Изучение теплового излучения

Цель работы: исследование зависимости спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела от его температуры, изучение законов теплового излучения и определение постоянной Стефана-Больцмана.

ВВЕДЕНИЕ

 

Различают следующие виды излучений: люминесценция и тепловое. Люминесценцией называется оптическое излучение, избыточное над тепловым и продолжающееся после прекращения вызвавшего его внешнего воздействия. В зависимости от способа возбуждения люминесцентного свечения можно наблюдать катодолюминесценцию, электролюминесценцию, фотолюминесценцию, хемилюминесценцию и др.

Тепловым называют электромагнитное излучение, испускаемое нагретым телом. В отличие от люминесценции тепловое излучение является равновесным.

Поток энергии теплового излучения, уходящий с единичной площади поверхности излучающего тела в телесный угол 2π во всём интер­вале частот, называют энергетической светимостью R_э. Спектральной плот­ностью энергетической светимости r_{ω , T} (испускательной способностью) тела называют отношение энергетической светимости, соответствующей узкому участку спектра, к интервалу частот dω этого участка. Связь между r_{ω , T} и R_эдается очевидным соотношением:

, . (1)

Обе величины r_{ω , T} и R_э зависят от температуры тела Т. Коэффициен­том поглощения (поглощательной способностью) a_{ω , T} тела в интервале час­тот dω называется соотношение потока энергии dФ', поглощённой элемен­тарной площадкой поверхности тела, к потоку энергии dФ , падающей на эту площадку:

а_{ω , Т} = dФ'/dФ. (2)

По определению, а_{ω , T} не может быть больше единицы. При а_{ω , T} =1 тело называют абсолютно черным. Отношение испускательной и поглощательной способностей не зави­сит от природы тела, оно является для всех тел одной и той же функцией час­тоты и температуры ( закон Кирхгофа ):

. (3)

 

Для абсолютно чёрного тела r_{ω, T} = f(ω, Т). Таким образом, универсальная функция Кирхгофа f(ω, Т) есть не что иное, как испускательная способ­ность абсолютно чёрного тела.

Частотный спектр излучения абсолютно чёрного тела имеет характер­ный максимум, который сдвигается при повышении температуры в корот­коволновую часть спектра теплового излучения. Это смещение соответствует закону смещения Вина:

λ _m T= b, (4)

где λ _m - длина волны, на которую приходится максимум излучения; Т - абсолютная температура тела; b - постоянная Вина ( b = 2, 898× 10^-3 м× К).

Вин, исходя из волновой природы света, показал, что функция спектрального распределения f(ω, Т) имеет вид ( закон Вина ):

. (5)

Релей и Джинс, с учетом волновой природы света и закона равнораспределения энергии по степеням свободы, приписали каждому колебанию энергию, равную kТ, и получили для функции Кирхгофа следующее выражение ( формула Релея - Джинса ):

. (6)

Как видно, формула Релея – Джинса удовлетворяет закону Вина.

Функции (5) и (6) удовлетворительно описывают экспериментальные данные частотного спектра излучения абсолютно черного тела лишь при больших длинах волн. При малых длинах волн эти формулы приводят к абсурдному результату, противоречащему закону сохранения энергии – этот результат получил название «ультрафиолетовой катастрофы».

В 1900 г. Планк получил вид функции f(ω, Т), в точности соответствующий опытным данным. Для этого он допустил, что электромагнитное излучение испускается телами отдельными порциями энергии: , где = 1, 05× 10 ^–34 Дж × с - постоянная Планка.

Формула Планка для функции f (ω, T) имеет вид:

, (7)

где k = 1, 38× 10 ^{- 23} Дж /К - постоянная Больцмана.

Энергетическую светимость абсолютно чёрного тела можно найти из (7) простым интегрированием по частоте:

или (8)

 

Соотношение (8) получило название закона Стефана-Больц-мана, где σ - по­стоянная Стефана-Больцмана. Экспериментальное значение постоянной σ равно 5, 67 10^-8 Вт/м² К⁴.

Абсолютно чёрных тел в природе не существует. Сажа или платиновая чернь имеют поглощательную способность, близкую к единице, лишь в ограниченном интервале частот. Тела, у которых поглощательная способность меньше единицы, называются серыми.

Приборы, которые по закономерностям теплового излучения позволяют измерять температуру нагретого тела бесконтактным способом, называются пирометрами. Они подразделяются на три группы: 1 – радиационные, 2 – яркостные, 3 – цветовые пирометры. В данной работе используется радиационный пирометр, где в качестве приемника излучения применяется термостолбик.

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. III. Изучение (разбор) ситуаций («Кейс-стади»).
2. III. Изучение нового материала.
3. Библиографический подбор и изучение научной литературы по проблеме исследования
4. БИЛЕТ 36. Состав атомного ядра. Характеристики ядра: заряд, масса. Энергия связи нуклонов. Радиоактивность. Виды и законы радиоактивного излучения.
5. Влияние внеполосного излучения передатчика БС UMTS на приемник БС GSM.
6. Геродот в Причерноморье, изучение им Скифии
7. Гигиеническая оценка лазерного излучения
8. Гигиеническое нормирование ультрафиолетового излучения
9. Действие ионизирующего излучения на биологические молекулы и клетки.
10. Досточтимый древний сказал: «Изучение пути подобно добыванию огня. Вам нельзя останавливаться, когда вы добились дыма: только со вспышкой пламени возврат домой завершен».
11. Закон поглощения радиоактивного излучения
12. ЗАСАДА В ЛАС-АНИМАС: ИЗУЧЕНИЕ ЭНТУЗИАСТАМИ В 1993 ГОДУ МЕСТА БОЯ В ЛАС- АНИМАС.