Волновая оптика - Калитеевский Н.И.
ISBN 5-06-003083-0
Скачать (прямая ссылка):
Заметим, что в современной физике понятием температуры пользуются и в значительно более сложных с термодинамической точки зрения случаях. Так, например, при исследовании газового разряда говорят об электронной температуре Гэл, характеризующей среднюю кинетическую энергию хаотического движения электронов, а также ионной Тион и атомной Тах температурах, определяющих среднюю кинетическую энергию хаотического движения ионов и атомов. Иногда (например, в плазме низкого давления, когда число столкновений между частицами мало) эти три температуры могут быть существенно различны. При больших давлениях, когда число столкновений велико (например, в плазме дуги, горящей при атмосферном давлении), средние кинетические энергии различных частиц выравниваются и такой источник света можно характеризовать одной температурой.
Для описания процессов излучения и поглощения световой энергии пользуются понятиями испускательной и поглощательной способности тел . Остановимся подробнее на этих важных характеристиках.
Испускательной способностью гА называют спектральную плотность йФА/й'к потока лучистой энергии d<t>, излучаемого единичной площадкой 5S во всех направлениях в интервале длин волн от X до X + d/.:
dO; = rjdX. (8.1)
Как известно, поток энергии с единицы площади называют энергетической светимостью тела. Следовательно, испускатель-ная способность — это энергетическая светимость тела в единичном интервале длин волн. Испускательная способность тела зависит от температуры тела и не зависит от температуры окру-
13-462
401
жающих его тел, а также не зависит от того, находится ли это тело в равновесии с излучением или нет.
Как уже указывалось, мы рассматриваем тела, которые излучают непрерывный спектр. Чтобы получить суммарную энергетическую светимость тела R3н, нужно проинтегрировать выражение для потока энергии г;А'/. по всем длинам волн от 0 до оо (рис. 8.1). Площадь, ограниченная на этом рисунке кривой г;, характеризует светимость
00
^эн
r;d/.. (8.2)
В некоторых случаях придется исследовать зависимость ис-пускательной способности не от длины волны, а от частоты. Для такого описания введем величину rv, подчеркнув этим обозначением, что в данном случае измеряется поток энергии rvdv, излучаемый единичной площадкой в интервале частот от v до v + dv. Очевидно, что | r;d/. | = [ rvAv | . Учтем, что dv = —(c/A2)dа. Следовательно,
Ы = — Ы . (8.3)
с
В дальнейшем изложении это равенство окажется полезным. Иногда вместо rv вводят пропорциональную ей величину гш = = dO/do. Очевидно, что гю меньше, чем rv:
гш = rv/(2n). (8.4)
Второй важной характеристикой тел, участвующих в процессах поглощения и излучения световой энергии, является поглощательная способность. Очевидно, что выбранная площадка 5S может не только излучать световые волны, но и поглощать падающий на нее поток световой энергии d<t>. Однако, как правило, площадка 5S может поглощать лишь часть падающего на нее потока лучистой энергии (обозначим ее do'), так как световые волны могут также отражаться или рассеиваться”. Следовательно, dO' < dO.
Отметим, что поглощение будет различным для разных участков спектра. Так, например, хорошо известно, что тонкий слой сгрки практически нацело поглощает излучение в видимой части спектра, но в то же время характеризуется заметной прозрач-
Предполагается, что световые волны не могут проходить сквозь площадку SS. Коэффициент пропускания для нее равен нулю.
402
ностью для инфракрасных лучей. Поэтому, оценивая отношение d<t>/d<t>, обязательно надо указать тот интервал длин волн (или частот), в котором проводится измерение поглощенного телом светового потока. Назовем поглощательной способностью тела а.} ту часть потока световой энергии, падающего на единичную
8.1. Зависимость испускатель-ной способности черного тела от длины волны
Штриховкой показана видимая область спектра
8.2. Куб Лесли
площадку, которая им поглощается в единичном спектральном интервале вблизи длины волны к. По определению, а-, < 1. Тела, способные поглощать в любом интервале длин волн все падающее на них излучение, называют черными. Для таких тел поглощательная способность тождественно равна единице (а;. = 1). Ниже подробно рассмотрены особенности излучения черных тел и охарактеризована простая модель теплового излучателя, поглощающего весь падающий на него свет.
Вопрос о связи между испускательной и поглощательной способностями различных тел подлежит детальному выяснению. Весьма простые опыты показывают, что чем больше энергии поглощает тело, тем больше оно излучает. Для демонстрации этой особенности теплового излучения измеряют поток световой энергии от двух стенок полого металлического куба, заполненного теплой водой (рис. 8.2). Одна из стенок снаружи блестящая — она много света отражает и мало поглощает. Другая стенка зачернена. Ее коэффициент поглощения велик. Фотоприемник (термостолбик), соединенный с чувствительным гальванометром, поочередно подносится к двум этим стенкам куба, и отброс гальванометра, регистрируемый при измерении интенсивности излучения зачерненной стенки, во много раз больше, чем при измерении светового потока от блестящей стенки.
