Источники и приемники излучения
Лабораторная работа №1 «Тепловое излучение тела. Динамический фурье-спектрометр» Краткие сведения из теории
1. Тепловое излучение
Тепловым излучением называют электромагнитные волны, испускаемые атомами, которые возбуждаются за счет энергии их теплового движения. Если излучение находится в равновесии с веществом, его называют равновесным тепловым излучением.
Все тела при температуре Т 0 К испускают электромагнитные волны. Разреженные одноатомные газы дают линейчатые спектры излучения, многоатомные газы и жидкости - полосатые спектры, т.е. области с практически непрерывным набором длин волн. Твердые тела излучают сплошные спектры, состоящие из всевозможных длин волн. Человеческий глаз видит излучение в ограниченном диапазоне длин волн примерно от 400 до 700 нм. Чтобы человек смог увидеть излучение тела, температура тела должна быть не ниже 700 оС.
Тепловое излучение имеет непрерывный спектр. Это означает, что нагретое тело испускает некоторое количество энергии излучения в любом диапазоне частот или длин волн. Распределение энергии излучения тела по спектру зависит от температуры тела. При этом для всех тел с увеличением температуры максимум энергии излучения смещается в коротковолновый участок спектра, а общая энергия излучения возрастает. Так, если излучение батареи центрального отопления (350 К) имеет пик энергии в диапазоне невидимого инфракрасного излучения, то раскаленная поверхность Солнца (6000 К) излучает значительную часть энергии в диапазоне видимого света, а при ядерном взрыве (1 000000 К) большая доля энергии взрыва уносится коротковолновыми рентгеновским и гамма-излучением.
Пусть - длина волны излучения, с - скорость света в вакууме, к - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, h - постоянная Планка.
Тогда:
для λ×Т > 7.8×105 мкм × К справедлива формула Рэлея – Джинса:
ρν = 8πν3kT/c3
для λ×Т < 3000 мкм × К справедлива формула Вина
ρν = (8πν2 × hν)/(c3 ×exp(- hν/kT))
В 1900 году Макс Планк нашел способ объединить оба эти выражения в одну формулу
ρν = (8πν2 × hν)/(c3 ×exp(- hν/kT) – 1),
однако для этого пришлось ввести принципиально новое положение о том, что энергия, которую несет свет, может поглощаться и испускаться не непрерывно, а отдельными порциями – квантами.
Черным телом (ЧТ) называется излучатель, поглощающий все падающее на него излучение. ЧТ – эталонный источник потока излучения. Его применяют для паспортизации различных приемников излучения (ПИ), для определения характеристик пропускания и поглощения различных материалов, а также спектральных характеристик монохроматоров, для контроля пирометров и радиометров и других измерительных приборов. За эталон ЧТ принято потому, что мощность, излучаемую им, можно подсчитать с помощью законов теплового излучения
Поскольку по закону Кирхгофа отношение спектральной плотности энергетической светимости (СПЭС) и спектрального коэффициента поглощения есть величина постоянная для данной температуры и длины волны, а спектральный коэффициент поглощения ЧТ равен единице, то СПЭС ЧТ является максимально возможной для данных Т и именно поэтому ЧТ называют полным излучателем.
В природе ЧТ не существует. Однако искусственно удается создать излучатели, свойства которых приближаются к свойствам ЧТ. Модель ЧТ можно получить в виде замкнутой полости с небольшим отверстием в ней (рисунок 1). Попадающее внутрь такого источника излучение многократно отражается на стенках и сильно поглощается. Чем меньше входное отверстие, тем меньше вероятность выхода излучения из полости, т. е. тем больше коэффициент поглощения. Такой излучатель по своим свойствам приближается к ЧТ.
Рисунок 1 – Модель абсолютно черного тела
Зависимость излучательной способности АЧТ от длины волны показана на рисунке 2.
Рисунок 2 – Спектр излучения АЧТ
Эти кривые математически описываются формулой, которая называется формулой Планка:
Здесь - длина волны излучения, с - скорость света в вакууме, k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, h - постоянная Планка.
Из формулы Планка можно вывести законы излучения АЧТ, которые ранее были получены экспериментально:
1) закон Стефана - Больцмана:
,
= 5,67.108
Вт/(м2·К4)
- постоянная Стефана – Больцмана,
который формулируется так: энергетическая светимость АЧТ прямо пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры.
2) закон смещения Вина:
,
b
= 2,9.103
м·К - постоянная Вина.
который формулируется так: длина волны, на которую приходится максимум излучения, обратно пропорциональна абсолютной температуре.
Искусственные источники оптического некогерентного излучения можно разделить на группы: тепловые; люминесцентные; газоразрядные; светодиоды; некогерентным излучением обладают также естественные объекты.
При тепловом излучении поток излучения и его спектральный состав определяет температура. Световое излучение обусловлено спонтанными переходами электронов с высоких уровней на более низкие, ИК-излучение происходит за счет изменения колебательного и вращательного движений атомов. Тепловое излучение происходит в широком спектральном диапазоне и выходит из излучателя во все стороны.
При излучении атомы и электроны спонтанно переходят с высоких уровней на более низкие, а возбуждаются электромагнитным полем. Люминесцентное излучение выходит из излучателя во все стороны, но спектральный диапазон его уже, чем у теплового.
Газоразрядным источником излучения называют прибор, в котором излучение оптического диапазона спектра возникает в результате электрического разряда в атмосфере инертных газов, паров металла или их смесей.
Принцип действия излучающих полупроводниковых диодов (светодиодов) основан на явлении электролюминесценции при протекании тока в структурах с р—n переходом.
Для получения ИК-излучения используют излучатели специальных конструкций (например, силитовый излучатель).
Силитовый излучатель (глобар) представляет собой стержень из карбида кремния, нагреваемый электрическим током. Обычно диаметр глобара 6 – 8 мм, а длина – около 250 мм. Однако иногда глобары выполняют длиной до 1 м. Рабочая температура глобаров 1200 – 1300 К. Часто глобары покрывают защитным слоем двуокиси тория, что позволяет повысить их рабочую температуру до 2273 К. При температуре 1773 К и выше глобар излучает, как серое тело (рисунок 3).
Рисунок 3 – Коэффициент теплового излучения глобара