Взаимодействие света с веществом. Тепловое излучение

Взаимодействие света с
веществом.
Тепловое излучение
биообъектов
• Испускаемый источником свет уносит с
собой энергию. Существует много
различных механизмов подвода энергии
к источнику света. В тех случаях, когда
необходимая энергия сообщается
нагреванием, то есть подводом тепла,
излучение называется тепловым или
температурным.
• В состоянии равновесия процессы
испускания и поглощения энергии
каждым телом в среднем компенсируют
друг друга, и в пространстве между
телами плотность энергии излучения
достигает определенного значения,
зависящего только от установившейся
температуры тел. Это излучение,
находящееся в термодинамическом
равновесии с телами, имеющими
определенную температуру, называется
равновесным или черным излучением.
Плотность энергии равновесного
излучения и его спектральный состав
зависят только от температуры.
Рисунок
Модель абсолютно черного тела.
• Распределение энергии по длинам волн в излучении абсолютно
черного тела при заданной температуре T характеризуется
излучательной способностью r(λ, T), равной мощности
излучения с единицы поверхности тела в единичном интервале
длин волн. Произведение r(λ, T)Δλ равно мощности излучения,
испускаемого единичной площадкой поверхности по всем
направлениям в интервале Δλ длин волн. Аналогично можно
ввести распределение энергии по частотам r(ν, T). Функцию
r(λ, T) (или r(ν, T)) часто называют спектральной светимостью, а
полный поток R(T) излучения всех длин волн, равный
называют интегральной светимостью тела. К концу XIX века
излучение абсолютно черного тела было хорошо изучено
экспериментально.
В 1879 году Йозеф Стефан на основе
анализа экспериментальных данных
пришел к заключению, что интегральная
светимость R(T) абсолютно черного
тела пропорциональна четвертой
степени абсолютной температуры T:
R(T) =  T4.
Несколько позднее, в 1884 году,
Л. Больцман теоретически получил эту
зависимость из термодинамических
соображений. Этот закон получил
название закона Стефана–Больцмана.
Числовое значение постоянной  , по
современным измерениям, составляет
–8
2
4
 = 5,671·10 Вт / (м · К ).
Рисунок
Спектральное распределение r(λ, T) излучения черного
тела при различных температурах.
С увеличением температуры максимум смещается в область
коротких длин волн, причем произведение температуры T на длину
волны ? m, соответствующую максимуму, остается постоянным:
 T  b или   b / T
m
m
Это соотношение ранее было получено Вином из термодинамики.
Оно выражает так называемый закон смещения Вина: длина волны
 m, на которую приходится максимум энергии излучения
абсолютно черного тела, обратно пропорциональна абсолютной
температуре T. Значение постоянной Вина
b = 2,898·10–3 м·К.
При практически достижимых в лабораторных условиях
температурах максимум излучательной способности r(  , T) лежит в
инфракрасной области.
Согласуется с экспериментальными данными только в области достаточно
длинных волн (рис. 8.1.3.). Кроме того, из нее следует абсурдный вывод о
том, что интегральная светимость R(T) черного тела должна обращаться в
бесконечность, а, следовательно, равновесие между нагретым телом и
излучением в замкнутой полости может установиться только при
абсолютном нуле температуры.
Рисунок.
Сравнение закона распределения энергии по длинам волн r(  , T) в
излучении абсолютно черного тела с формулой Рэлея–Джинса при
T = 1600 К.
Планк пришел к выводу, что процессы излучения и поглощения нагретым
телом электромагнитной энергии, происходят не непрерывно, как это
принимала классическая физика, а конечными порциями – квантами.
Квант – это минимальная порция энергии, излучаемой или поглощаемой
телом. По теории Планка, энергия кванта E прямо пропорциональна частоте
света:
E = h?,
где h – так называемая постоянная Планка, равная h = 6,626·10–34 Дж·с.
Постоянная Планка – это универсальная константа, которая в квантовой
физике играет ту же роль, что и скорость света в СТО.
Формулу Планка удобно записывать в форме, выражающей распределение
энергии в спектре излучения абсолютно черного тела по частотам ?, а не по
длинам волн ?.
Здесь c
T
–
а
б
с
о
с
–
л
ю
к
о
т
р
н
о
а
с
я
т
т
ь
е
с
м
в
п
е
е
т
р
а
,
а
т
у
п
–
h
р
а
.
о
с
т
о
я
н
н
а
я
П
л
а
н
к
а
,
k
–
п
о
с
т
о
я
н
н
а
я
Б
о
л
ь
ц
м
а
н
а
,
Поляризация света
Поляризация света, одно из фундаментальных свойств оптического
излучения (света), состоящее в неравноправии различных направлений в
плоскости, перпендикулярной световому лучу (направлению распространения
световой волны). П. с. называются также геометрические характеристики,
которые отражают особенности этого неравноправия.
Поперечность световых волн (как и любых др. электромагнитных волн)
выражается в том, что колеблющиеся в них векторы напряжённости
электрического поля Е и напряжённости магнитного поля Н
перпендикулярны направлению распространения волны.
Полную поляризацию монохроматического света характеризуют проекцией
траектории конца вектора Е (рис. 1) в каждой точке луча на плоскость,
перпендикулярную лучу.
Литература
Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957
(Общий курс физики, т. 3); Шерклифф
У., Поляризованный свет, пер. с англ.,
М., 1965; Борн М., Вольф Э., Основы
оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973;
Феофилов П. П., Поляризованная
люминесценция атомов, молекул и
кристаллов, М., 1959; Ахиезер А. И.,
Берестецкий В. Б., Квантовая
электродинамика, 3 изд., М., 1969.