Работа №1. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ В СПЕКТРЕ

Черного тела

Цель работы: научиться измерять температуру нагретых тел оптическим пирометром и оценивать величину константы Стефана – Больцмана.

Вопросы, знание которых обязательно для допуска к выполнению работы:

1. Свойства электромагнитных волн.

2. Шкала электромагнитных волн.

3. Какое излучение называют тепловым?

4. Какая величина является спектральной характеристикой теплового излучения?

5. Распределение энергии в спектре.

6. Что такое поглощательная способность тела?

7. Какое тело называют абсолютно черным? Приведите примеры абсолютно черных тел.

8. Что называют лучеиспускательной способностью нагретого тела?

9. Какая величина называется спектральной плотностью излучения?

10. Законы теплового излучения.

11. Устройство и принцип действия спектроскопа.

12. Принцип действия пирометра.

Введение

Электромагнитные волны, в том числе световые, несут с собой энергию. Как известно из опыта, любое твердое тело при температуре Т излучает в окружающее пространство электромагнитные волны.

Тепловое излучение – это самосвечение вещества, обусловленное тепловым движением (кинетической энергией его частиц). Так как тепловое движение может прекратиться только при абсолютном нуле температуры (а он недостижим), то и тепловое излучение вещества всегда имеет место. Тепловое излучение обусловлено переходом электронов атомов из возбужденного в основное состояние, колебательно-вращательным движением молекул и колебаниями атомов в узлах кристаллической решетки.

Для теплового излучения характерны следующие качественные закономерности:

а) при любой температуре Т > 0К все тела излучают электромагнитные волны;

б) интенсивность излучения не зависит от свойств окружающей среды и определяется только температурой данного тела;

в) c повышением температуры растет доля энергии теплового излучения, приходящаяся на область коротких длин волн. При низкой (например, комнатной) температуре излучение практически ограничено лишь очень длинными инфракрасными невидимыми волнами. По мере нагревания окраска тела начинает меняться, становясь сначала красной, а затем белой, что указывает на смещение максимума излучения в коротковолновую область спектра;

г) тепловое излучение является равновесным, т.е. это электромагнитное излучение тела, находящегося в состоянии термодинамического равновесия со средой.

Тепловое излучение характеризуется мощностью, излучаемой с единицы поверхности нагретого тела и называемой интегральной лучеиспускательной способностью (энергетической светимостью) тела R. Она зависит от температуры T. Эта энергия излучения весьма неравномерно распределяется по частоте.

Введем понятие спектральной плотности излучения r(λ), которая равна мощности излучения поверхности нагретого тела в единичном интервале длин волн. Очевидно, что

(1)

На рис.1 приведены графики спектральной плотности излучения абсолютно черного тела при некоторой температуре Т₁ и при температуре – вдвое большей Т₂=2Т_1.

Абсолютно черное тело – тело, которое при любой температуре полностью поглощает весь падающий на него поток излучения, независимо от длины волны. В природе абсолютно черных тел нет, близким к ним считаются сажа и платиновая чернь, хорошим приближением является почти замкнутый сосуд с малым отверстием и непрозрачными стенками, имеющими одинаковую температуру во всех точках. Луч, попавший в полость через отверстие, многократно отражается (рис.2) и при каждом отражении частично поглощается стенками полости. В результате через некоторое время он поглотится почти полностью. Например, лучи света, попавшие через окно в комнату, поглощаются в ней и на улицу выходит лишь небольшая часть, поэтому раскрытое окно, рассматриваемое издали с улицы, кажется черным.

Общая излучаемая с единицы площади энергия R, для абсолютно черного тела, зависит от температуры по закону Стефана-Больцмана:

, (2)

где σ = 5,68·10^-8 Вт/(м²К⁴) – постоянная Стефана – Больцмана.

Введем также безразмерный коэффициент α, равный отношению мощности излучения, поглощаемой элементом поверхности тела, к падающей на него мощности; его называют поглощательной способностью тела. Очевидно, что для абсолютно черного тела α=1.

Отношение лучеиспускательной способности к поглощательной способности для любого тела, находящегося в равновесии с излучением при температуре Т, является величиной постоянной. Это утверждение выражает содержание закона Кирхгофа.

Абсолютно черное тело излучает больше любого другого тела.

Энергия излучения распределена по длинам волн так, что максимальное значение r() приходится на значение _max (рис.1), которое связано с температурой по закону Вина:

, (3)

где b – постоянная Вина, b=2,89·10^-3 м·К.

Это означает, что по мере возрастания температуры максимум спектральной плотности смещается в сторону более коротких длин волн (рис. 1).

Температурные изменения, происходящие в спектре излучения нагретых тел, используются в оптических пирометрах – приборах для измерения температуры раскаленных тел.

Оптический пирометр с исчезающей нитью (рис. 3) работает следующим образом. В телескоп с объективом 1 и окуляром 5 – 7, в фокальной плоскости которого расположена нить фотометрической лампы 4, через светофильтр 6 одновременно наблюдают раскаленный предмет и нить лампы 4. Регулируя ток фотометрической лампы реостатом 8, добиваются исчезновения нити 4 на фоне раскаленного объекта. По амперметру 9, проградуированному в градусах Цельсия отсчитывают температуру исследуемого объекта. Следовательно, в оптическом пирометре с исчезающей нитью производится сравнение яркостей исследуемого источника и эталонного источника в узком интервале длин волн, вырезаемом светофильтром 6. Для расширения предела измерения пирометра при измерении температур выше 1400⁰С между объективом 1 и фотометрической лампой поворотным механизмом вводится поглощающее стекло 3, ослабляющее яркость излучения раскаленного тела. В этом случае температура отсчитывается по второй шкале амперметра 9.

О птический прибор для визуального наблюдения спектра излучения называется спектроскопом (рис.4). Он используется для быстрого качественного спектрального анализа веществ в химии и металлургии. Разложение излучения в спектр осуществляется, призмой. Щель (2) вырезает узкий пучок света от источника (1), линза (3) расширяет его и преобразует в параллельный пучок, диспергирующий элемент - призма (4) разлагает свет на спектральные составляющие. Фокусирующая линза (5) создает изображение щели в фокальной плоскости, где помещается детектор (глаз или приемник излучения) (6).