Виды излучения

Лекция № 12

Виды излучения

Тепловое излучение

Излучение света сопровождается потерей энергии источника и для поддержания излучения энергию необходимо пополнять. Это можно обеспечить за счет подвода тепла. Такое излучение получило название теплового. Оно отличается от других видов излучения. Тепловое излучение оказалось равновесным (состояние системы будет равновесным, если с течением времени распределение энергии между телом и излучением не меняется).

         Если внутрь полости поместить нагретое тело, то вначале тело в единицу времени будет больше испускать, чем поглощать, при этом температура тела будет понижаться, излучение ослабеет. С течением времени установится равновесие, и температура не будет меняться. Тело сколько испускает, столько же поглощает энергии. Это состояние устойчивое.

Тепловое излучение подчиняется некоторым общим закономерностям, вытекающим из принципов термодинамики.

Для характеристики теплового излучения пользуются величиной потока энергии. Поток энергии, испускаемый единицей поверхности излучающего тела по всем направлениям (в пределах телесного угла 2π) называется энергетической светимостью (светностью) тела К (смотри раздел «Фотометрия»)

Обозначим энергию испускаемую в пределах частот ν до ν+dν dw_ν1ν+dν. Величина  называется спектральной излучательной способностью тела. Энергетическая светимость, следовательно, будет определяться как

                                                (1)

Рекомендуемые материалы

Безразмерная величина, определяемая отношением поглощенной энергии в интервале частот ν, ν+dν к падающей в этом же интервале, называется поглощательной способностью тела

                                                         (2)

Тело для которого a(ν,Т)=1 называется абсолютно черным.

Между испускательной и поглощательной способностью тел имеется определенная связь, которую установил Кирхгоф в 1859 году.

Если внутрь полости с отражающими стенками при постоянной температуре поместить несколько различных тел, то через некоторое время все тела примут одну и ту же температуру. Тела, обладающие большей испускательной способностью, больше и поглощают энергии в единицу времени. Тела с меньшей излучательной способностью, меньше поглощают энергии, т.е.

                               (3)

Отношение испускательной способности и поглощательной способности не зависит от природы тел и является для всех тел одной и той же универсальной функцией частоты и температуры, т.е.

                                                        (4)

Если учесть, что для абсолютно черного тела a(ν,Т)=1, то отношение (4) будет являться спектральной излучательной способностью абсолютно черного тела, которую обозначим через ε(ν,τ), таким образом, закон Кирхгофа запишется в виде

                                              (5)

Стефан (1879 г.) и Больцман (1884 г.) установили, что интегральная излучательная способность (светимость) абсолютно черного тела пропорциональна абсолютной температуре в четвертой степени, т.е.

ε(Т)=σT⁴,                                                   (6)

коэффициент пропорциональности σ – называется постоянной Стефана-Болцмана σ=5,7·10^-8Вт/м²·К⁴.

Спектр излучения абсолютного черного тела непрерывный с максимумом (рис. 1) при определенной длине волны λ_макс. С понижением температуры Т₁>Т₂>Т₃ длина волны на которую приходится максимум излучательной способности смещается в длинноволновую область. Это правило было определено Вином и носит название закона смещения Вина:

,           (7)        

где в=2,898·10^-3м·К называется постоянной Вина.

Площадь под кривой ε(λ) определяет интегральную излучательную способность R(Т). Максимальное значение ε(λ_м) пропорционально абсолютной температуре в пятой степени

ε(λ_м)=в′Т⁵,                 (8)        

где в′=1,3·10^-2Вт/(м³·К⁵) – коэффициент пропорциональности.

1. Формула Рэлея-Джинса. Формула Планка

Функцию ε(ν,Т) в явном виде, исходя из классических представлений, получили Рэлей и Джинс в виде

, (9)

здесь к – постоянная Больцмана, с – скорость света в вакууме.

Хотя вывод формулы (9) был безупречен, однако, оказалось полученная из нее интегральная излучательная способность равна бесконечности, т.е.

                                 (10)

Это состояние в физике получило название ультрафиолетовой катастрофы. Выход из тупика в 1900 г. нашел Планк. Он предложил заменить классические осцилляторы (излучатели) на квантовые, энергия которых изменяется не непрерывно, а порциями Е_n=nE₀. Минимальная порция (квант) энергии E₀ пропорциональна частоте, т.е.

E₀=hν,                                                      (11)

коэффициент пропорциональности h=6,63·10^-34Дж·с носит название постоянной Планка.

Таким образом, найдя среднее значение энергии квантового осциллятора

                                              (12)

из распределения  и, подставляя его в формулу Рэлея-Джинса вместо средней энергии классического осциллятора КТ. Получается формула Планка для спектральной способности абсолютно черного тела

,                                     (13)

а выраженная через длину волны  (14)

Если (11) проинтегрировать по всем частотам, то получим выражение закона Стефана Больцмана (6) и как следствие из (14)  по исследованию на максимум, т.е.

, получается закон смещения Вина.                 (7)                      

Таким образом, исходя из квантовых представлений, удалось объяснить тепловое излучение абсолютно черного тела.

На основе законов теплового излучения разработаны методы измерения высоких температур, называемые оптической пирометрией, а приборы, используемые для этого, пирометрами излучения.

Люминесценция

В качестве источников света, кроме ламп накаливания, широкое использование нашли газосветные лампы, где внутренние поверхности баллонов с парами, чаще всего ртути, покрывают слоем вещества, способного светиться под действием излучения газового разряда.

Здесь происходит трансформация ультрафиолетового излучения в видимое с помощью люминофоров.

Свечение, происходящее в результате подвода энергии к излучателю не за счет тепла, называют люминесценцией. Оно не является равновесным.

В зависимости от вида возбудителя, это может быть: фотолюминесценция (возбудитель – коротковолновое излучение), катодолюминесценция (возбудители – ускоренные электроны), радиолюминесценция (возбудитель - радиация), хемилюминесценция (возбудитель – химическая реакция) и другие. В зависимости от длительности свечения люминесценция так же делится на виды:

Флюоресценция, когда свечение прекращается с прекращением действия возбудителя. Этот вид свечения характерен, главным образом, для газов и жидкостей.

Фосфоринценция характеризуется длительностью послесвечения. Это свечение присуще для твердых тел. Для фотолюминесценции установлено правило Стокса. Часть энергии, возбуждающего фотона hν₀, растрачивается безизлучательно и энергия, испускаемого фотона hν, меньше энергии поглощенного фотона и поэтому λ>λ₀.

Люминесценция широко используется в практике. Так химический люминесцентный анализ позволяет установить наличие того или иного атома в сложном соединении по спектру свечения. Интенсивность свечения определяет количественное содержание примеси. Этот метод позволяет определить наличие примеси ~10^-11 г в одном грамме вещества.

Излучение Вавилова-Черенкова     

Излучение Вавилова-Черенкова появляется при движении заряженных частиц в веществе со скоростью больше фазовой скорости света в данной среде. Движение частицы сопровождается коническим фронтом света. Угол между направлением скорости частицы u′ и фазовой скоростью света υ определяется по закону

,                                              (15)

где .

Это излучение поляризовано. Вектор  лежит в плоскости, проходящей через направление  и направлением луча. Излучение когерентное.

Оптические квантовые генераторы

Вам также может быть полезна лекция "ЗАХАРОВ Андреян".

При прохождении света через вещество поток может не только ослабляться, но и усиливаться при определенных условиях. Приборы в которых реализуются эти условия называются квантовыми генераторами. Квантовые генераторы, излучающие в диапазоне видимого света, называются лазерами (усиление света индуцированным излучением).

Если атомы рабочего вещества находятся в возбужденном состоянии с энергией Е₂, то в основное состояние с энергией Е₁ они могут перейти спонтанно, при этом излучив световой квант hν=Е₂–Е₁. Переход 2→1 может произойти и индуцированно под воздействием проходящего потока излучения. Переход 1→2 возможен только при поглощении фотона. При спонтанном излучении фотон имеет произвольное направление импульса. Фотон индуцированного излучения имеет то же направление, что и фотон, вызвавший его появление. Кроме этого эти фотоны когерентны.

Усиление проходящего потока излучения возможно только при инверсной заселенности уровней, т.е. число частиц с Е₂, N₂ должно быть больше N₁. Исходя из распределения Больцмана, это возможно только при отрицательной абсолютной температуре, т.е. Т<0. Эта возможность реализуется различным образом в разных типах генераторов.

В настоящее время в качестве рабочего тела служат газы, жидкости, твердые тела, в том числе полупроводники.

Лазерное излучение характеризуется строгой монохроматичностью, высокой временной и пространственной когерентностью, большой интенсивностью и узостью пучка.

Лазеры в настоящее время используются везде, нет ни одной отрасли хозяйства, где бы не использовались лазеры (обработка тугоплавких материалов, операции с помощью лазерных скальпелей, передача информации, получение высокотемпературной плазмы, лазерные микроскопы, голография, обработка растений и семян, разделение атомов, зондирование атмосферы и т.д.).