Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и статистической физики (1185114), страница 122
Текст из файла (страница 122)
Это следует из того, что молекулы тел согласно закону резонанса, должны поглощать преимущественно такие колебания эфира, в которых они сами принимают участие под действием молекулярных сил» [1а, с. 136]. Вопрос о причине появления фраунгоферовых линий в спектре Солнца заинтересовал и Кирхгофа, который вместе с химиком Бунзеном занимался изучением спектров. Именно во время этих исследований Кирхгоф сделал наблюдения, которые «дали неожиданное объяснение происхождения фраунгоферовых линий» [16, с. 141]. 6 октября !859 г.
на заседании Берлинской Академии наук Кирхгоф сделал краткое сообщение «О фраунгоферовых линиях», в котором заявил: «Темные линии солнечного спектра, не вызванные земной атмосферой, возникают вследствие присутствия в раскаленной атмосфере Солнца тех же веществ, которые дают в спектре планени на том же месте светлые линии»'ь. Именно этот вывод Кирхгофа, по мнению Планка, открыл эпоху спектральных исследований и явился отправным пунктом теоретических исследований в области термодинамики излучения, основоположником которой с полным правом можно считать Кирхгофа. Теоретическое объяснение явления обращения спектральных линий на основе гипотезы оптического резонанса не удовлетворило Кирхгофа, поскольку в нем не было ответа на некоторые важные вопрдсы и, в частности, на такой: зависят ли светлые линии раскаленного пара исключительно от отдельных химических составных частей параР Поэтому он занялся более глубоким осмыслением найденной им закономерности и пришел к заключению, что все здесь обстоит гораздо сложнее, поскольку, по-видимому, Кирхгоф Густав Роберт .(1824 †18) Немецкий физик.
Родился в Кенигсберге и там же получил образование в местном университете. С 1848 г. приват-доцент Берлинского университета. С 1854 г. профессор Гейдель- бергского университета. В истории термодинамики наиболее важнымн являются работы Кирхгофа по теории теплового излучения. Его «закон Кирхгофа» положил начало исследованиям, завершившимися в конечном итоге открытием квантов энергии.
445 эта закономерность является следствием некоторого общего принципа, относящегося к тепловому излучению. После трех недель глубоких теоретических размышлений 27 октября 1859 г. Кирхгоф в той же Берлинской Академии наук сделал второе сообщение «О взаимосвязи между испусканием и поглощением света и тепла», где показал, что найденное им объяснение происхождения фраунгоферовых линий является следствием, а вернее, частным случаем общего закона, управляющего процессами лучеиспускания и лучепоглощения тел. За короткий срок, прошедший между сообщениями, Кирхгоф нашел связь между явлением обращения спектральных линий и общими принципами термодинамики.
В своем втором сообщении Кирхгоф формулирует и доказывает следующий общий закон о постоянстве отношения испускательной и поглощательной способности тела: «Для лучей одной и той же длины волны при одной и той же температуре отно~иение между способностялти излучения и поглощения ео всех телок одинаково» ". «Этот закон,— говорит Кирхгоф,— можно очень легко доказать из общих основных законов механической теории теплотьс». В основу своего доказательства указанного закона Кирхгоф положил два допущения: !) существует (по крайней мере в воо-.
бражении) такое'тело, которое испускает и поглощает лучи только одной какой-нибудь определенной длины, и это справедливо как в отношении световых, так и в отношении тепловых лучей; 2) существует идеальная зеркальная поверхность, отражающая все падающие на нее лучи. Пусть имеются две бесконечно плоские пластинки с и С, расположенные параллельно на небольшом расстоянии друг от друга, и пусть внешние поверхности пластинок идеально зеркальны и полностью теплоизолированы. При указанных условиях в пространстве между пластинками установится тепловое равновесие. Пусть далее пластинка с для лучей длины волны Х имеет поглощательную способность а и испускательную е.
Для этого пластинку С выбираем такой, чтобы ее внутренняя поверхность для лучей той же длины волны имела поглощательную способность А и испускательную Е. Тогда из всего количества лучей Е, испускаемых телом С и падающих на внутреннюю поверхность тела с, последнее поглотит аЕ и отразит обратно к телу С(1 — а)Е. В свою очередь, тело С из этого количества поглотит А (1 — а) Е и отразит обратно (1 — А) Х х(! — а) Е к телу с, которое поглотит а(1 — А)(1 — а) Е.
Продолжая это рассуждение до бесконечности, мы, говорит Кирхгоф, заключаем, что в результате из общего количества лучей Е, испущенных телом С, тело с поглотит количество лучей, равное Е (1+ и+ не+ из+ ил+,,) = Ц(1 — !г), где для краткости обозначено: й=(1 — А) (1 — а). '"' К1гсЬНо11 О. ОЬег 41е тгзппьб1егзеьеп й1п!еп. Оз1тчв!йв К1езвнгег. йе1рт1д, 1898, !Ч 100, 8. 4. " К1геЬ Ь о!1 О. Овцев!4'з К!евычег,' Х 100, 8.
6. 446 Кроме того, часть излучения, испускаемого телом с, возвращается к нему после отражения от тела С. Эта часть равна (1 — А)е Проведя рассуждения подобно только что описанному, Кирхгоф показывает, что в результате тело с поглотит дополнительно еще количество излучения, равное а(! — А) е)(1 — й). Условием постоянства температуры тела е является равенство испущенной им самим и поглощенной лучистой теплоты. Это значит, что должно иметь место равенство аЕ а(! — А)е е= — + ! — й ! — й Отсюда после несложных преобразований получается, что е)а=Е(А.
«Общее для всех тел отнощение испускательной способности к поглощательной способности (е:а),— заключает отсюда Кирхтоф,— является функцией длины волны и температуры». Важным результатом рассмотренной работы явился вывод, что свойства теплового излучения, находящегося в замкнутой пустой полости, ограниченной идеально зеркальной поверхностью, не зависят от свойств поверхности, а определяются только абсолютной температурой полости. Таким образом, намеченная еще в теории подвижного равновесия Прево' связь между лучеиспусканием и лучепоглощением тела получила у Кирхгофа количественное выражение и новое теоретическое обоснование. Первое доказательство вскоре показалось Кирхгофу недостаточно строгим, и он в декабре 1859 г, дал второе, более сложное, но зато и более строгое обоснование найденного им закона. Эта работа была им опубликована в 1862 г.
под названием «Об отношении лучеиспускательной и лучепогло!цательной способностей тел для теплоты и света». Если первое доказательство Кирхгоф основывал только на существовании равновесного состояния, то теперь он идет дальше и в основу нового доказательства кладет второе начало термодинамики, Согласно последнему, если в изолированной системе достигнуто тепловое равновесие, то оно сохраняется сколь угодно долго и не может быть нарушено теплообменом между частями этой системы. Исходя из этого, Кирхгоф представляет излучающее тело заключенным в оболочку, непроницаемую для излучения и имеющую постоянную температуру. В результате теплообмена излучением тело принимает температуру оболочки. «Это следует,— говорит Кирхгоф,— из того же принципа, из которого получается закон Карно».
Важнейшим новым элементом второго доказательства является введение Кирхгофом понятия об абсолютно черном телее. Это понятие вводится им в связи с необходимостью упрощения задачи исследования лучей, распространяющихся между телом и оболочкой. Он предполагает, что оболочка составлена из тел, которые при бесконечно малой толщине при любой темпера- 44Т .гуре полностью поглощают падающие на них лучи. Эти тела Кирхгоф и назвал «абсолютно черными», Кирхгоф указал также и на возможность создания абсолютно черного тела, что и было позже осуществлено Луммером и Принсгеймом.
Понятие абсолютно черного тела позволило Кирхгофу .дать общее доказательство своего закона независимо от свойств и природы излучающих тел. Хотя физическая идеализация, введенная Кирхгофом под термином «абсолютно черное тело», и подвергалась в дальнейшем строгому логическому анализу со стороны ряда физиков (Планк, В. Вин, Г. Лоренц и др.), она сыграла большую роль в истории термодинамики излучения и сохранила свое значение по настоящее время. Исходя нз всех перечисленных выше предпосылок, Кирхгоф проводит новое доказательство своего закона. Введенная им функция волны и температуры здесь выступала как функция, характеризующая лучеиспускательную способность абсолютно черного тела.
Важность нахождения явного вида этой функции Кирхгоф хорошо понимал, так >ке как понимал и большие математические трудности, стоящие на пути к этой цели. Сам он сделал относительно вида этой функции предположение, что при низких температурах ее значение должно приближаться к О для видимых лучей и отличаться от О для более длинных волн. «Знание этой функции,— писал Кирхтоф,— представляет большой интерес; эксперииентальное исследование стоит перед огромными трудностями, но можно надеяться, что эта функция будет определена опытным путем, поскольку она бесспорно ичеет простуш форму, как все до,сих пор известные функции, не зависящие от свойств отдельных тел.
Лишь когда будет решена эта задача, обнаружится вся плодотворность доказанного закона». Второе доказательство Кирхгофа вызвало значительную дискуссию. И как каждая дискуссия вокруг крупного открытия, она позволила выявить не только общефизическое и методологическое значение закона, но и его роль в дальнейшем развитии нау- . ки. Общий вывод из этой дискуссии состоял в том, что основное усилие теоретиков теперь в области теории теплового излучения должно быть направлено на отыскание вида функции Кирхгофа. Необходимость решения этой задачи становилась все более и более ясной по мере развития спектрального .анализа и выяснения его большой роли в физике и химии. Немалую роль также играл и тот факт, что введение тепловых источников света требовало знания их спектральных характеристик, что было невозможно без знания, в свою очередь, явного вида функции Кирхгофа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
