§ 164. Закон Кирхгофа

Опытом установлено: два тела, находящихся при разных температурах, выравнивают свои температуры и в том случае, если тела находятся в вакууме. Обмен энергией происходит при помощи электромагнитных волн, излучаемых атомами этих тел.

Как говорилось выше, каждому атому можно приписать определенную систему энергетических уровней. Поглощая энергию, атом переходит на более высокий уровень, излучая — на более низкий. При каждом акте излучения атом отдает в пространство электромагнитную энергию где энергетический уровень до излучения, а — после. Излученная волна обладает частотой Эта волна достигает второго тела и поглощается им. При этом атом, поглотивший энергию, поднимается с уровня на уровень

То же самое можно выразить и на языке представлений о фотоне, говоря, что при каждом акте излучения отдается фотон электромагнитной энергии, а в явлении поглощения фотон захватывается атомом и его энергия идет на переход атома с низкого уровня на более высокий.

Все атомы тел участвуют в обмене энергией, то поглощая, то излучая фотоны. При этом в зависимости от случайных обстоятельств могут возникать самые различные энергетические переходы, и в принципе в обмене энергией участвуют электромагнитные волны любой длины.

Можно представить себе, что в теплообмене участвуют тела образующие замкнутую систему (система тел, за которой мы наблюдаем, окружена оболочкой, не выпускающей излучения наружу). Тогда через некоторое время эти тела придут в состояние равновесия, все тела примут одинаковую температуру. Это не значит, что

электромагнитное излучение прекратится. По-прежнему атомы будут то переходить на более высокую энергетическую ступень, то на более низкую. Но если состояние равновесия достигнуто, то к каждому телу в каждый момент времени будут подходить и уходить равные количества энергии для излучения любой волны. Излучение, которое подходит к телу, в общем случае лишь частично поглощается телом и заставляет его атомы переходить с более низкого на более высокий энергетический уровень. Другая часть падающего излучения рассеивается, отражается телом.

Атомы не задерживаются долго на высоких уровнях; возвращаясь в исходное состояние, они отдадут поглощенную энергию в виде излучения. Если падающая на единицу площади в 1 с энергия есть то поглощенная будет Безразмерный коэффициент указывающий долю поглощенной энергии, называется поглощательной способностью тела. Очевидно, если

где - энергия, излучаемая поверхности в 1 с, то тело находится в равновесии со средой — температура его неизменна.

Но в чем же состоит условие теплового равновесия многих тел, которые, разумеется, могут обладать разной поглощательной способностью и разным излучением? Исходя из термодинамических соображений, Кирхгоф показал, что равновесие возможно лишь в том случае, если интенсивность падающих на тело электромагнитных волн одинакова для всех участков всех тел, находящихся в равновесии друг с другом. Таким образом,

Подобное соотношение должно быть верно для любой длины волны и для любой температуры. Это и есть закон Кирхгофа, который говорит, что отношение испускательной способности тела к поглощательной есть величина постоянная для каждой длины волны и любой температуры.

Это значит, что тело, которое сильно поглощает какие-либо лучи, будет их сильно излучать, и наоборот. Почему мало нагреется под действием солнечных лучей вода, заключенная в бутыль с посеребренными стенками, и сильно нагреется вода в фляжке из черного стекла? В первом случае поглощение солнечной энергии мало, во втором — велико. Теперь налейте в оба сосуда горячую воду и поместите их в холодное помещение. Гораздо быстрее остынет вода в фляжке из темного стекла: то тело, которое больше поглощает, будет больше излучать.

Можно показать эффектные опыты с окрашенной керамикой. Если тело имеет, скажем, зеленый цвет, то значит оно не поглощает зеленого света. Раскаляя зеленый черепок, можно увидеть, как начнет светиться цветом, дополнительным к зеленому.

Нас не должно смущать, что мы применяем закон, установленный для равновесия, к явлениям, безусловно неравновесным (тело

находится при температуре более высокой, чем среда). Здесь дело обстоит совершенно так же, как и для других проблем термодинамики (ср. стр. 144): законы термодинамики применимы, если только можно рассматривать каждое мгновенное состояние как равновесное. В явлениях теплового излучения это условие всегда выполняется.