Тепловое излучение Люминесценция

Тепловое излучение — это электромагнитное излучение, возбуждаемое за счет внутренней энергии тела. Если излучающее тело не получает теплоты извне, то оно охлаждается и его внутренняя энергия уменьшается.
Тепловое излучение свойственно всем телам при температурах выше абсолютного нуля.
Испускаемый источником свет уносит с собой энергию. В тех случаях, когда необходимая энергия сообщается нагреванием, т. е. подводом тепла, излучение называется тепловым или температурным.
Все виды свечения, возбуждаемые за счет любого вида энергии, кроме внутренней (тепловой), объединяются под общим названием люминесценция.

Если в замкнутую полость с зеркально отражающими стенками поместить несколько тел, нагретых до различной температуры, то, как показывает опыт, такая система с течением времени приходит в состояние теплового равновесия, при котором все тела приобретают одинаковую температуру. Тела обмениваются энергией только путем испускания и поглощения лучистой энергии. В состоянии равновесия процессы испускания и поглощения энергии каждым телом в среднем компенсируют друг друга, и в пространстве между телами плотность энергии излучения достигает определенного значения, зависящего только от установившейся температуры тел.
Это излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с телами, имеющими определенную температуру,называется
равновесным
излучением.

Всякое другое излучение, возбуждаемое не нагреванием, а каким-либо иным способом, не приводит к установлению статистического равновесия. Например, если внутрь упомянутой выше полости поместить тело, светящееся благодаря предварительному облучению ультрафиолетовыми лучами, то свечение этого тела постепенно ослабнет и прекратится.
нетепловое излучение всегда неравновесно !

Величина ρ, равная отношению лучистого потока Рρ, отраженного телом, к лучистому потоку Р, падающему на поверхность тела, называется коэффициентом отражения
1) часть потока отражается обратно в окружающее пространство. При этом происходит или зеркальное отражение, или поверхностное рассеяние потока в зависимости от структуры поверхности тела

2) часть потока пройдет через тело
Величина τ, равная отношению лучистого потока Рτ, прошедшего через данное тело (среду), к лучистому потоку Р, падающему на данное тело (среду), называется коэффициентом пропускания:
Коэффициент пропускания характеризует прозрачность тела (среды) по отношению к падающему излучению.

3) остальная часть потока будет поглощена телом, и его энергия превратится в другие виды энергии.
Величина α, равная отношению лучистого потока Рα, поглощенного телом, к лучистому потоку, падающему на тело, называется коэффициентом поглощения тела:

Из закона сохранения энергии следует, что
тогда
Измерения показывают, что коэффициенты поглощения, пропускания и отражения тела зависят от длины волны λ падающего излучения и от температуры тела
ρ = F(λ,T); τ = φ(λ,T); α = f(λ,T);
Для монохроматического излучения они называются:
спектральным коэффициентом поглощения, спектральным коэффициентом пропускания спектральным коэффициентом отражения
(для данной температуры тела)

зависимость α(λ) при данной температуре Т
При изменении температуры характер кривой α = f(λ,T) может измениться; лучи, сильно поглощающиеся при одной температуре, могут пропускаться при другой температуре, и наоборот.
Зависимость коэффициентов ρ, τ и α от длины волны является во многих случаях физической причиной окрашенности тел, не излучающих собственного света.
Если тело при освещении его белым светом имеет красный цвет, то его коэффициент поглощения τ для коротковолновой (зелено-фиолетовой) части видимого спектра близок к единице, а для длинноволновой — близок к нулю; соответственно коэффициент отражения этого тела для «красных» лучей близок к единице, а для «зелено-фиолетовых» — близок к нулю.

Полное поглощение света
Полное отражение света
Частичное поглощение и
отражение света
Полное пропускание света
Частичное поглощение и
пропускание света
Белый свет падает на
Непрозрачный объект
Прозрачный объект

Тело, которое поглощает полностью все падающие на него излучения любой длины волны при любой температуре, называют абсолютно черным (точнее абсолютно поглощающим) телом. Его коэффициент поглощения для всех длин волн при любых температурах равен единице.
Тела, для которых коэффициент поглощения меньше единицы, но не зависит от длины волны называются «серыми». Для них α выражается прямой, ордината которой меньше единицы.
Абсолютно черных тел в природе нет. Моделью абсолютно черного тела является полость с очень малым отверстием.

Свет, падающий через отверстие внутрь полости, после многочисленных отражений будет практически полностью поглощен стенками, и отверстие снаружи будет казаться совершенно черным.
Но если полость нагрета до определенной температуры T, и внутри установилось тепловое равновесие, то собственное излучение полости, выходящее через отверстие, будет излучением абсолютно черного тела.

Нагретые тела излучают энергию в виде электромагнитных волн раз-личных длин (инфракрасные, видимые, ультрафиолетовые лучи и др.).
Количество R энергии, излучаемой с 1м2 поверхности тела в пределах телесного угла 2π за одну секунду по всем длинам волн, называется энергетической светимостью тела (интегральной плотностью излучения).
Энергия излучения распределяется неравномерно между всеми длинами волн, которые испускаются нагретым телом.
Откладывая по оси ординат величину rλT=ΔR/Δλ, мы получим представление о распределении энергии по длинам волн нагретого тела.
Величина rλТ называется испускательной способностью (спектральной плотностью излучения) тела и является функцией распределения энергии по спектру.

Интегральная плотность излучения тела связана со спектральной плотностью излучения соотношением:
на графике изображается площадью, заключенной между кривой rλT и осью абсцисс
Установлено, что испускательные и поглощательные способности тел пропорциональны

Получение света от пламени горящей свечи основано на той же пропорциональности между испускательной и поглощательной способностями тел. В пламени имеются частицы сажи, обладающие большим поглощением; они и дают яркий свет. Если пламя не содержит частиц сажи (например, пламя газовой горелки), оно не будет светиться.

Результаты экспериментальных исследований и термодинамические рассуждения привели к следующему утверждению (закон Кирхгофа):
для всех тел, независимо от их природы, отношение спектральной плотности излучения к спектральному коэффициенту поглощения при той же температуре и для тех же длин волн есть универсальная функция от длины волны и температуры.
Закон Кирхгофа можно выразить равенством
где индексы 1, 2, ... относятся к первому, второму и т. д. телам. Если одно из этих тел – абсолютно черное, и его спектральная плотность излучения равна uλT, то учитывая, что коэффициент поглощения абсолютно черного тела равен единице, закон Кирхгофа можно записать так:

Тогда, универсальная функция Кирхгофа f(λ,Т) есть спектральная плотность излучения абсолютно черного тела, т.е. f(λ,Т) = uλT, поэтому:
отношение спектральной плотности излучения любого тела к его спектральному коэффициенту поглощения равно спектральной плотности излучения абсолютно черного тела для той же длины волны и при той же температуре
кривые распределения энергии в спектре абсолютно черного тела (1), «серого» тела (2) и произвольного тела (3)
Следовательно, тепловое излучение любого тела в любой области спектра всегда меньше, чем тепловое излучение абсолютно черного тела в этой же области спектра и при той же температуре.
Из закона Кирхгофа:
Т.к.
то

Кроме дифференциальной формы закона Кирхгофа, существует его интегральная форма:
отношение интегральной плотности излучения тел к их коэффициенту поглощения есть универсальная (общая для всех тел) функция температуры
где R и α относятся ко всему спектру излучения при данной температуре
Для абсолютно черного тела α = 1 при всех температурах, поэтому f(Т) есть его интегральная плотность излучения при температуре Т.
Так как для всех тел α < 1, то их интегральное излучение всегда меньше, чем у абсолютно черного тела (на рис. площадь, ограниченная кривой излучения абсолютно черного тела, больше площади, ограниченной кривой излучения серого и любого другого тела).

Законы излучения абсолютно черного тела
Энергетическая светимость абсолютно черного тела является универсальной функцией длины волны и температуры. Это значит, что спектральный состав и энергия излучения абсолютно черного тела не зависят от природы тела.
зная спектральную и интегральную плотность излучения абсолютно черного тела, можно вычислить их для любого нечерного тела, если известен коэффициент поглощения последнего, который определяют экспериментально.
1. Закон Стефана — Больцмана:
В 1879 году Йозеф Стефан на основе анализа экспериментальных данных пришел к заключению, что интегральная светимость R(T) абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры T:
Несколько позднее, в 1884 году, Л. Больцман теоретически получил эту зависимость из термодинамических соображений.
Числовое значение постоянной σ, по современным измерениям, составляет
σ = 5,671·10–8 Вт / (м2 · К4).

Энергия, испускаемая за время t абсолютно черным телом с излучающей поверхностью S при постоянной температуре T, равна W= σT4•S•t.
Если же температура тела изменяется со временем
Если абсолютно черное тело окружено средой с температурой Т0, то оно будет поглощать энергию, излучаемую самой средой. В этом случае разность между мощностью испускаемого и поглощаемого излучений можно приближенно выразить формулой: U= σ(T4-T04).
К реальным телам закон Стефана — Больцмана не применим, так как наблюдения показывают более сложную зависимость R от температуры, а также — от формы тела и состояния его поверхности

2. Закон смещения Вина.
К концу 90-х годов XIX века были выполнены тщательные экспериментальные измерения спектрального распределения излучения абсолютно черного тела, которые показали, что при каждом значении температуры Т зависимость r(λ,T) имеет ярко выраженный максимум
С увеличением температуры максимум смещается в область коротких длин волн, причем произведение температуры T на длину волны λm, соответствующую максимуму, остается постоянным:
Это соотношение ранее было получено Вином из термодинамики. Оно выражает так называемый закон смещения Вина: длина волны λm, на которую приходится максимум энергии излучения абсолютно черного тела, обратно пропорциональна абсолютной температуре T. Значение постоянной Вина
b = 2,898·10–3 м·К.

Проявления закона смещения Вина.

3. Закон Планка
Закон Стефана - Больцмана и закон смещения Вина не решают основной задачи о том, как велика спектральная плотность излучения, приходящаяся на каждую длину волны в спектре абсолютно черного тела при температуре Т. Для этого надо установить функциональную зависимость u от λ и Т.
Основываясь на представлении о непрерывном характере испускания
электромагнитных волн и на законе равномерного распределения энергии по степеням свободы (принятых в классической физике), были получены две формулы для спектральной плотности излучения абсолютно черного тела:
1) формула Вина , где а и b — постоянные величины;
2) формула Рэлея — Джинса : uλТ = 8πkTλ-4.
Опытная проверка показала, что для данной температуры формула Вина верна для коротких волн (когда λТ очень мало) и дает резкие расхождения с опытом в области длинных волн.
Формула Рэлея - Джинса оказалась верна для длинных волн и совершенно не применима для коротких

Успехи термодинамики, позволившие теоретически вывести законы Стефана–Больцмана и Вина, вселяли надежду, что из термодинамических соображений удастся получить всю кривую спектрального распределения излучения черного тела r(λ, T). В 1900 году эту проблему пытался решить знаменитый английский физик Д. Релей, который в основу своих рассуждений положил теорему классической статистической механики о равномерном распределении энергии по степеням свободы в состоянии термодинамического равновесия. Эта теорема была применена Релеем к равновесному излучению в полости. Несколько позже эту идею подробно развил Джинс. Таким путем удалось получить зависимость излучательной способности абсолютно черного тела от длины волны λ и температуры T:
r(λ, T) = 8πkTλ–4.
Это соотношение называют формулой Релея–Джинса. Она согласуется с экспериментальными данными только в области достаточно длинных волн

Интегрирование формулы Релея-Джинса по λ в пределах от 0 до ∞ дает для равновесной плотности энергии u(Т) бесконечно большое значение. Т.е из нее следует абсурдный вывод о том, что интегральная светимость R(T) черного тела должна обращаться в бесконечность, а, следовательно, равновесие между нагретым телом и излучением в замкнутой полости может установиться только при абсолютном нуле температуры.
Этот результат противоречит опыту и получил название «УФ катастрофа» (Эренфест).
«Ультрафиолетовая катастрофа».

Стало ясно, что решить задачу о спектральном распределении излучения абсолютно черного тела в рамках существующих теорий невозможно. Эта задача была успешно решена М. Планком на основе новой идеи, чуждой классической физике.
Планк пришел к выводу, что процессы излучения и поглощения нагретым телом электромагнитной энергии, происходят не непрерывно, как это принимала классическая физика, а конечными порциями – квантами. Квант – это минимальная порция энергии, излучаемой или поглощаемой телом. По теории Планка, энергия кванта E прямо пропорциональна частоте света:
где h – так называемая постоянная Планка, равная h = 6,626·10–34 Дж·с. Постоянная Планка – это универсальная константа, которая в квантовой физике играет ту же роль, что и скорость света в СТО

На основе гипотезы о прерывистом характере процессов излучения и поглощения телами электромагнитного излучения Планк получил формулу для спектральной светимости абсолютно черного тела. Формулу Планка удобно записывать в форме, выражающей распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела по частотам ν, а не по длинам волн λ.

Оптическая пирометрия
законы излучения черного тела позволяют определять температуру этого тела, если длина волны λ0, соответствующая максимуму uλТ (по закону Вина), или если известна величина интегральной плотности излучения (по закону Стефана — Больцмана).
а. Метод, основанный на законе смещения Вина
Если нам известна та длина волны, на которую приходится максимум спектральной плотности излучения, то температура тела может быть вычислена по формуле λ0=b/T. В частности, таким способом определяется температура на поверхности Солнца, звезд и т. д. Для нечерных тел этот способ не дает истинную температуру тела.
б. Радиационный способ измерения температур основан на измерении интегральной плотности излучения тела R и вычисления его температуры по закону Стефана — Больцмана. Соответствующие приборы называются радиационными пирометрами.
в. Яркостный метод определения температур. Принцип действия его основан на визуальном сравнении яркости раскаленной нити лампы пирометра с яркостью изображения накаленного испытуемого тела.

Рис. 6. Устройство радиационного пирометра

Пирометры.

Люминесцентное излучение
Некоторые вещества при их облучении (видимым, ультрафиолетовым, рентгеновским или гамма-излучением) начинают испускать собственное излучение, спектральный состав которого отличается от спектрального состава падающего излучения и определяется только химическим составом и молекулярной структурой этих веществ.
Этот вид свечения называется люминесцентным излучением, или люминесценцией. Оно имеет следующие особенности:
1) при одной и той же температуре люминесцентное свечение имеет большую интенсивность по сравнению с тепловым (для того же спектрального интервала).
если спектральная плотность излучения какого-либо тела превышает на отдельных участках спектра спектральную плотность излучения абсолютно черного тела, то на этом участке излучение не тепловое, а люминесцентное

2) люминесцентное свечение вещества продолжается некоторое время после прекращения облучения.
3) люминесценция есть собственное излучение тел; каждое вещество обладает определенным характерным для него спектром люминесценции
Объединяя все эти признаки, С.И. Вавилов дал следующее определение люминесценции:
люминесценция есть оптическое излучение тела, являющееся избытком над тепловым излучением того же тела в данной спектральной области при той же температуре, имеющее длительность свечения более 10-10 с, т.е. не прекращающееся сразу после устранения вызвавшей его причины

По способу возбуждения различают несколько видов люминесценции:
1) свечение, возникающее под действием светового излучения как видимого, так и более коротковолнового (фотолюминесценция). Сюда относится свечение специальных красок — фосфоров или люминофоров, при облучении их видимыми или ультрафиолетовыми лучами и т. д.;

2) свечение, возникающее при электрических разрядах (электролюминесценция); например, свечение газов в газосветных трубках, свечение некоторых веществ при помещении их в переменное электрическое поле;

3) свечение, возбуждаемое ударами электронов (катодолюминесценция). Таково свечение экрана осциллографа и телевизора, свечение минералов и т. д.;

4) свечение, вызванное химическими превращениями внутри тела, называется хемилюминесценцией. Например, свечение фосфора, гниющего дерева, свечение морских животных, светляков, световые явления при некоторых химических реакциях

фотолюминесценция
Спектры фотолюминесценции отличаются от спектров возбуждающего излучения.
Согласно правилу Стокса, спектр люминесценции в целом и его максимум всегда оказываются в области более длинных волн по сравнению со спектром поглощенного излучения, способного вызвать эту люминесценцию.
Энергия падающего фотона hν0 частично расходуется на процессы внутри вещества, не приводящие к излучению; остальная часть расходуется на возбуждение молекулы или атома, после которого происходит излучение фотона с энергией hν.
А - часть энергии падающего фотона, не приводящая к излучению
испускаемый при люминесценции свет должен иметь более длинные волны, чем поглощаемый.
При А=0

В редких случаях, когда фотон поглощается уже возбужденной молекулой, и испускаемый фотон уносит с собой часть энергии молекулы. При этом испускаемый люминесценцией свет будет иметь большую частоту (меньшую длину волны); в этом случае нарушается правило Стокса («антистоксова область»).
Энергия, затраченная на возбуждение вещества, превращается в энергию излучения; при этом часть энергии рассеивается в веществе, не вызывая излучения.
Процессы, приводящие к рассеиванию энергии, называются тушением люминесценции

Практические применения люминесценции
1)Люминесцентная лампа представляет собой стеклянную трубку, наполненную парами ртути и аргоном, стенки лампы покрыты изнутри тонким слоем люминесцирующего состава — люминофором. Изменяя состав люминофоров, можно подобрать спектральный состав излучения люминесцентных ламп в соответствии с требованиями эксплуатации.

Практические применения люминесценции
2)Применение люминесценции для создания слабых освещенностей (аварийное и маскировочное освещение).

Практические применения люминесценции
3. Дефектоскопия. Поверхность детали покрывают люминесцирующей жидкостью, затем жидкость убирают и она остается только в дефектах ( поры, трещины и.т.д.). При освещении детали УФ или синим светом, дефекты начинают светиться