Теплове випромінювання і люмінесценція (свічення)

 

Теплове випромінювання – це рівноважне випромінювання, що здійснюється за рахунок внутрішньої енергії тіла. Рівноважність теплового випромінювання означає, що кількість енергії, яку поглинає тіло при заданій температурі, дорівнює кількості енергії, яку воно випромінює. Рівноважність випромінювання означає, що розподіл енергії між тілом і випромінюванням є незмінним для кожної довжини хвилі. Теплове випромінювання має місце при будь-якій температурі. При невисоких температурах випромінюються практично лише інфрачервоні хвилі. Наприклад, максимум випромінювання при +17°С припадає на 10 мкм, а при 2617°С – на 1 мкм, що теж відноситься до інфрачервоного діапазону.

Крім теплового випромінювання при даній температурі Т, є ще один вид випромінювання, надплишкового над тепловим з тривалістю понад 10^-10 с, що значно перевищує період світлових хвиль. Воно називається люмінесценцією.

Нерівноважне випромінювання, до якого відноситься люмінесценція, здійснюється за рахунок зовнішнього джерела збудження і припиняється при “виключенні” цього джерела.

Розрізняють люмінесценцію по типу джерела збудження:

- хемілюмінісценція;

- радіолюмінесценція;

- катодолюмінесценція;

- біолюмінесценція.

Явище люмінесценції описується законом Стокса.

Із закону збереження енергії:

,

частота люмінесцентного випромінювання

,

де n_з – частота збуджуючого люмінесцентного випромінювання, W_т – втрата енергії на теплові процеси, що супроводжують люмінесценцію.

Оскільки , то

.

Звідси випливає закон Стокса:

Максимум випромінювання при люмінесценції зсунутий в бік більших довжин хвиль в порівнянні з довжиною хвилі збуджуючого випромінювання.

Застосування люмінесценції:

1. перетворення спектра світлового випромінювання;

2. індикатори;

3. екрани;

4. перетворювачі світлової енергії в інші види енергії;

5. елементи зв’язку.

В ізольованій системі між тілом і випромінюванням існує рівновага.

 

 

Закони теплового випромінювання

 

Характеристиками теплового випромінювання є світність (R _т), випромінювальна здатність (r_w,T), поглинальна здатність (а_w,T).

Світність – це кількість енергії, що випромінюється одиницею площі тіла за одиницю часу в усіх напрямах і на всіх частотах.

Випромінювальна здатність – це кількість енергії, що випромінюється в одиничному інтервалі частот при заданій температурі за одиницю часу з одиниці площі тіла:

.

Поглинальна здатність – це безрозмірна величина, яка визначається відношенням густини потоку випромінювання, що був поглинутий тілом, до величини потоку випромінювання, що на нього падає:

.

Тіло, яке поглинає всю енергію, що на нього падає, називається абсолютно чорним тілом (а_w,T =1). В природі немає абсолютно чорних тіл, всі вони є сірими, і вважаються абсолютно чорними умовно.

На рис. 2.2 показано приклад абсолютно чорного тіла. Це – майже замкнена порожнина із малим отвором. Випромінювання, що попадає в порожнину, багаторазово відбивається від стінки і поглинається порожниною практично повністю.

 

 

Закон Кірхгофа

 

Відношення випромінювальної здатності до поглинальної залежить тільки від частоти і температури.

 

- формула, що виражає закон Кірхгофа

- для абсолютно чорного тіла

 

 

Закон Стефана-Больцмана

 

Світність абсолютно чорного тіла пропорційна четвертій степені абсолютної температури.

 

- формула, що виражає закон

s - стала Стефана-Больцмана, s =5,7×10^-8 Вт/м²×К⁴.

 

 

Закон зміщення Віна

 

Довжина хвилі, на яку припадає максимум випромінювання обернено пропорційна абсолютній температурі:

 

- формула закону зміщення.

Експериментальне значення констан-ти b =2,9×10^{-3 м}×К.

j_{l , Т} – випромінювальна здатність абсолютно чорного тіла, що характеризує спектральний склад рівноважного випромінювання як функцію довжини хвилі і температури.

 

 

Гіпотеза Планка. Формула Планка для розподілу енергії по частотах (довжинах хвиль)

 

Для пояснення кривої розподілу випромінювання енергії по частотах (довжинах хвиль) Планк запропонував гіпотезу, згідно якої тіло випромінює і поглинає енергію певними порціями, або квантами.

,

h – стала Планка (квант дії), її розмірність співпадає із розмірністю момента імпульсу; h =6,62×10^-34 Дж×с.

Формула Планка, записана для випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла як функції частоти, має вигляд:

,

.

Як функція довжини хвилі характеристика спектрального складу

,

де .