Теоретические основы оптико-электронных приборов - Мирошников М.М.
Скачать (прямая ссылка):
Тепловое излучение занимает особое место среди всех иных видов излучения благодаря своему свойству находиться в равновесии с внутренней энергией излучающего тела.
Излучение любой длины волны обусловливается колебаниями электрических зарядов, входящих в состав вещества, и сопровождается потерей энергии. Общая энергия замкнутой системы (излучающее тело, окруженное идеально отражающей, непроницаемой для излучения оболочкой) содержится частично в виде энергии излучения, частично в виде внутренней энергии излучающего тела. Состояние системы будет равновесным, если с течением времени распределение энергии между телом и излучением не меняется. Очевидно, что это возможно только в том случае,
253
когда поглощение некоторой доли испущенной энергии возвращает тело в первоначальное энергетическое состояние. Если излучение определяется температурой тела, то повышение температуры, вызванное поглощением тепла, компенсирует понижение температуры, связанное с излучением энергии. Таким образом, температурное излучение является равновесным- К неравновесным излучениям, яркость которых может превышать при данной температуре яркость теплового излучения тела, относится прежде всего люминесценция.
Убыль энергии при люминесценции может пополняться либо за счет химических превращений внутри тела (хемилюминесцен-ция), либо за счет освещения тела светом более короткой длины волны, чем испускаемый свет (фотолюминесценция), либо за счет бомбардировки тела электронами (катодолюминесценция), либо за счет энергии электрического тока, проходящего через тело (электролюминесценция).
Дополнительным критерием, позволяющим отличить люминесценцию от всех других видов свечения, является длительность люминесцентного излучения, которое прекращается после устранения вызвавшей его причины за время, значительно превосходящее время собственных колебаний светящейся молекулы, которое составляет 1СГ14—10-15 с.
К излучениям, яркость которых может превышать при данной температуре яркость теплового излучения, относится, кроме люминесценции, рассеянный и зеркально отраженный свет, а также свечение Вавилова—Черенкова, возникающее при движении электрона со скоростью, превышающей фазовую скорость света в данном веществе. Однако в отличие от люминесценции все эти излучения существуют лишь постольку, поскольку есть вызывающая их причина, и исчезают после ее исчезнования за время, меньшее, чем 10_14 с.
Следует также отметить, что закон Кирхгофа, сформулированный для условия равновесия излучения и вещества, имеет более широкие границы применимости, если отсутствие равновесия не влияет существенно на состояние излучающего тела.
Абсолютно черного тела в природе не существует, но многие тела могут рассматриваться как абсолютно черные в ограниченной области спектра. К ним относятся, например, поверхность, покрытая сажей, небольшое отверстие в стенке замкнутой полости, конус или клин с малым углом при вершине и т. д.
Нечерными телами в противоположность черным называют тела, коэффициент поглощения которых меньше единицы. Если коэффициент поглощения не зависит от длины волны, то тело принято называть неселективным излучателем или серым телом. К серым телам можно отнести железо, сажу, графит, различные черни, некоторые краски и другие хорошо поглощающие излучения вещества, особенно, если иметь в виду ограниченную область спектра.
254
Большинство тел не являются серыми, так как их коэффициент поглощения зависит от длины волны. В этом случае говорят, что излучение имеет селективный характер, а соответствующее излучающее тело называют селективным излучателем. Например, металлы имеют наибольшее значение коэффициента поглощения в области малых длин волн; при увеличении длины волны их коэффициент поглощения, как правило, уменьшается. У диэлектриков, наоборот, по мере увеличения длины волны коэффициент излучения увеличивается. Вещества, прозрачные в широкой области спектра и имеющие узкие полосы поглощения, обладают избирательным излучением. К ним относится атмосфера Земли, содержащая углекислый газ, пары воды и озон, имеющие полосы поглощения в различных областях спектра. Излучение атмосферы имеет резко селективный характер.
Способность реального тела, нагретого до температуры Т, излучать можно оценивать количественно относительными энергетическими характеристиками, которые позволяют сопоставлять его излучение с излучением абсолютно черного тела.
К ним относится прежде всего предусмотренная ГОСТ 7601—55 спектральная излучательная способность гТ (X), равная отношению спектральной плотности энергетической яркости данного тела В%т к спектральной плотности энергетической яркости абсолютно черного тела * В%тт, находящегося при той же температуре:
вт (к) = В%т/В^т 1 •
В Международном электротехническом словаре соответствующая величина носит название спектрального коэффициента направленного излучения. Этим же словарем предусматривается употребление и широко известной величины — коэффициента излучения, или коэффициента черноты (спектрального и интегрального), равного отношению энергетической светимости тела к энергетической светимости абсолютно черного тела при той же температуре.
