1612045808-897604033167dc1177d2605a042c8fec (533738), страница 101
Текст из файла (страница 101)
Можно ли обнаружить вращение с помощью нптерфероиетра Майкельсоиа? Как в кольцевом лазере связана разность частот генерации для встречных волн с угловой скоростью вращения и с параметрами резонатора? Каково назначение невзаииных злеиентов в конструнциях лазерных гироскопов? Объясните принцип действия и устройство ячейки Фарадеи. ТЕРМОДИНАМИКА ИЗЛУЧЕНИЯ СВЕТОВЫЕ КВАНТЫ ф Электромагнитная теория света, дополненная представлениями электронной теории о взаимодействии света с веществом, гюзволила к концу прошлого столетия с исключительной простотой и ясностью разрешить многие проблемы, оказавшиеся непреодолимыми для старой волновой теории.
Но в то же время возникли новые задачи, решение которых в рамкак классической электромагнитной теории было невозможным. Так, например, безуспешны были все попытки получить количественное описание спектрального распределения света, излучаемого нагретыми телами. Безупречный с позиций классической физики вывод формулы Рэлея — Джинса приводил к противоречащему данным опыта и физически абсурдному результату. Решение проблемы было найдено Планком в конце 1900 г. введением гипотезы о квантовании энергии осциллятора, несовместимой с принципами классической физики.
Эта гипотеза с очевидностью указывала на ограниченность классическик представлений и дала толчок революционному процессу ломки старых понятий, завершившемуся созданием квантовой физики. йй Эйнштейн, развивая гипотезу Планка, в 1905 г. приозел к выводу о наличии у излучения корпускулярных свойств. Введенное им представление о квантах излучения — световых частицак„получивших впоследствии название фотонов, — позволило обьяснить непонятные в рамкак электромагнитной теории экспериментальные закономерности фотоэффекта. Проявление у излучения волновых и корпускулярнык свойств, несовместимых с точки зрения классической физики, привело к формированию новых представлений о природе света, получивших название корпускулярноволнового дуализма.
4 — т збб 4!у Эл. те нонне н»отчее е Испускаемый источником свет уносит ° »емннттоа ноно«тн. с собой энергию. В зависимости Чернее тело от того, где черпается эта энергия, различаются и виды свечения. Излучение, сопровождающееся химическими превращениями, называют кемилюминесценцией. Примером может служит свечение фосфора, медленно окисляющегося на воздухе. Испускание лучистой энергии в этом случае происходит за счет уменьшения внутренней энергии тела при изменении его химического состава. Электролюминесценцией называют свечение, возникающее при электрическом воздействии.
В полупроводниках излучение может происходить при рекомбинации инжектированных через р-а-переход носителей тока (инжекционная электролюминесценция). Другой пример — свечение газов или паров в электрическом разряде. В этом случае необходимая для излучения энергия сообщается атомам или молекулам газа электронами, ускоряемыми электрическим полем разряда. Бомбардировка электронным пучком может вызвать также свечение твердых тел, например сернистого цинка, нанесенного на экран электронно-лучевой трубки (кагодолюминесценцил).
Процессы излучения, вызываемые предварительным или одновременным освещением тела, объединяются под названием фоголюминесценции. При этом необходимая для излучения энергия доставляется светом от внешнего источника. В тех случаях, когда необходимая энергия сообщается нагреванием, т. е. подводом теплоты, излучение называется тепловым или температурным. Среди различных видов свечения оно занимает особое место. В противоположность всем видам люминесценции это единственный вид излучения, который может находиться в состоянии термодинамического равновесия с телами. Поэтому физика теплового излучения представляет собой связующее звено между термодинамикой и оптикой.
Объединение статистической механики и электромагнитной теории в проблеме теплового. излучения разорвало рамки классической физики и дало начало одной из величайших революций в физике. Чтобы составить представление о характере теплового излучения, рассмотрим несколько тел, нагретых до различной температуры и помещенных в замкнутую полость, стенки которой полностью отражают падающее на них излучение. Опыт показывает, что такая система рано или поздно приходит в состояние теплового равновесия, при котором все тела приобретают одинаковую температуру.
Так происходит и в том случае, когда внутри полости абсолютный вакуум и тела могут обмениваться энергией только путем испускания и поглощения электромагнитных волн. Испускаемая телами лучистая энергия за каждый промежуток времени становится в среднем равной поглощаемой энергии, и плотность энергии излучения в пространстве между телами достигает определенной величины, соответствующей установившейся температуре тел. Макроскопически такое состояние излучения в полости остается неизменным во времени. Это излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с телами, имеющими определенную температуру, называется равновесным или черным излучением.
Плотность энергии равновесного излучения н его спектральный состав совершенно не зависят от размеров и формы полости и ог 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 напряженно' ( сти поля представлены с одинаковой вероятностью.
В пустой полости с идеально отражающими стенками поглощения и испускания света не происходит. Если каким-либо образом ввести в нее излучение, то направление его распространения будет изменяться нри отражении от стенок, но спектральный состав сохранится прежним.
Такое излучение неравновесно и неустойчиво. Сколь угодно малого отклонения свойств стенок от идеальности уже достаточно для того, чтобы излучение пришло к равновесию. Это произойдет и при идеальных стенках, если ввести в полость сколь угодно малое тело («пылинку»), способное поглощать и излучать. Такая «пылинка», не сказываясь на энергетическом балансе, переведет излучение в полости из любого неравновесного состояния в равновесное. От ее свойств зависит только время установления.
Для экспериментального изучения спектрального состава равновесного излучения можно проделать небольшое отверстие в стенках полости, поддерживаемых при определенной температуре. Излучение, выходящее наружу через отверстие, обладает точно таким же спектральным составом. От равновесного оно отличается только тем, что распространяется в пределах некоторого телесного угла в одном направлении, т е. оно не изотропно. С увеличением температуры внутри полости будет возрастать энергия выходящего из отверстия излучения. При этом изменяется и его спектральный состав так, что максимум смещается в область более коротких волн: выходящий нз горячей печи свет имеет красноватый оттенок при сравнительно невысокой температуре и становится желтым и даже белым по мере ее роста.
Это отражает изменение объемной плотности 0 энергии равновесного излучения и ее спектрального распределения при повышении температуры. Для характеристики распределения энергии по длинам волн или по частотам вводят спектральную плотность излучения 0» или О, так что вели: т. чина 0»б), дает энергию единицы объема излучения с длинами волн в интервале от Х до Х+Ю, а 0 6ы — с частотами в интервале от ы до и+бы. Если это один и тот же спектральный интервал, то ()хо»,=У ды. Учитывая, что Х=2ас/ы, отсюда легко выразить 0т 14* 419 через (/„или наоборот (см. задачу 1). Очевидно, что (/=~ (/гбЛ= (/ дь«. о о (9.1) В случае равновесного излучения спектральная плотность (/.
(или (/х) представляет собой универсальную функцию только частоты (или длины волны) и температуры. Основная задача теории теплового излучения состоит в определении этой функции (/ (Т) (илн и„(т)). Универсальный характер спектральной плотности равновесного излучения, как впервые показал Кирхгоф в !860 г., непосредственно вытекает из второго начала термодинамики. В самом деле, предположим противное, т. е. что !/„(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. Ято время как спектральное распределение энергии излучения„ выходящего из отверстия в полости, имеет универсальный характер, для теплового излучения с открытой поверхности тела это не так: его спектральное распределение зависит не только от температуры, но н от материала поверхности.
Для количественной характеристики этого спектрального распределения вводят понятие испускательной способности тела г (или г«), т. е. спектральной плотности потока энергии излучения, испускаемого единичной площадкой поверхности по всем направлениям, так что г«,дь« (или г>ОЛ) представляет собой поток излучения в соответствующем спектральном интервале.
Полный поток излучения всех длин волн представляет собой энергетическую светимость !« поверхности (см. $ !.1О). Очевидно, что (9.2) !«=') г«б«ь=) г«ОЛ. о « Подчеркнем, что испускательная способность г„, характеризует только тепловое излучение тела (все виды люминесценции исключаются). Для данного тела вид функции г„зависит только от его температуры. Испускательная способность тела не зависит от окружающей среды, в частности от того, находится тело в равновесии с излучением или нет. Падающее на поверхность тела излучение частично отражается или рассеивается поверхностью, частично проходит через поверх- ность.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
