментально выявить вынужденное испускание, необходимо создать в среде неравновесное состояние, при котором число атомов на более высоком энергетическом уровне было бы больше, чем на низком (N2>N ). Первая попытка обнаружить вынужденное испускание в видимой области спектра на опыте в парах ртути, возбужденных электрическим разрядом в неравновесное состояние, была предпринята В. А. Фабрикантом (1939 г.). Им же впервые была высказана идея использования вынужденного излучения для усиления света. [c.442]

Поскольку квантовый усилитель используется как прибор для получения увеличенной мощности когерентного излучения, при подсчете полного баланса энергии следует учитывать только вынужденное излучение и поглощение. Очевидно, рассмотренная двухуровневая система будет работать как квантовый усилитель электромагнитного излучения, если Л 1>Л о. Но в квантовомеханических системах, находящихся в естественных условиях, реализуется состояние термодинамического равновесия, в котором Л/ о>Л/1. Система, в которой Мо<М], называется системой с инверсной населенностью энергетических уровней в противоположность случаю нормальной населенности, когда выполняется обратное неравенство. Когерентное усиление электромагнитного излучения можно получить только с помощью систем с инверсной населенностью уровней энергаи. Около 40 лет прошло со времени опубликования работы А. Эйнштейна (1917) об индуцированных переходах, прежде чем была теоретически доказана возможность получения систем с инверсной населенностью и на их основе были созданы лазеры и мазеры. [c.161]

При расчетах теплообмена излучением часто пользуются понятием о локальном термодинамическом равновесии, характеризующемся равновесными условиями распределения по энергетическим уровням атомов или молекул вещества при заданной температуре. Все радиационные характеристики элемента среды определяются при этом локальной температурой рассматриваемого элементарного объема, С такими условиями обычно сталкиваются на практике в тех случаях, когда электромагнитное поле, создаваемое вблизи тела посторонним источником излучения, слабо влияет на распределение по энергетическим уровням атомов или молекул вещества. Благодаря непрерывным колебаниям или столкновениям атомов и молекул вещества даже при поглощении некоторого количества энергии тело незначительно отклоняется от своего равновесного состояния. [c.9]

В условиях, близких к термодинамическому равновесию, таково же соотношение скоростей возбуждения ближайших к основному уровней атомов электронами и квантами. Заметим, что сечения поглощения резонансного излучения, способного возбуждать атомы, очень велики и резонансное излучение чаще всего равновесно (среда непрозрачна для ре.зо-нансного излучения). Поэтому время т 10 сек характеризует время релаксации для установления больцмановской заселенности первых возбужденных уровней атомов за счет фотопроцессов. О вероятности спонтанных радиационных переходов с верхних возбужденных состояний см. 13 гл. V. [c.345]

В [65] строгая теория переноса излучения впервые применена к движущейся среде — земной атмосфере. Представлена полная система уравнений динамики атмосферы с включением уравнений, описывающих лучистый теплообмен. Рассмотрены вопросы применимости закона Кирхгофа к атмосфере, локальное термодинамическое и другие виды равновесия. Сформулированы граничные условия для лучистой энергии. В этой работе ранее, чем в книгах но теории переноса излучения, притом в абсолютно четкой и строгой физической форме, определены характеристики поля излучения (интенсивность и поток излучения), характеристики взаимодействия излучения с материальной средой — атмосферой (коэффициенты рассеяния, поглощения и излучения, индикатриса рассеяния). [c.776]

ВОЛНОЙ частоты v, определяемой выражением (1.1). Поскольку при термодинамическом равновесии уровень 1 заселен больше, чем уровень 2, поглощение преобладает над вынужденным излучением, т. е. под действием падающей волны происходит больше переходов 12, чем переходов 2->-1, и можно надеяться осуществить таким путем инверсию населенностей. Однако нетрудно заметить, что такой механизм работать не будет (по крайней мере в стационарных условиях). Когда наступят условия, при которых населенности уровней окажутся одинаковыми (N2 = N )y процессы вынужденного излучения и поглощения начнут компенсировать друг друга и в соответствии с (1.7) среда станет прозрачнойВ такой ситуации обычно говорят о двухуровневом насыщении. [c.16]

Пусть атомарный газ находится в замкнутом объеме при изотермических условиях. В том же объеме присутствует, естественно, и электромагнитное поле, обусловленное тепловым излучением. Как было выяснено в главе XXXVI, рассматриваемая система, состоящая из газа и теплового излучения, будет находиться в термодинамическом равновесии, если газ и излучение обладают одной и той же температурой, атомы подчинены распределению Максвелла—Больцмана, а излучение — формуле Планка. Однако термодинамическое равновесие системы не означает, что энергия каждого атома газа сохраняется неизменной. Между атомами и полем осуществляется постоянный обмен энергией. Атомы излучают и поглощают фотоны, переходя из одних состояний в другие происходит и обмен импульсами между атомом и полем — импульс изменяется в процессе испускания и поглощения фотона (см. 184). Между атомами газа осуществляется также обмен импульсами и энергией при их столкновениях между собой. Однако ни один из этих процессов не нарушает термодинамического равновесия системы в целом и соответствующих ему законов распределения атомов по энергиям и скоростям, равно как и распределения энергии излучения по спектру. [c.735]

В общем случае обмен энергией излучения различных тел осуществляется в разнообразных условиях. Любое тело обменивается энергией излучения со всем множеством окружающих тел и сред, и процесс обмена энергией может быть нестационарным. Часть энергии излучения, падающей на тело, частично отражается, поглощается и частично может пропускаться телом. Энергия излучения, поглощенная телами, может превращаться не только в тепло, но и в другие формы энергии, например электрическую, химическую и т. п. Собственное изл5 ение тел может отличаться от температурного излучения, и обмен энергией излзгчения может осзтцествляться при отсутствии термодинамического равновесия. Решить задачу об обмене энергией излучения тел в общем случае весьма затруднительно. Поэтому приходится принимать условия, которые приближенно отвечают реальным условиям радиационного обмена энергией тел. [c.408]

В большинстве случаев, которые будут представлять для нас интерес, включая случаи термодинамического равновесия, населенность верхнего уровня Nn (т. е. населенность высоколежа-шего возбужденного уровня) будет значительно меньше населенности нижнего уровня Nm. Поскольку Впт обычно имеет тот же порядок величины, что и Втп [см. соотношения (3.113) и (4.4)], k (v, z) > О, что соответствует поглощению излучения. Однако, как мы увидим ниже, можно создать такие условия, при которых NnBnm>NmBmn, и.следовательно, fe(v, z)<0. В этом случае вынужденное излучение превышает поглощение, и, как будет ясно из гл. 5, среда будет отдавать энергию полю излучения, усиливая, таким образом, световой пучок, а не ослабляя его. [c.139]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...