ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Равновесное излучение в полости

Спонтанное излучение некогерентно. В этом случае атомы источника излучают свет независимо друг от друга Фазы волн, испускаемых различными атомами, их поляризация и направления распространения никак не связаны между собой. Обычные источники света — пламена, лампы накаливания, газоразрядные трубки, люминесцентные лампы и пр. — излучают некогерентно. В них свечение вызывается либо столкновениями между атомами, совершающими тепловое движение, либо электронными ударами. Правда, в таких источниках наряду со спонтанным происходит и индуцированное излучение. Однако оно возбуждается некогерентным спонтанным излучением, а потому и само некогерентно. Испускаемый свет характеризуется большей или меньшей степенью беспорядка. Максимальный беспорядок достигается в равновесном излучении в полости. В нем представлены всевозможные фазы и частоты, всевозможные направления колебаний, всевозможные направления распространения света. Если заимствовать терминологию из акустики и радиотехники, то можно сказать, что указанные источники света генерируют не правильные или упорядоченные волны, а шумы, пригодные только для освещения, грубой сигнализации, получения изображений, фотографирования и пр., но не для передачи речи, телевидения и т. д., осуществляющихся посредством радиоволн, излучаемых радиостанциями. [c.709]

Пусть осциллятор находится в замкнутой полости, заполненной равновесным излучением с температурой Т. Под действием поля излучения со сплошным спектром U T) он совершает вынужденные колебания. Благодаря резонансным свой твам осциллятора эти колебания будут иметь заметно отличную от нуля амплитуду лишь в узкой области частот вблизи собственной частоты осциллятора Шо. При этом поглощаемая осциллятором мощность Р огл может быть выражена через значение спектральной плотности излучения на частоте шо. В динамическом равновесии с излучением поглощаемая мощность Р огл в среднем равна испускаемой осциллятором мощности Р сп, которая, в свою очередь, может быть выражена через среднюю энергию <е) осциллятора при температуре Т. Таким путем можно связать U, XT) со средней энергией <е> теплового возбуждения осциллятора. Последняя вычисляется методами статистической механики. Так как все это справедливо для осциллятора с произвольным значением шо, то такой путь позволяет рассчитать спектральную плотность равновесного излучения на всех частотах. [c.426]

В проблемах теплового излучения особо важное значение имеет понятие так называемого равновесного излучения. Для установления этого понятия рассмотрим полость с неподвижными и непрозрачными стенками, температура которых поддерживается постоянной. Атомы и молекулы стенок переходят в возбужденные состояния за счет энергии теплового движения и при обратных переходах в невозбужденные состояния дают излучение, заполняющее полость. Падая на стенки полости, лучистая энергия частично отражается, частично поглощается. Происходит изменение направления распространения, спектрального состава, поляризации, интенсивности излучения. В результате всех этих процессов, как это следует из общего начала термодинамики, в полости в конце концов устанавливается макроскопически вполне определенное состояние излучения, при котором за каждый промежуток времени количество излученной лучистой энергии определенного цвета, направления распространения и поляризации в среднем равно количеству поглощенной энергии того же цвета, направления распространения и поляризации. Как и всякое равновесное состояние, оно характеризуется тем, что каждому микропроцессу, происходящему в системе, с той же вероятностью соответствует микропроцесс, идущий в обратном направлении (принцип детального равновесия). Благодаря этому состояние излучения в полости и остается макроскопически неизменным во времени. Переход в равновесное состояние, как и всякий статистический процесс, управляется вероятностными законами. В полости устанавливается хаотическое состояние излучения, которому соответствует наибольшая вероятность. Оно и называется равновесным излучением. [c.675]

В термометрии излучения в отличие от термометрии, основанной на применении термопары или термометра сопротивления, можно использовать уравнения в явном виде, которые связывают термодинамическую температуру с измеряемой величиной (в данном случае со спектральной яркостью). Это возможно потому, что тепловое излучение, существующее внутри замкнутой полости (излучение черного тела), зависит только от температуры стенок полости и совсем не зависит от ее формы или устройства при условии, что размеры полости намного больше, чем рассматриваемые длины волн. Излучение, выходящее из маленького отверстия в стенке полости, отличается от излучения черного тела лишь в меру того, насколько сильно отверстие нарушает состояние равновесия в полости. В тщательно продуманной конструкции это отличие может быть сделано пренебрежимо малым, так что равновесное излучение черного тела становится доступным для измерений. Таким образом, методы термометрии излучения позволяют в принципе измерить термодинамическую температуру с очень высокой точностью, что будет кратко рассмотрено в разд. 7.7. [c.309]

Экспериментально тепловое излучение черного тела воспроизводилось как излучение из небольшого отверстия достаточно большой полости (рис. 42). Излучение, попавшее через отверстие в полость, в результате многократных поглощений на ее внутренних стенках всегда практически полностью поглотится. Следовательно, поверхность отверстия ведет себя как черное тело и выходящее из него излучение является равновесным тепловым излучением. Экспериментальное изучение энергии излучения с этой поверхности полностью подтвердило закон Стефана-Больцмана (11.1). [c.69]

Универсальный характер спектральной плотности равновесного излучения, как впервые показал Кирхгоф в 1860 г., непосредственно вытекает из второго начала термодинамики. В самом деле, предположим противное, т. е. что Уш(Т ) каким-то образом зависит от природы тела, с которым излучение находится в равновесии, например зависит от особенностей его спектра поглощения и испускания. Возьмем две полости, в которых излучение находится в равновесии с разными телами, имеющими одинаковую температуру. Соединим полости небольшим отверстием так, чтобы они могли обмениваться излучением. Если плотности энергии излучения в них различны, то возникнет направленный перенос лучистой энергии, который приведет к самопроизвольному нарушению теплового равновесия между телами (т. е. к установлению некоторой разности температур). Это противоречит второму началу термодинамики. [c.420]

Равновесная п неравновесная задачи. При рассмотрении теплового электромагнитного поля с учетом ангармонизма вещества, как и в линейном случае (гл. 4), воз можны две постановки задачи, т. е. следует различать равновесное излучение внутри бесконечной нелинейной среды (или в замкнутой полости с нелинейным элементом, перемешивающим моды )) и тепловое излучение снаружи нелинейного подогреваемого вещества, занимающего конечную область пространства. [c.150]

В теоретической физике обычно пользуются величиной и , в экспериментальной отдают предпочтение и . В случае равновесного излучения функции u и зависят только от частоты со (или длины волны Я) и от температуры излучения Т, но не зависят от формы и материала стенок полости. Они зависят от среды, занимающей полость. Эта зависимость будет установлена в 114. Пока же будем предполагать, что в полости вакуум. В этом случае Ыщ будет универсальной функцией только ю и Т, а ц — универсальной функцией только Т. Нахождение функции (со, Т) является основной задачей теории теплового излучения. [c.677]

Г. Все тела излучают электромагнитные волны (1У.4.4.1°) за счет преобразования энергии хаотического, теплового движения частиц тела в энергию излучения. Тепловым [температурным) равновесным излучением называются электромагнитные волны, которые излучаются телом — источником теплового излучения,— находящимся в состоянии термодинамического равновесия (11.3.1.3 ). Тепловое равновесное излучение создается источником при постоянной его температуре. Равновесное тепловое излучение осуществляется, если источник этого излучения 5 находится внутри замкнутой полости а с непрозрачными стенками, температура которых равна температуре источника (рис. .3.1). Интенсивность электромагнитных волн [c.378]

История его открытия началась еще в конце прошлого века, когда Планк получил формулу, описываюш,ую распределение энергии в спектре электромагнитного поля, которое находится в равновесии со стенками полости, когда температура этих стенок поддерживается постоянной. Постановка задачи о равновесном излучении основывалась на известных фактах что электромагнитное поле обладает энергией и подчиняется законам термодинамики. Следовательно, используя методы термодинамики, можно вычислить, как должна распределяться энергия по частотам, чтобы ее поток, передаваемый электромагнитным полем стенкам полости, был бы в точности компенсирован обратимым потоком энергии от стенок к электромагнитному полю. Однако эта задача оказалась намного труднее, чем казалось вначале . Решение пришло только тогда, когда Планк и Эйнштейн поняли, что изучение и поглощение света происходит не непрерывно, а порциями — квантами. Эта гипотеза привела к знаменитой формуле Планка, описывающей спектр, который находится в равновесии с резервуаром при некоторой температуре Т. Таким образом, стало возможным приписывать температуру полю излучения. Более того, Эйнштейн показал, что поле излучения можно рассматривать как газ, состоящий из фотонов — квантов. Равновесие между таким газом и стенками могло наступить лишь тогда, когда вероятность поглощения кванта с какой-либо частотой находилась бы в определенном соотношении с вероятностью его излучения стенкой. (Кванты взаимодействуют друг с другом очень слабо, поэтому в отличие от газа, в котором тепловое равновесие устанавливается благодаря столкновению молекул между собой, в поле излучения основную роль играет взаимодействие со стенками.) Надо было найти такое выражение для вероятностей, чтобы они привели к формуле Планка. [c.135]

Существование упомянутой связи между тепловым излучением и поглощением следует из общих принципов термодинамики. Так как испускательная и поглощательная способности характеризуют само тело и не зависят от окружения, то для нахождения связи между ними можно рассмотреть частный случай, когда тело окружено равновесным излучением с той же температурой, например заключено в полость, стенки которой либо идеально отражают излучение, либо поддерживаются при той же температуре, что и тело. Выразим поток Ф, этого излучения в единичном спектральном интервале вблизи частоты со, падающий на единичную площадку поверхности тела, через спектральную плотность равновесного излучения. Так как оно изотропно, то в пределах телесного угла (1й=51п6(16(1ф распространяется энергия, составляющая di2/(4л) часть от всей энергии. Если выбранное направление образует угол 6 с нормалью к поверхности, то поток (1Фш, падающий в пределах на единицу площади, равен с6 шсо50(1й/(4л). Для нахождения потока со всех направлений это выражение нужно проинтегрировать по ф в пределах от О до 2л и по 6 в пределах от О до л/2 [c.421]

Подход Рэлея к изучению теплового излучения. Во всех разобранных выше случаях подход к изучению теплового излучения был термодинамическим. Рэлей в отличие от своих предшественников впервые применил методы статистической физики к явлениям теплового излучения. Равновесное электромагнитное излучение, находящееся в замкнутой полости с постоянной температурой стенок, рассматривалось им как система стоячих волн разных частот, распространяющихся во всевозможных направлениях. Частоты образовавшихся стоячих волн должны удовлетворять тем же условиям, что и частоты стоячих упругих волн в стержне. При колебаниях упругого стержня на его закрепленпых концах образуются узлы смещения и на длине стержня L укладывается целое число полуволн [c.330]

Во-первых, фотоны непосредственно не взаимодействуют друг с другом один поток фотонов свободно проходит сквозь другой поток. Равновесие в фотонном газе устанавливается лишь благодаря наличию других частиц, взаимодействуя с которыми фотоны рождаются либо уничтолоются. Так, равновесное тепловое излучение в полости возникает благодаря взаимодействию излучения со стенками полости. Взаимодействия фотонов возможны только в веществе (нелинейно-оптические явления). [c.83]

К. 3. и, выводится из предположения о полном тер-модинамич. равновесии иялучепия с веществом и строго справедлив лишь для равновесного теплового излучения, в частности для излучения, заполняющего замкнутую полость при томн-ре Т. Однако он с хорошей точностью применим к тепловому излучению, испускаемому с поверхности тела, нагретого до высокой темп-ры, в окружающую более холодную среду, собственное излучение к-рой мало по сравнению с излучением данного тола, так что можно рассматривать эту сроду как вакуум (разумеется, что для поддержания стационарного состояния необходимо подводить к излучающему в вакуум телу энергию). [c.368]

Плотность энергии равновесного излучения и его спектральный состав совершенно не зависят от размеров и формы полости и от свойств находящихся в ней тел. Свойства равновесного излучения зависят только от температуры. Поэтому можно говорить о температуре самого излучения, считая ее равной температуре тел, с которыми оно находится в тепловом равновесии. Равновесное излучение однородно, изотропно и неполяризовано, т. е. в каждой точке имеет одинаковую плотность и спектральный состав, а все направления распространения и все направления колебаний напряженности поля представлены с одинаковой вероятностью. [c.419]

П При каких условиях тепловое излучеиие будет термодинамически равновесным Перечислите основные свойства равновесного излучения. Будет ли равновесным излучение, выходящее из маленького отверстия в полости [c.425]

Применяя гипотезу Планка к отдельному нормальному колебанию с частотой со, будем считать, что его энергия может быть равна целому числу элементарных квантов Йш г=пНо. Тогда в состояни теплового равновесия средняя энергия, приходящаяся на одно нормальное колебание, выражается формулой (9.20) с го=Иы <е> =Йш/ ехр[Йш/(/гГ)]—1 . Умножая <е> на число независимых колебаний поля ш с1ш/(л с ), приходящихся на 1 м объема полости, получаем для спектральной плотности равновесного излучения и Т) формулу Планка (9.23). Этот результат выведен здесь для кубической полости, но он должен быть верен для полости любой формы (если интересоваться волнами, длина волны которых мала по сравнению-с ее размерами). В противном случае, вопреки тому, что нам известно о равновесном излучении, его плотность и Т) зависела бы от формы полости. [c.436]

Свойства равновесного излучения плотность лучистой энергии, ее распределение по спектру частот и направлениям распространения, а также поляризация излучения совершенно не зависят от формы и материала стенок полости. Эти свойства, подобно состоянию газа в сосуде, определяются только температурой стенок полости. Равновесное излучение однородно, т. е. его плотность одна и та же во всех точках внутри полости. Оно изотропно и неполяри-зовано все возможные направления распространения излучения представлены с одинаковой вероятностью, а направления векторов Е и В в кйждой точке пространства хаотически меняются во времени. Поскольку излучение находится в тепловом равновесии со стенками, можно говорить о температуре не только стенок, но и о температуре самого излучения, считая по определению обе температуры равными. Надо, однако, подчеркнуть, что температура равновесного излучения есть свойство самого излучения, а не стенки, С которой оно находится в тепловом равновесии. О ней имеет смысл говорить и тогда, когда вообще нет никакой стенки. В частности, например, плотность энергии равновесного излучения однозначно определяет и его температуру (см. П5). [c.676]

Рис. 8. Для сложных молекул органических красителей не существует простого параметра, с помощью которого можно изобразить потенциальную кривую отдельного состояния. Тем не менее, сужение спектра излучения и возможность настройки по частоте излучения лазера на красителе хорошо объяснимы, по крайней мере качественно, с помощью потенциальных диаграмм. Для обычных широкополосных отражающих зеркал, помещенных в полость лазера на красителе, вынужденное ивлучение идет в широком интервале длин волн, соответствующих сумме излучений от всех молекул, накачанных до первого возбужденного синглетного состояния (а, б). В этом случае молекулы находятся в равновесном тепловом распределении в континууме колебательных состояний (серый оттенок). Когда в оптическую полость помещается узкополосный фильтр, через который проходят только более короткие волны, то вынужденное ивлучение имеет место только для линии о длиной волны, проходящей через фильтр (в). Этот процесс стремится выборочно истощить населенность молекул на низших колебательных уровнях первого возбужденного синглетного состояния, тем самым нарушая тепловое равновесное распределение молекул по континууму колебательных состояний. Однако молекулы с ббльшей колебательной анергией быстро переходят на нижние колебательные уровни (г) и, таким образом усиливают свет с более короткими длинами волн (д). Аналогичные рассуждения справедливы и в случае, когда фильтр настроен на пропускание

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...