Глава XIX. Квантовые свойства света и строение атома

§ 130. Тепловое лучеиспускание и лучепоглощение. Абсолютно черное тело. Закон Кирхгофа

Электромагнитное излучение обусловлено, как уже неоднократко отмечалось, колебаниями электрических зарядов, в частности зарядов, входящих в состав атомов и молекул вещества. Так, например, колебательное и вращательное движения молекул и атомов создают инфракрасное излучение, определенные перемещения электронов в атоме создают видимое и ультрафиолетовое излучение, торможение свободных электронов создает рентгеновское излучение и т. д.

Самым распространенным в природе видом электромагнитного излучения является тепловое излучение, или лучеиспускание; оно совершается за счет энергии теплового движения атомов и молекул вещества, т. е. за счет внутренней энергии вещества, и потому ведет к охлаждению излучающего тела. Лучеиспускание присуще всем телам при любой температуре, отличной от абсолютного нуля. Тепловое излучение имеет сплошной спектр, однако распределение энергии в нем существенно зависит от температуры: при низких температурах тепловое излучение является преимущественно инфракрасным, при высоких температурах — видимым и ультрафиолетовым.

Всякое тело, излучая само, вместе с тем поглощает часть лучистой энергии, испускаемой другими (окружающими) телами; этот процесс называется лучепоглощением. Он ведет к нагреванию данного тела.

Очевидно, что, теряя энергию путем лучеиспускания и в то же время получая энергию путем лучепоглощения, данное тело должно в конце концов прийти в состояние теплового, или лучистого, равновесия, при котором потеря энергии за счет лучеиспускания компенсируется притоком энергии за счет лучепоглощения. Температура, соответствующая этому состоянию, называется температурой лучистого равновесия.

Лучистое равновесие является обычным состоянием тел, предоставленных самим себе.

Для количественной оценки процессов лучеиспускания и лучепоглощения вводятся следующие характеристики.

Полная лучеиспускательная способность тела величина энергии, испускаемой с единицы площади поверхности тела за 1 с; измеряется в

Полная лучепоглощательная способность тела А — отношение лучистой энергии, поглощаемой телом, ко всей падающей на него лучистой энергии; очевидно, что А — безразмерная величина.

Значения зависят от природы тела и температуры.

Опыт показывает, что величина энергии, испускаемой (поглощаемой) телом, различна для различных длин волн. В связи с этим вводится понятие спектральной лучеиспускательной (лучепоглощательной) способности.

Спектральной лучеиспускательной способностью тела называется лучеиспускательная способность, рассчитанная для узкого интервала длин волн (от до ). Аналогичным образом вводится понятие спектральной лучепоглощательной способности

Лучепоглощательная способность всех реальных тел меньше единицы. Так, например, для видимой части спектра лучепоглощательная способность алюминия равна

Воображаемое тело, поглощающее при любой температуре всю падающую на него лучистую энергию, называется абсолютно черным телом; лучепоглощательная способность такого тела для всех длин волн одинакова и равна единице Для видимой части спектра телом, близким по своим свойствам к абсолютно черному, является сажа

Практически наиболее совершенным абсолютно черным телом является малое отверстие в стенке замкнутой полости, внутренняя поверхность которой зачернена (рис. 352). Луч, попавший в отверстие, многократно отражается стенками полости и практически не выходит обратно, поскольку при каждом отражении значительная часть его энергии поглощается стенками.

Рис. 352

Абсолютно черное тело, поглощая падающую на него лучистую энергию, вместе с тем само излучает. Поэтому при низкой температуре полости отверстие в ней кажется черным; если же полость нагрета до высокой температуры, то отверстие представляется ярко светящимся. Примерами практически абсолютно черных тел могут служить зрачок глаза и смотровое отверстие мартеновской печи.

Выясним теперь, как связаны между собой лучеиспускательная и лучепоглощательная способности тела. Представим себе изолированную систему из двух тел, имеющих различную температуру и могущих обмениваться энергией только путем лучеиспускания и лучепоглощения. Через некоторое время в такой системе установится тепловое равновесие. Обозначим лучеиспускательные и лучепоглощательные способности тел при температуре лучистого равновесия соответственно через и Предположим, что первое тело испускает с поверхности за 1 с в раз больше энергии, чем второе, т. е.

Но тогда оно должно и поглощать в раз больше энергии, чем второе тело, т. е. должно иметь место равенство

в противном случае первое тело начнет нагреваться (или охлаждаться) за счет второго тела и его температура будет изменяться, что

противоречит условию теплового равновесий. Из двух последних равенств следует, что

Если изолированная система состоит из многих тел с лучеиспускательными способностями и лучепоглощательными способностями и одно из них является абсолютно черным, то аналогичные рассуждения приведут к следующему выводу:

где лучеиспускательная способность абсолютно черного тела (его лучепоглощательная способность равна единице и потому не написана в качестве делителя при

Соотношение (1) представляет собой закон Кирхгофа:

для всех тел при данной температуре отношение лучеиспускательной способности к лучепоглощательной способности есть постоянная величина, равная лучеиспускательной способности абсолютно черного тела при той же температуре.

Этот закон остается справедливым и для спектральных лучеиспускательной и лучепоглощательной способностей тел:

Из закона Кирхгофа вытекают три важных следствия.

1. Лучеиспускательная способность любого тела при данной температуре равна произведению его лучепоглощательной способности на лучеиспускательную способность абсолютно черного тела при той же температуре:

2. Лучеиспускательная способность любого тела меньше лучеиспускательной способности абсолютно черного тела при той же температуре но следовательно,

3. Если тело не поглощает каких-либо волн, то оно и не испускает их поэтому при будет и

Соотношения (2) позволяют определять лучеиспускательную способность любого тела, если известна его лучепоглощательная способность А и лучеиспускательная способность абсолютно черного тела значения А и 8 определяются опытным путем.

Основным источником нагревания почвы является, как известно, солнечное излучение. Изменяя лучепоглощательную способность поверхности почвы путем покрытия этой поверхности различными красителями, можно в довольно значительных пределах регулировать температуру теплового равновесия верхнего слоя почвы. Этот прием, широко применяемый в агрономической практике, называют мульчированием. В качестве покрытий, носящих общее название

мульчи, используют молотый мел, торфяной и угольный порошки, битум, нигрозин и т. п.

Очевидно, что для увеличения лучепоглощательной способности почвы (и, следовательно, для повышения температуры почвы) надо применять темную мульчу, а для уменьшения лучепоглощательной способности почвы (и понижения температуры почвы) — светлую мульчу.