Цвет и свет - Луизов А.В.
ISBN 5-283-04410-5
Скачать (прямая ссылка):
До последних десятилетий практически все источники света, позволявшие видеть окружающий нас мир, были тепловыми, т. е. светили за счет тепловой
135
энергии и сами были достаточно горячими. Солнце, дающее дневной свет, — тоже тепловой источник. Поэтому нам необходимо познакомиться с законами теплового излучения,
12.3. ЧЕРНОЕ ТЕЛО
Еще в начале прошлого века Прево установил, что тело, способное сильнее поглощать свет, сильнее и излучает его. При температуре 770 К железо светится красным светом, а прозрачный плавленый кварц остается темным. Связь между поглощением и испусканием света значительно усложняет изучение зависимости излучения от температуры, поскольку эта зависимость различна у разных тел. Вместе с тем ясно, что наибольшую энергию должны изучать тела с наибольшей поглощательной способностью. Максимально излучать должно тело, поглощательная способность которого равна единице для всех длин волн, т. е. тело, полностью поглощающее все падающие на него излучения. Такое тело названо абсолютно черным или просто черным телом. Черное тело нельзя получить с помощью окрашивания какого-либо предмета черной краской: во-первых, краска, сильно поглощающая свет, может довольно сильно отражать невидимые лучи, а во-вторых, на опыте можно показать, что самая черная краска отражает какую-то, пусть малую, часть видимого света.
Возьмем большой шар и окрасим его поверхность черной краской. Проделаем в шаре небольшое отверстие. Если мы теперь осветим шар, то сразу заметим, что отверстие темнее черной поверхности шара. Отверстие, естественно, совсем не отражает падающего на шар света, а черная поверхность все же что-то отражает.
Этот простой опыт показывает, что абсолютно черное тело можно осуществить в виде замкнутой полости. Излучаемый любой частью его внутренних стенок свет будет падать на другие части стенок, частично поглощаться, частично отражаться и снова падать на стенки, пока не поглотится полностью. Сделав сосуд с такой полостью из огнеупорного материала, его можно нагревать до той или иной температуры. Полость окажется наполненной излучением черного тела, соответствующим установившейся тем-»
136
пературе его стенок. Такое излучение, называемое равновесным, позволяет определить его свойства.
Плотность энергии излучения в полости и испус-кательная способность ее стенок е зависит от температуры. От нее зависит и распределение излучатель-ной способности по длинам волн = dz/dh, т. е. мощность излучения с единицы поверхности (энергетическая светимость), приходящаяся на единичный интервал длин волн.
Конечно, пока излучение заключено в совершенно замкнутой полости, изучать его нельзя. Приходится делать небольшое отверстие, выпускать часть излучения для исследования, направляя его на измерительные приборы. Отверстие, строго говоря, нарушает равновесность излучения, однако в тем меньшей степени, чем меньше площадь отверстия по сравнению с площадью всех стенок полости
Изучением свойств равновесного излучения занимались многие ученые: Михельсон, Кирхгоф, Стефан, Больцман, Релей, Джинс, Вин.
На основе теоретических расчетов и экспериментов был установлен ряд свойств равновесного излучения и найдены некоторые частные закономерности.
В 1900 г. Макс Планк (1858—1947) сделал доклад, в котором изложил совершенно новый подход к явлениям излучения и поглощения света. По Планку свет излучается и поглощается не непрерывно, а определенными порциями, квантами, причем энергия кванта w пропорциональна частоте v:
Здесь h — постоянная величина, называемая теперь постоянной Планка, h = 6,626-10-24 Дж-с.
Принципиально новый подход позволил Планку найти формулу для величины е*, при данной температуре Т:
1 Можно показать, что всякое измерение изменяет подлежащую измерению величину. Приходится либо учитывать это изменение и вносить поправку в результат измерения, либо создавать такие условия, которые делали бы изменение измеряемой величины пренебрежимо малым.
w = hv.
(12.1)
(12.2)
137
где h — постоянная Планка; с = 3*108 м-с-1 — скорость света в вакууме; ^ = 1,38* 10—23 Дж-Кг1— постоянная Больцмана; е = 2,7183— основание натуральных логарифмов; К — длина волны, м. Легко подсчитать, что е^г имеет размерность Дж-м_3*с-1 или Вт*м~2*м-1. Первые два множителя означают ватты с квадратного метра, а м-1 — в единичнОхМ интервале длин волн.
Следует сказать, что почти все входящие в формулу (12.2) параметры — не эмпирически подобранные величины, а уже ранее известные постоянные, такие, как скорость света с, постоянная Больцмана k (не говоря уже о л и е). Сделав революционное допущение о дискретности процессов излучения и поглощения, Планк ввел только одну новую величину h и свою формулу вывел теоретически. Она блестяще подтвердилась экспериментально. И на основе экс-перимеьтрллбыло найдено значение h, приведенное выше. Так на границе двух веков была создана новая теория, показавшая двойственную природу света: излучение имеет одновременно и волновые и корпускулярные свойства. Формула (12.1) воплощает двойственность природы света.
12.4. СЛЕДСТВИЯ ФОРМУЛЫ ПЛАНКА
