Тепловое излучение и его характеристики.

Тепловое излучение происходит за счет внутренней энергии вещества и поэтому свойственно всем телам при любой температуре, отличной от 0 К. Тепловое излучение равновесно — тело в единицу времени поглощает столько же энергии, сколько и излучает. Одной из характеристик теплового излучения является поток излучения – количество энергии, излучаемое в единицу времени:

(64)

При равномерном излучении энергия излучения за время равна

(65)

Поток излучения, испускаемого единицей поверхности тела, называется энергетической светимостью тела

(66)

(67)

где S – площадь поверхности излучателя.

Единица энергетической светимости – ватт на квадратный метр (Вт/м²).

Приведенные выше характеристики не учитывают спектрального состава излучения. Это можно сделать, введя понятие спектральной плотности энергетической светимости Она представляет собой долю энергии, излучаемую в единичном интервале длин волн, т. е. спектральная плотность энергетической светимости являетсяотношением энергетической светимости, соответствующей узкому спектральному интервалу, к ширине этого интервала:

(68)

Для данного тела зависит как от длины волны l, вблизи которого взят интервал dl, так и от абсолютной температуры Т тела. Энергетическая светимость тела во всем интервале длин волн (интегральная энергетическая светимость) определяется соотношением:

(69)

Коэффициентом поглощения α называют величину, равную отношению потока излучения поглощенного данным телом, к потоку излучения падающему на это тело:

(70)

Закон Кирхгофа. В состоянии термодинамического равновесия отношение спектральной плотности энергетической светимости к коэффициенту поглощения является величиной постоянной, не зависящей от природы тела:

(71)

Черным теломназывают тело, которое при любой температуре поглощает всю энергию падающего на него электромагнитного излучения. Для него при любой длине волны справедливо равенство

Закон Стефана-Больцмана. Энергетическая светимость черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры Т:

(72)

где s – постоянная Стефана Больцмана. В системе СИ ее численное значение равно

Законы смещения Вина:

1. Длина волны, на которую приходится максимум в спектре излучения черного тела, обратно пропорциональна температуре:

(73)

где

2. Максимальное значение излучательной способности, т. е. спектральной плотности энергетической светимости, возрастает пропорционально пятой степени термодинамической Рис. 21.

температуры:

(74)

где – постоянная второго закона Вина.

Законы Вина иллюстрируются графиками, представленными на рис. 21.

Закон Рэлея–Джинса. Исходя из представлений статистической физики о равномерном распределении энергии по степеням свободы, Рэлей и Джинс получили формулу:

(75)

Эта формула согласуется с экспериментом только для малых частот и высоких температур.

Формула Планка.Представляя вещество в виде совокупности электронных осцилляторов, энергия которых может изменяться лишь на величину, кратную hn, Макс Планк построил теорию теплового излучения и вывел закон распределения спектральной плотности энергии для черного тела:

(76)

Учитывая, что

(77)

распределение Планка в длинах волн имеет вид:

(78)

Все полученные ранее эмпирические законы излучения черного тела могут быть выведены из формулы Планка.

Фотоэффект.

Фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется высвобождение электронов под действием электромагнитного излучения.

Различают фотоэффект внутренний, вентильный и внешний.

Внутренний фотоэффект — это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости — повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении.

Вентильный фотоэффект (разновидность внутреннего фотоэффекта) — возникновение ЭДС (фото-ЭДС)при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект используется в солнечных батареях для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения.