Источники света. Тепловое излучение

Лекция №4

Источники света. Тепловое излучение

В оптических исследованиях источник света может играть следующие функциональные роли:

1.  Объект исследования – космические объекты, плазма. Свойства такого объекта исследователь изменить не в состоянии.

2.  Инструмент для получения информации о веществе специальной конструкции – о строении атомов по спектрам, анализ неизвестных образцов и определение состава, измерение квантовых характеристик (вероятностей переходов, степени вырождения и т.д.).

3.  Вспомогательная роль: калибровка; получение спектров поглощения, люминесценции, рассеяния и т.д.; создание интерференционной картины,  освещение.

С точки зрения нашего предмета источники света рассматриваются главным образом в качестве вспомогательных средств. Источники света делятся на два больших класса: тепловые и нетепловые.

Тепловое излучение возникает за счет внутренней энергии тела, задаваемой температурой тела.

В нетепловых источниках излучение возбуждается за счет внешних источников энергии:

электролюминесценция – возбуждается за счет электрической энергии, вводимой в вещество;

фотолюминесценция – возбуждается внешним источником света;

хемилюминесценция – возбуждается за счет энергии химической реакции;

катодолюминесценция – возбуждается за счет бомбардировки твердых тел электронами;

радио-люминесценция – аналогично катодо-люминесценции, но бомбардировка частицами радиоактивного распада;

синхротронное излучение – возбуждается за счет энергии магнитного или электрического поля.

Тепловое излучение возникает за счет внутренней энергии тела, задаваемой температурой тела. Его можно противопоставить другим видам излучения в силу ряда особенностей. Тепловое излучение возникает в условиях детального равновесия для всех безизлучательных процессов в среде на микро уровне (столкновений атомов, электронов, фотонов и т.п.). Обмен энергией между частями тела идет с одинаковой скоростью в прямом и обратном направлении. Параметры излучения задаются температурой тела. Все части тела находятся при полном термодинамическом равновесии, при одной температуре Равновесие имеет место и для излучательных переходов. Энергия, излучаемая телом, равна энергии поглощаемой этим телом. Имеет место неизменность макро-состояния излучения: распределения по направлениям, поляризациям, спектральной плотности энергии. При тепловом излучении состояние системы тело-излучение наиболее вероятное с максимальной энтропией – заняты все возможные состояния. Если U_ω – спектральная объемная плотность энергии в интервале ω÷Δω+ω, то U_ω вырождено по поляризациям, направлениям и координатам объема. Т.е. U_ω не зависит от этих переменных. Для нахождения U – просто объемной плотности нужно очевидно U_ω проинтегрировать по частотам.

Поток лучистой энергии, проходящий за время dt через площадку dσ в пределах телесного угла dΩ, ось которого перпендикулярна dσ, дается выражением;

                                                                                                                           (4.1)

Здесь I – удельная интенсивность излучения. (ср. с формулой (2.7) лекции №2). Величина I также результат интегрирования I_ωпо всем частотам. Найдем связь между U_ω и I_ω. Выделим пучок лучей, поступающих через площадку dσ внутрь параллелепипеда с высотой dl=cdt, направления которых лежат внутри угла  dΩ. За время dt каждый из лучей доходит до второго основания параллелепипеда. Следовательно, в выделенный объем поступает лучистая энергия – IdσdtdΩ= IdσdtdΩc/c= I/cdVdΩ .Разделив на единицу объема - dV, получим плотность лучистой энергии -dU, распространяющейся в единице объема в пределах телесного угла - dΩ. Для теплового излучения все направления равноправны,  поэтому интегрирование по телесному углу элементарно и связь между плотностью энергии и интенсивностью будет следующей:

                                             .                                             (4.2)

Для прозрачной среды связь плотности энергии и интенсивности аналогична, только место скорости света в  вакууме нужно подставить групповую скорость. Такие же соотношения имеют место для плоских волн.

Рассмотрим поток лучистой энергии, излучаемой поверхностью тела площадкой dσвнутрь телесного угла dΩ в интервале частот ω÷Δω+ω:

                                                                                      (4.3)

В данном случае - B_ω называется излучатель ной способностью (аналогично яркости) в направлении угла Θ. Поглощательной способностью A_ωповерхности для излучения той же частоты, направления и поляризации называется безразмерная величина – отношение поглощенной энергии к падающей. В условиях, когда выполняется принцип детального равновесия поглощенный и излученный потоки равны, тогда справедливо соотношение:

                                                         (4.4)

Формула (4.4) справедливо для любого типа отражения в силу принципа равенства потоков в любом выбранном направлении. Поскольку величина I_ω зависит только от температуры то и величина B _ω /A_ω зависит только от температуры и одинакова для всех тел. Это есть содержание закона Кирхгофа (1859 г.), который обосновал эмпирической правило Прево (1809 г.). Если падающий и излученный потоки равны, то тело абсолютно черное. Для абсолютно черного тела  (АЧТ) A_ω равно единице. Поскольку тепловое излучение должно быть изотропным излучение АЧТ подчиняется закону Ламберта – одинаково во всех направлениях.

n

Пусть в объеме существует граница раздела вакуум – среда  с показателем преломления n. Выделим лучевую трубку, проходящую через границу раздела. Падающий поток Ф₀ в силу принципа детального равновесия равен излученному – Ф₁, который в свою очередь складывается из отраженного и преломленного потоков, порождаемых потоками Ф₂ и Ф₃.