Какъв цвят е напълно черно тяло? Чисто черно тяло

- физическа абстракция, използвана в термодинамиката, тяло, което напълно абсорбира радиация във всички диапазони, падащи върху него. Въпреки името си, самото черно тяло може да излъчва електромагнитно излъчване. Радиационният спектър на напълно черно тяло се определя само от неговата температура. Практичен модел на черно тяло би бил кухина с малък отвор и почернели стени, тъй като светлината, навлизаща в кухината през отвора, изпитва множество отражения и се абсорбира силно. Наситеният черен цвят на някои материали (въглен, черно кадифе) и зеницата на човешкото око се обяснява със същия механизъм.
Терминът е въведен от Густав Кирхоф през 1862 г.

Интензитетът на излъчване на черното тяло в зависимост от температурата и честотата се определя от закона на Планк:

Където аз (?) д ? – мощност на излъчване на единица площ от излъчващата повърхност на единица телесен ъгъл в честотния диапазон от? преди? + д ?

Обща енергия топлинно излъчванесе определя от закона на Стефан-Болцман:

Където Е е мощността на единица площ от излъчващата повърхност и

W / (m 2 K 4) – става Стефан-Болцман.

Дължината на вълната, при която радиационната енергия е максимална, се определя от закона за изместване на Wien:

Където Tе температурата в Келвин, и ? макс – дължина на вълната s с максимален интензитет в метри.
Видим цвятабсолютни черни тела с различни температури са показани на диаграмата вдясно.
Движение на светлинни лъчи в абсолютно черно тяло Възможно е изкуствено да се създаде почти абсолютно черно тяло чрез трансформиране на вътрешната повърхност на непрозрачно тяло, нагрято до определена температура, с кухина и малък отвор. Всеки лъч, преминаващ през отвор А в кухина С, практически не излиза обратно и следователно изпитва множество отражения и поглъщане. И така, дупка А абсорбира лъчите като напълно черно тяло.
трябва да бъде отбелязано че геометрични размериНапълно черно тяло налага естествени граници на дължината на електромагнитната вълна, която може да се разпространява през него. Наистина, ако дължината на вълната е по-голяма от размера на черното тяло, то просто не може да се види от стените в него. Този факт е особено важен в космологията, когато се моделира Вселената под формата на абсолютно черно тяло върху ранни стадииразвитие, особено когато се има предвид космическото микровълново фоново лъчение.
Концепцията за абсолютно черно тяло се използва широко в астрофизиката. Излъчването на Слънцето е близко до излъчването на такова тяло с температура 6000К. Цялата Вселена е пронизана от т.нар космическо микровълново фоново лъчение, близко до излъчване на черно тяло с температура 3K. Сравняването на общото излъчване на звездите с излъчването на такова тяло ни позволява приблизително да оценим ефективната температура на звездата. Отклонението на излъчването на звездата от това на черно тяло често е доста забележимо. В дълбините на Слънцето и звездите, нагрети до десетки милиони градуси, радиация от висока точностсъответства на такова излъчване.
За практическото прилагане на модела на черното тяло е необходимо да се осигури възможност за равномерно нагряване на стените на кухината и излъчване на радиация през малък отвор. Един от първите експериментални образци на черно тяло беше устройство, направено от Lummer и Pringsheim. Това беше метален контейнер с двойни стени (подобно на термостат). Пространството между стените се използва като „температурна баня“ за поддържане на определена и еднаква температура. Това се постига чрез преминаване на пара през вряща вода или ниски температури– чрез пълнене с лед, твърд въглероден диоксид, течен въздух и др.
За изследване на радиация при високи температуриизползвано е черно тяло с различен дизайн. Цилиндър от платинен лист, през който се електричество, е необходимо за равномерно нагряване на вътрешния порцеланов цилиндър. Температурата вътре в цилиндъра се измерва с термодвойка, а диафрагмите предотвратяват охлаждането от проникващия въздух.
С помощта на такива прости устройства - модели на черно тяло, експериментално са изследвани законите на излъчването, прецизно са определени неговите константи и е изследвано спектралното разпределение на яркостта.

Спектралната плътност на излъчване на напълно черно тяло е универсална функциядължина на вълната и температура. Това означава, че спектралният състав и енергията на излъчване на напълно черно тяло не зависят от природата на тялото.

Формулите (1.1) и (1.2) показват, че знаейки спектралната и интегралната плътност на излъчване на абсолютно черно тяло, те могат да бъдат изчислени за всяко нечерно тяло, ако е известен коефициентът на поглъщане на последното, който трябва да се определи експериментално.

Изследванията доведоха до следните закони на излъчването на черното тяло.

1. Закон на Стефан-Болцман: Интегралната плътност на излъчване на абсолютно черно тяло е пропорционална на четвъртата степен на неговата абсолютна температура

величина σ Наречен Постоянната на Стефан- Болцман:

σ = 5,6687·10 -8 J m - 2 s - 1 K – 4.

Енергия, излъчвана във времето Tабсолютно черно тяло с излъчваща повърхност Спри постоянна температура T,

W=σT 4 St

Ако телесната температура се променя с времето, т.е. Т = Т(T), Че

Законът на Стефан-Болцман показва изключително бързо нарастване на мощността на излъчване с повишаване на температурата. Например, когато температурата се повиши от 800 до 2400 K (т.е. от 527 до 2127 ° C), излъчването на напълно черно тяло се увеличава 81 пъти. Ако напълно черно тяло е заобиколено от среда с температура Т 0, тогава окото ще абсорбира енергията, излъчвана от околната среда.

В този случай разликата между мощността на излъчената и погълнатата радиация може да бъде приблизително изразена с формулата

U=σ(T 4 – T 0 4)

Законът на Стефан-Болцман не е приложим за реални тела, както показват наблюденията сложна зависимост Рвърху температурата, както и върху формата на тялото и състоянието на повърхността му.

2. Закон на Виен за изместване. Дължина на вълната λ 0, което отчита максималната спектрална плътност на излъчването на черното тяло, е обратно пропорционална на абсолютната температура на тялото:

λ 0 = или λ 0 T = b.

Константа б,Наречен постоянен законвина,равна на b = 0,0028978 m K ( λ изразено в метри).

По този начин, с повишаване на температурата, не само общото излъчване се увеличава, но освен това разпределението на енергията в спектъра се променя. Например при ниски телесни температури те учат основно инфрачервени лъчи, а с повишаване на температурата радиацията става червеникава, оранжева и накрая бяла. На фиг. Фигура 2.1 показва емпиричните криви на разпределение на енергията на излъчване на черно тяло по дължина на вълната при различни температури: от тях става ясно, че максималната спектрална плътност на радиацията се измества към по-къси вълни с повишаване на температурата.

3. Закон на Планк. Законът на Стефан-Болцман и законът за изместване на Виен не решават основния проблем колко голяма е спектралната плътност на излъчване при всяка дължина на вълната в спектъра на черно тяло при температура T.За да направите това, трябва да установите функционална зависимост Иот λ И T.

Въз основа на идеята за непрекъснатия характер на излъчването на електромагнитни вълни и на закона за равномерно разпределение на енергията по степени на свобода (приети в класическата физика), бяха получени две формули за спектралната плътност и излъчване на черно тяло :

1) Формула за вино

Където аИ b- константи;

2) формула на Rayleigh-Jeans

u λT = 8πkT λ – 4 ,

Където к- Константа на Болцман. Експерименталното тестване показа, че за дадена температура формулата на Виен е правилна за къси вълни (когато λTмного малък и дава резки конвергенции от опит в областта на дългите вълни. Формулата на Rayleigh-Jeans се оказа вярна за дългите вълни и е напълно неприложима за късите (фиг. 2.2).

По този начин класическа физикасе оказа неспособен да обясни закона за разпределение на енергията в спектъра на излъчване на напълно черно тяло.

За да се определи вида на функцията u λТбяха необходими напълно нови идеи за механизма на излъчване на светлина. През 1900 г. М. Планк изказва хипотезата, че абсорбция и излъчване на енергия електромагнитно излъчванеатоми и молекули са възможни само в отделни „части“,които се наричат ​​енергийни кванти. Големината на енергийния квант ε пропорционална на честотата на излъчване v(обратно пропорционална на дължината на вълната λ ):

ε = hv = hc/λ

Фактор на пропорционалност h = 6,625·10 -34 J·s и се нарича Константа на Планк.Във видимата част на спектъра за дължина на вълната λ = 0,5 µm стойността на енергийния квант е равна на:

ε = hc/λ= 3,79·10 -19 J·s = 2,4 eV

Въз основа на това предположение Планк получава формула за u λТ:

Където к– константа на Болцман, с– скоростта на светлината във вакуум. l Кривата, съответстваща на функция (2.1), също е показана на фиг. 2.2.

От закона на Планк (2.11) се получават законът на Стефан-Болцман и законът на Виен за изместване. Наистина, за интегралната плътност на излъчване, която получаваме

Изчислението по тази формула дава резултат, който съвпада с емпирично значениеКонстанта на Стефан-Болцман.

Законът за изместване на Виен и неговата константа могат да бъдат получени от формулата на Планк чрез намиране на максимума на функцията u λТ, защо е производната на u λТот λ , и е равно на нула. Изчислението води до формулата:

Изчисляване на константа bтази формула също дава резултат, който съвпада с емпиричната стойност на константата на Wien.

Нека разгледаме най-важните приложения на законите на топлинното излъчване.

А. Топлинни източници на светлина.Мнозинство изкуствени източницисветлината е топлинни излъчватели (електрически лампи с нажежаема жичка, конвенционални дъгови лампи и др.). Тези източници на светлина обаче не са много икономични.

В § 1 беше казано, че окото е чувствително само към много тясна част от спектъра (от 380 до 770 nm); всички други вълни нямат ефект визуално усещане. Максималната чувствителност на окото съответства на дължината на вълната λ = 0,555 цт. Въз основа на това свойство на окото, трябва да се изисква от светлинните източници такова разпределение на енергията в спектъра, при което максималната спектрална плътност на излъчване ще падне върху дължината на вълната λ = 0,555 µm или така. Ако вземем абсолютно черно тяло като такъв източник, тогава използвайки закона за изместване на Виен, можем да изчислим неговата абсолютна температура:

По този начин най-изгодният термичен източник на светлина трябва да има температура от 5200 K, което съответства на температурата слънчева повърхност. Това съвпадение е резултат от биологичната адаптация на човешкото зрение към разпределението на енергията в спектъра слънчева радиация. Но дори и този източник на светлина ефективност(съотношение на енергията на видимото лъчение към обща енергияобщата радиация) ще бъде малка. Графично на фиг. 2.3 този коефициент се изразява чрез съотношението на площите S 1И С; квадрат S 1изразява енергията на излъчване във видимата област на спектъра, С- цялата радиационна енергия.

Изчисленията показват, че при температура около 5000-6000 K светлинната ефективност е само 14-15% (за абсолютно черно тяло). При температурата на съществуващите изкуствени източници на светлина (3000 K) тази ефективност е само около 1-3%. Такава ниска „светлинна мощност“ на термичен излъчвател се обяснява с факта, че по време на хаотичното движение на атоми и молекули се възбуждат не само светлинни (видими) вълни, но и други електромагнитни вълни, които нямат светлинен ефект върху око. Следователно е невъзможно селективно да се принуди тялото да излъчва само онези вълни, към които окото е чувствително: излъчват се и невидими вълни.

Най-важният от съвременните температурни източници на светлина са електрическите лампи с нажежаема жичка с волфрамова жичка. Точката на топене на волфрама е 3655 K. Въпреки това, нагряването на нишката до температури над 2500 K е опасно, тъй като волфрамът при тази температура се атомизира много бързо и нишката се разрушава. За да се намали разпръскването на нишките, беше предложено лампите да се напълнят с инертни газове (аргон, ксенон, азот) при налягане от около 0,5 atm. Това даде възможност да се повиши температурата на нажежаемата жичка до 3000-3200 K. При тези температури максималната спектрална плътност на радиацията е в областта на инфрачервените вълни (около 1,1 микрона), поради което всички съвременни лампи с нажежаема жичка имат ефективност от малко повече от 1%.

б. Оптична пирометрия.Законите за излъчване на черното тяло, посочени по-горе, позволяват да се определи температурата на това тяло, ако дължината на вълната е известна λ 0 , съответстваща на максимума u λТ(съгласно закона на Виен), или ако е известна стойността на интегралната плътност на излъчване (съгласно закона на Стефан-Болцман). Тези методи за определяне на телесната температура от нейното топлинно излъчване в кабината оптична пирометрия;те са особено полезни при измерване на много високи температури. Тъй като споменатите закони важат само за абсолютно черно тяло, оптичната пирометрия, базирана на тях, дава добри резултатисамо при измерване на температурите на тела, близки по свойствата си до абсолютно черни. На практика това са фабрични пещи, лабораторни муфелни пещи, котелни пещи и др. Нека разгледаме три начина за определяне на температурата на топлинните излъчватели:

А. Метод, основан на закона за изместване на Wien.Ако знаем дължината на вълната, при която пада максималната спектрална плътност на радиацията, тогава телесната температура може да се изчисли по формула (2.2).

По-специално по този начин се определя температурата на повърхността на Слънцето, звездите и т.н.

За нечерни тела този метод не дава истинската телесна температура; ако има един максимум в емисионния спектър и изчисляваме Tсъгласно формула (2.2), тогава изчислението ни дава температурата на абсолютно черно тяло, което има почти същото енергийно разпределение в спектъра като тестваното тяло. В този случай цветът на излъчването на абсолютно черно тяло ще бъде същият като цвета на изследваното лъчение. Тази телесна температура се нарича неговата цветна температура.

Цветна температураЖичката на лампата с нажежаема жичка е 2700-3000 K, което е много близко до истинската й температура.

b. Радиационен метод за измерване на температуратавъз основа на измерване на интегралната радиационна плътност на тялото Ри изчисляване на неговата температура с помощта на закона на Стефан-Болцман. Съответните устройства се наричат ​​радиационни пирометри.

Естествено, ако излъчващото тяло не е абсолютно черно, тогава радиационният пирометър няма да даде истинската температура на тялото, а ще покаже температурата на абсолютно черно тяло, при което интегралната плътност на излъчване на последното е равна на интегралната радиация плътност на изпитваното тяло. Тази телесна температура се нарича радиация,или енергия,температура.

Сред недостатъците на радиационния пирометър посочваме невъзможността да се използва за определяне на температурите на малки обекти, както и влиянието на средата, разположена между обекта и пирометъра, която абсорбира част от радиацията.

V. аз яркостен метод за определяне на температурите.Принципът му на действие се основава на визуално сравнение на яркостта на горещата нишка на пирометърната лампа с яркостта на изображението на нагрятото тестово тяло. Устройството представлява телескоп с поставена вътре електрическа лампа, захранвана от батерия. Равенството, визуално наблюдавано чрез монохроматичен филтър, се определя от изчезването на изображението на нишката на фона на изображението на горещото тяло. Нажежаемата жичка се регулира от реостат, а температурата се определя от амперметърната скала, градуирана директно спрямо температурата.

Поляризацията на светлината е процес на подреждане на трептенията на вектора на интензитета електрическо полесветлинна вълна, когато светлината преминава през определени вещества (по време на пречупване) или когато се отразява светлинен поток. Има няколко начина за производство на поляризирана светлина.

1) Поляризация с помощта на Polaroids. Полароидите са целулоидни филми, покрити с тънък слой кристали от хинин сулфат. Използването на поляроиди в момента е най-разпространеният метод за поляризиране на светлината.

2) Поляризация чрез отражение. Ако естествен лъч светлина падне върху черна полирана повърхност, отразеният лъч е частично поляризиран. Като поляризатор и анализатор може да се използва огледално или сравнително добре полирано обикновено прозоречно стъкло, почернено от едната страна с асфалтов лак.

Колкото по-правилно се поддържа ъгълът на падане, толкова по-голяма е степента на поляризация. За стъклото ъгълът на падане е 57°.

3) Поляризация чрез пречупване. Светлинният лъч се поляризира не само по време на отражение, но и по време на пречупване. В този случай като поляризатор и анализатор се използва купчина от 10-15 тънки стъклени пластини, сгънати заедно, разположени под ъгъл 57° спрямо падащите върху тях светлинни лъчи.

Търговия на едроИ ичен актИ задълбоченост, способността на средата да предизвиква въртене на равнината на поляризация, преминаваща през нея оптично лъчение(Света).

ъгълът j на завъртане на равнината на поляризация зависи линейно от дебелината лслой активно вещество(или негов разтвор) и концентрация сна това вещество - j = [a] lc(коефициентът [a] се нарича специфичен O. a.); 2) въртенето в дадена среда се извършва или по посока на часовниковата стрелка (j > 0), или обратно на часовниковата стрелка (j< 0), если смотреть навстречу ходу лучей света

43. Русд почитане на Св.д та,промяна в характеристиките на потока от оптично лъчение (светлина) по време на взаимодействието му с материята. Тези характеристики могат да бъдат пространственото разпределение на интензитета, честотния спектър и поляризацията на светлината. Често R. s. нарича се само промяна в посоката на разпространение на светлината, причинена от пространствената хетерогенност на средата, възприемана като неправилно сияние на средата.

ИНДЕКС НА РАЗСЕЙВАНЕ, реципрочната стойност на разстоянието, на което потокът от радиация, образуващ паралелен светлинен лъч, се отслабва в резултат разсейванев околната среда с 10 пъти или e пъти.

отнд Аз съм ЗакО н,заявява, че интензитетът азсветлината, разсеяна от средата, е обратно пропорционална на 4-та степен на дължината на вълната l на падащата светлина ( аз~ l -4) в случай, че средата се състои от диелектрични частици, чиито размери са много по-малки от l . Разтърсвам ~1/ 4

44. Абсорбиращд ция на Св.д та,намаляване на интензитета на преминаващото оптично лъчение (светлина). материална среда, поради процесите на взаимодействието му с околната среда. Светлинна енергия при P. s. отива в различни форми вътрешна енергиясреда или състав на оптичното излъчване; то може да бъде напълно или частично повторно излъчено от средата на честоти, различни от честотата на погълнатото лъчение.

Законът на Бугер.Физическият смисъл е, че процесът на загуба на лъчеви фотони в средата не зависи от тяхната плътност в светлинния лъч, т.е. върху интензитета на светлината и полудължината I.

I=I 0 exp(λ l ); l – дължина на вълната,  λ - степен на абсорбция, аз 0– интензитет на поглъщащия лъч.

Буболечкад ра - ЛА Мберта - Бд ракО н,определя постепенното затихване на паралелен монохроматичен (едноцветен) лъч светлина, докато се разпространява в абсорбиращо вещество. Ако мощността на лъча, влизащ в слой от вещество с дебелина л,равна на азо, то според Б.-Л.-Б. h., мощност на лъча при излизане от слоя

аз(л)= азо д-° С кл,

където c е специфичният показател за поглъщане на светлина, изчислен за единица концентрация свещество, определящо абсорбцията;

Скорост на усвояване (k l), реципрочната стойност на разстоянието, на което монохроматичният радиационен потокчестота n, образувайки паралелен лъч, се отслабва поради поглъщане в материята в дпъти или 10 пъти. Измерено в cm -1или m -1 .В спектроскопията и някои други клонове на приложната оптика, терминът "PP" традиционно се използва за обозначаване на коефициента на поглъщане.

Моларна скорост на абсорбция

Пропускливостта е съотношението на радиационния поток, преминаващ през среда, към потока, падащ върху нейната повърхност. t = F/F 0

Оптичната плътност е мярка за непрозрачността на слой вещество за светлинни лъчи D = log(-F 0 /F)

Прозрачност на средата- съотношението на величината на радиационния поток, преминал без промяна на посоката през слой от среда с единична дебелина към величината на падащия поток (т.е. без да се вземат предвид ефектите на разсейване и влиянието на ефектите върху интерфейсите) .

45. Топлинно излъчване- електромагнитно излъчване с непрекъснат спектър, излъчвано от нагрети тела поради тяхната топлинна енергия.

Абсолютно черно тяло - физическа идеализация, използвана в термодинамиката, тяло, което абсорбира цялото падащо върху него електромагнитно лъчение във всички диапазони и не отразява нищо. Въпреки името, напълно черно тяло може само по себе си да излъчва електромагнитно излъчване с всякаква честота и визуално да има цвят. Спектърът на излъчване на абсолютно черно тяло се определя само от неговата температура.

Сиво тяло- това е тяло, чийто коефициент на поглъщане не зависи от честотата, а зависи само от температурата

За сиво тяло

СИВО ТЯЛО- тяло, коефициент на поглъщанекоето е по-малко от 1 и не зависи от дължината на вълната на излъчване и абс. температури T. Коеф. абсорбция (наричан още коефициент на чернота S.t.) на всички реални телазависи от (селективна абсорбция) и T, следователно те могат да се считат за сиви само в интервалите и T, където коеф прибл. постоянен. Във видимата област на спектъра свойствата на слънчевата радиация имат въглища( = 0,80 при 400-900 K), сажди ( = 0,94-0,96 при 370-470 K); платиненото и бисмутовото черно поглъщат и излъчват като светлина в най-широк диапазон - от видимата светлина до 25-30 микрона (= 0,93-0,99).

Основни закони на радиацията:

Закон на Стефан-Болцман- законът за излъчване на черно тяло. Определя зависимостта на мощността на излъчване на абсолютно черно тяло от неговата температура. Декларация на закона:

където е степента на чернота (за всички вещества, за абсолютно черно тяло). Използвайки закона на Планк за радиация, константата σ може да се определи като

къде е константата на Планк, к- константа на Болцман, ° С- скоростта на светлината.

Числена стойност J s −1 m −2 K −4.

Радиационният закон на Кирхоф - физически закон, установен от немския физик Кирхоф през 1859г.

В съвременната си редакция законът гласи следното:

Съотношението на излъчвателната способност на всяко тяло към неговата абсорбционна способност е еднакво за всички тела при дадена температура за дадена честота и не зависи от тяхната форма и химическа природа.

Известно е, че когато електромагнитното лъчение попадне върху определено тяло, част от него се отразява, част се поглъща, а част може да се предава. Фракцията на радиацията, погълната при дадена честота, се нарича абсорбционна способносттяло. От друга страна, всяко нагрято тяло излъчва енергия по някакъв закон, наречен излъчвателна способност на тялото.

Стойностите на и могат да варират значително при преминаване от едно тяло към друго, но според закона на радиацията на Кирхоф съотношението на емисионните и абсорбционните способности не зависи от природата на тялото и е универсална функция на честотата ( дължина на вълната) и температура:

Дължината на вълната, при която радиационната енергия на напълно черно тяло е максимална, се определя от Законът за изместване на Виен:

Където Tе температурата в Келвин, а λ max е дължината на вълната с максимален интензитет в метри.

Характеристики на топлинното излъчване

Телата, нагрети до температури до 424e43ie, светят. Светенето на телата, причинено от нагряване, се нарича топлинно (температурно) излъчване. Топлинното излъчване, което е най-разпространеното в природата, се дължи на енергията на топлинното движение на атомите и молекулите на дадено вещество (т.е. поради неговата вътрешна енергия) и е характерно за всички тела при температури над 0 К. Топлинното излъчване се характеризира чрез непрекъснат спектър, положението на максимума на който зависи от температурата. При високи температури се излъчват къси (видими и ултравиолетови) електромагнитни вълни, докато при ниски температури се излъчват предимно дълги (инфрачервени) вълни.

Топлинното излъчване е практически единственият вид радиация, който може да бъде равновесие. Да приемем, че нагрято (излъчващо) тяло е поставено в кухина, ограничена от идеално отразяваща обвивка. С течение на времето, в резултат на непрекъснатия обмен на енергия между тялото и радиацията, ще настъпи равновесие, т.е. тялото ще абсорбира толкова енергия за единица време, колкото излъчва. Да приемем, че балансът между тялото и радиацията е нарушен по някаква причина и тялото излъчва повече енергия, отколкото поглъща. Ако за единица време тялото излъчва повече, отколкото поглъща (или обратното), тогава температурата на тялото ще започне да намалява (или да се повишава). В резултат на това количеството енергия, излъчвана от тялото, ще бъде отслабено (или старее), докато най-накрая се установи равновесие. Всички други видове радиация са неравновесни.

Количествени характеристикитоплинното излъчване служи спектрална плътност на енергийната светимост (емисионна способност) на тяло≈ мощност на излъчване на единица повърхност на тялото в честотен диапазон с единица ширина:

къде ≈ енергия на електромагнитно излъчване, излъчвано за единица време (мощност на излъчване) на единица повърхност на тялото в честотния диапазон от нпреди н+г н.

Единица за спектрална плътност на енергийната светимост ( Rn,T) ≈джаул на квадратен метър(J/m2).

Написаната формула може да бъде представена като функция на дължината на вълната:

защото c=ln,Че

където знакът минус показва, че от възрастта 424e43ie ; липсата на едно от количествата ( нили л)друго количество намалява. Следователно, в това, което следва, ще пропуснем знака минус. По този начин,

Използвайки формула (197.1), можете да преминете от R n,T ═Да се R l,Tи обратно.

знаейки спектрална плътностенергийна светимост, може да се изчисли интегрална енергийна светимост (интегрална излъчвателна способност)(нарича се просто енергийната яркост на тялото), сумирана за всички честоти:

Способността на телата да абсорбират падащата върху тях радиация се характеризира с спектрална абсорбционна способност

показва каква част от енергията е донесена за единица време на единица повърхност на тялото от падащи обекти електромагнитни вълничестоти от нпреди н+г н, се усвоява от организма. Спектралната абсорбционна способност е безразмерна величина. Количества Rn,T═и Мравказависят от природата на тялото, неговата термодинамична температура и същевременно се различават за излъчване с различни честоти. Следователно тези стойности се наричат ​​​​сигурни TИ н(или по-скоро до достатъчно 424e43ie; точно тесен честотен диапазон от нпреди н+г н).

Тяло, способно напълно да абсорбира при всякаква температура цялото лъчение с всякаква честота, падащо върху него, се нарича черно. Следователно, спектралната абсорбционна способност на черното тяло за всички честоти и температури е идентично равна на единица ( ). В природата няма абсолютно черни тела, но тела като сажди, платинено черно, черно кадифе и някои други в определен честотен диапазон са близки до тях по своите свойства.

Идеалният моделчерното тяло е затворена кухина с малък отвор ОТНОСНО, вътрешна повърхносткойто е почернял (фиг. 286). Лъч светлина, влизащ в такава кухина, изпитва многократни отражения от стените, в резултат на което интензитетът на излъченото лъчение е практически равен на нула. Опитът показва, че когато размерът на отвора е по-малък от 0,1 от диаметъра на кухината, падащото лъчение от всички честоти се абсорбира напълно. В резултат на това отворените прозорци на къщи откъм улицата изглеждат черни, въпреки че вътре в стаите е почти светло поради отразяването на светлината от стените.

Заедно с концепцията за черно тяло се използва концепцията сиво тяло≈ тяло, чиято абсорбционна способност е по-малка от единица, но е еднаква за всички честоти и зависи само от температурата, материала и състоянието на повърхността на тялото. Така за сиво тяло = А Т= конст

Изследването на топлинното излъчване изигра важна роля в създаването на квантовата теория на светлината, така че е необходимо да се разгледат законите, на които се подчинява.

Енергийна светимост на тялотоР Т, е числено равно на енергия У, излъчвани от тялото в целия диапазон на дължината на вълната (0<<) за единица телесна повърхност, за единица време, при телесна температура T, т.е.

(1)

Емисионна способност на тялотоr ,Tчислено равна на енергията на тялото dW, излъчвани от тяло от единица телесна повърхност, за единица време при телесна температура T, в диапазона на дължината на вълната от  до  +d,тези.

(2)

Тази величина се нарича още спектрална плътност на енергийната светимост на тялото.

Енергийната светимост е свързана с излъчвателната способност по формулата

(3)

Абсорбциятяло  ,Т- число, показващо каква част от радиационната енергия, падаща върху повърхността на тялото, се абсорбира от нея в диапазона на дължината на вълната от  до  +d,тези.

. (4)

Тяло, за което  ,T =1в целия диапазон на дължината на вълната се нарича абсолютно черно тяло (BLB).

Тяло, за което  ,T = const<1 в целия диапазон на дължината на вълната се нарича сиво.

46. ​​​​Специални физически инструменти, наречени актинометри, могат да измерват количеството слънчева енергия, получено на земната повърхност на единица площ за единица време. Преди лъчи на слънцатаКогато достигнат повърхността на Земята и влязат в актинометъра, те трябва да преминат през цялата дебелина на нашата атмосфера, в резултат на което част от енергията ще бъде погълната от атмосферата. Големината на това поглъщане варира значително в зависимост от състоянието на атмосферата, така че количеството слънчева енергия, получено на земната повърхност по различно време, е много различно.

Слънчевата константа е количеството енергия, получено от един квадратен сантиметър площ, изложена на границата на земната атмосфера, перпендикулярна на лъчите на Слънцето, за една минута в малки калории. От голяма поредица от актинометрични наблюдения от много геофизични обсерватории е получена следната стойност за слънчевата константа:

A = 1,94 кал/см2 мин.

На 1 квадратен метър от повърхността на площадката в близост до Земята, обърната към Слънцето, всяка секунда се получават 1400 J енергия, пренесена от слънчевото електромагнитно излъчване. Тази стойност се нарича слънчева константа. С други думи, плътността на енергийния поток на слънчевата радиация е 1,4 kW/m2.

СЛЪНЧЕВ СПЕКТЪР - разпределение на енергията на електромагнитното излъчване от Слънцето в диапазона на дължината на вълната от няколко фракции nm (гама радиация) до метрови радиовълни. Във видимата област слънчевият спектър е близък до спектъра на напълно черно тяло при температура около 5800 K; има енергиен максимум в района на 430-500 nm. Слънчевият спектър е непрекъснат спектър, върху който са насложени повече от 20 хиляди абсорбционни линии (линии на Фраунхофер) на различни химични елементи.

актинО метър- уред за измерване на интензитета на пряката слънчева радиация. Принципът на действие на алуминиевия оксид се основава на абсорбирането на падащо лъчение от почерняла повърхност и превръщането на неговата енергия в топлина. А. е относително устройство, т.к За интензивността на излъчването се съди по различни явления, съпътстващи нагряването, за разлика от пирхелиометрите - абсолютни инструменти. Например принципът на действие на актинометъра на Майкелсън се основава на нагряване на биметална плоча, почернела от сажди от слънчевите лъчи 1 , пресован от желязо и инвар. При нагряване желязото се удължава и инварът почти не изпитва термично разширение, така че плочата се огъва. Степента на огъване служи като мярка за интензивността на слънчевата радиация. Движението на кварцова нишка се наблюдава с помощта на микроскоп. , разположен в края на плочата.

До края на 19 век учените, изучаващи взаимодействието на електромагнитното излъчване (по-специално светлината) с атомите на материята, се натъкват на сериозни проблеми, които могат да бъдат решени само в рамките на квантовата механика, която в много отношения възниква поради на факта, че тези проблеми са възникнали. За да разберете първия и може би най-сериозен от тези проблеми, представете си голяма черна кутия с огледална вътрешна повърхност, а в една от стените има малък отвор. Лъч светлина, проникващ в кутия през микроскопичен отвор, остава вътре завинаги, безкрайно отразявайки се от стените. Обект, който не отразява светлината, а напълно я поглъща, изглежда черен, поради което обикновено се нарича черно тяло. (Черното тяло, подобно на много други концептуални физически явления, е чисто хипотетичен обект, въпреки че, например, куха, равномерно нагрята сфера, огледална отвътре, в която светлината прониква през една малка дупка, е добро приближение.)

Вие обаче вероятно сте виждали доста близки аналози на черно тяло в действителност. В камина, например, се случва няколко трупи да са подредени почти плътно една до друга и в тях да изгори доста голяма кухина. Външната страна на трупите остава тъмна и не свети, докато вътре в изгорялата кухина се натрупват топлина (инфрачервено лъчение) и светлина и тези лъчи се отразяват многократно от стените на кухината, преди да избягат навън. Ако погледнете в празнината между такива трупи, ще видите ярко жълто-оранжево високотемпературно сияние и оттам буквално ще пламнете от топлина. Лъчите просто са били уловени за известно време между трупите, точно както светлината е напълно уловена и погълната от черната кутия, описана по-горе.

Моделът на такава черна кутия ни помага да разберем как се държи светлината, погълната от черно тяло, взаимодействайки с атомите на неговото вещество. Тук е важно да се разбере, че светлината се абсорбира от един атом, незабавно се излъчва от него и се абсорбира от друг атом, отново се излъчва и абсорбира и това ще се случи до достигане на състоянието на равновесно насищане. Когато черно тяло се нагрее до равновесно състояние, интензитетите на излъчване и поглъщане на лъчите вътре в черното тяло се изравняват: когато определено количество светлина с определена честота се абсорбира от един атом, друг атом някъде вътре едновременно излъчва същото количество светлина със същата честота. По този начин количеството абсорбирана светлина от всяка честота в едно черно тяло остава същото, въпреки че различните атоми на тялото я абсорбират и излъчват.

До този момент поведението на черното тяло остава съвсем разбираемо. Проблемите в рамките на класическата физика (под „класическа“ тук имаме предвид физиката преди появата на квантовата механика) започнаха, когато се опитахме да изчислим радиационната енергия, съхранявана вътре в черно тяло в равновесно състояние. И скоро станаха ясни две неща:

• колкото по-висока е честотата на вълната на лъчите, толкова повече от тях се натрупват вътре в черното тяло (т.е. колкото по-къси са дължините на вълната на изследваната част от спектъра на радиационните вълни, толкова повече лъчи от тази част от спектъра вътре в черното тяло са предвидени от класическата теория);
• Колкото по-висока е честотата на вълната, толкова повече енергия носи тя и съответно толкова повече от нея се складира вътре в черното тяло.

Взети заедно, тези две заключения доведоха до немислим резултат: радиационната енергия вътре в черно тяло трябва да е безкрайна! Тази зла подигравка със законите на класическата физика беше наречена ултравиолетово бедствие, тъй като високочестотното лъчение се намира в ултравиолетовата част на спектъра.

Редът е възстановен от немския физик Макс Планк ( см.Константата на Планк) - той показа, че проблемът се отстранява, ако приемем, че атомите могат да абсорбират и излъчват светлина само на части и само при определени честоти. (По-късно Алберт Айнщайн обобщава тази идея, като въвежда концепцията фотони- строго определени порции светлинно излъчване.) Съгласно тази схема, много честоти на излъчване, предвидени от класическата физика, просто не могат да съществуват вътре в черно тяло, тъй като атомите не са в състояние да ги абсорбират или излъчват; Съответно, тези честоти са изключени от разглеждане при изчисляване на равновесното излъчване вътре в черно тяло. Като остави само допустимите честоти, Планк предотврати ултравиолетовата катастрофа и постави науката по пътя към правилното разбиране на структурата на света на субатомно ниво. Освен това той изчислява характерното честотно разпределение на равновесното излъчване на черно тяло.

Това разпределение придоби световна известност много десетилетия след публикуването му от самия Планк, когато космолозите откриха, че откритото от тях космическо микровълново фоново лъчение ( см.Големият взрив) следва точно разпределението на Планк в своите спектрални характеристики и съответства на излъчване на черно тяло при температура около три градуса над абсолютната нула.

Абсолютно черното тяло е ментален, физически, идеализиран обект. Интересното е, че не е задължително да е черно. Тук въпросът е друг.

Албедо

Всички помним (или поне трябва да помним) от училищния курс по физика, че понятието „албедо“ предполага способността на повърхността на тялото да отразява светлината. Например снежните покривки на ледените шапки на нашата планета са способни да отразяват до 90% от слънчевата светлина, падаща върху тях. Това означава, че те се характеризират с високо албедо. Не е изненадващо, че служителите на полярните станции често са принудени да работят със слънчеви очила. В крайна сметка да гледаш чист сняг е почти същото като да гледаш Слънцето с просто око. В това отношение спътникът на Сатурн Енцелад има рекордната отражателна способност в цялата слънчева система, която се състои почти изцяло от воден лед, бяла е на цвят и отразява почти цялата радиация, падаща върху нейната повърхност. От друга страна, вещество като сажди има албедо по-малко от 1%. Тоест, той абсорбира около 99% от електромагнитното излъчване.

Абсолютно черно тяло: описание

Тук стигаме до най-важното. Със сигурност читателят се досеща, че напълно черно тяло е обект, чиято повърхност е в състояние да абсорбира абсолютно цялата радиация, падаща върху него. Това обаче изобщо не означава, че такъв обект ще бъде невидим и по принцип не може да излъчва светлина. Не, не трябва да се бърка с черна дупка. То може да има цвят и дори да е доста видимо, но излъчването на напълно черно тяло винаги ще се определя от собствената му температура, но не и от отразената светлина. Между другото, това отчита не само видимия за човешкото око спектър, но и ултравиолетово, инфрачервено лъчение, радиовълни, рентгенови лъчи, гама лъчение и т.н. Както вече споменахме, в природата не съществува абсолютно черно тяло. Неговите характеристики в нашата звездна система обаче се покриват най-пълно от Слънцето, което излъчва, но почти не отразява светлина (излъчвана от други звезди).

Лабораторна идеализация

От края на 19 век се правят опити за създаване на предмети, които изобщо не отразяват светлината. Всъщност този проблем се превърна в една от предпоставките за появата на квантовата механика. На първо място, важно е да се отбележи, че всеки фотон (или всяка друга частица от електромагнитно излъчване), погълнат от атом, незабавно се излъчва от него и се поглъща от съседен атом и се излъчва отново. Този процес ще продължи, докато в тялото се постигне състояние на равновесно насищане. Въпреки това, когато черно тяло се нагрее до подобно равновесно състояние, интензитетът на светлината, която излъчва, става равен на интензитета на светлината, която абсорбира.

В научната общност на физиците възниква проблем, когато се опитват да изчислят каква трябва да бъде тази радиационна енергия, която се съхранява в черно тяло в равновесие. И тук идва един невероятен момент. Разпределението на енергията в спектъра на абсолютно черно тяло в състояние на равновесие означава буквално безкрайността на енергията на излъчване вътре в него. Този проблем е наречен ултравиолетово бедствие.

Решението на Планк

Първият, който успя да намери приемливо решение на този проблем, беше немският физик Макс Планк. Той предположи, че всяка радиация се абсорбира от атомите не непрекъснато, а дискретно. Тоест на порции. По-късно такива части бяха наречени фотони. Освен това радиомагнитните вълни могат да се абсорбират от атоми само при определени честоти. Неподходящите честоти просто преминават, което решава проблема с безкрайната енергия на необходимото уравнение.