Тепловое излучение: что это такое, причины, свойства, спектр, формулы

Тепловое излучение – это электромагнитные волны, испускаемые электрически заряженными частицами в результате их теплового движения в веществе.

Металлические стержни, нагретые в плавильной печи, светятся ярким светом. Это тепловое излучение. Испускают ли тепловое излучение только тела с очень высокой температурой? Оказывается, любое тело с температурой выше абсолютного нуля является источником этого излучения. Почему же мы не видим этого излучения, исходящего от окружающих нас объектов? Ответ вы найдете в этой статье.

Причины возникновения теплового излучения и его свойства

Все тела состоят из атомов или молекул, которые находятся в вечном беспорядочном движении. Даже молекулы твердых тел, “запертые” в кристаллической решетке, совершают хаотические колебания. Это хаотичное движение атомов и молекул называется тепловым движением. Из-за столкновений и межмолекулярных взаимодействий энергия отдельных молекул постоянно меняется. Они испытывают ускорения и колебания. Атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Когда заряженная частица движется с ускорением, она излучает электромагнитную волну.

Все тела с температурой выше абсолютного нуля ( -273,15 ℃, 0К ) испускают тепловое излучение. Электромагнитные волны, падающие на тело, могут быть поглощены им. Чем больше энергии поглощает тело при постоянной температуре, тем больше энергии оно излучает. Отношение поглощенного и испущенного излучения не зависит от природы тела – для всех тел это одна и та же функция температуры и длины волны.

Почему мы видим тепловое излучение только для сильно нагретых тел, таких как металлический стержень в плавильной печи?

Свет – это электромагнитная волна. Каждому цвету света соответствует своя длина волны. Красный свет имеет наибольшую длину волны, синий и фиолетовый – наименьшую. Белый свет – это смесь всех цветов, которые проявляются в радуге, образующейся при расщеплении белого света на капельках воды в атмосфере (рис. 1.).

Радуга
Рис. 1. Радуга. Каждому цвету света соответствует своя длина волны, от самой высокой для красного света до самой низкой для фиолетового

Когда вы нагреваете металлический стержень, например, над газовой горелкой, примерно до 500°C, вы заметите, что он начинает светиться красным светом. По мере увеличения температуры стержня цвет света меняется на оранжевый, желтый и затем белый. Повышение температуры вызывает излучение электромагнитных волн со все более короткой длиной волны. Одновременно с повышением температуры стержень светит все интенсивнее – мы говорим, что увеличивается облученность, т.е. энергия излучения, выделяемая в течение 1 секунды на 1 м2 поверхности тела.

Все горячие тела светятся. Оказывается, низкотемпературные тела, которые не светятся видимым светом, также испускают излучение, но в диапазоне длин волн больше, чем видимый свет. Это излучение называется инфракрасным излучением. Он невидим для наших глаз, но несет в себе тепловую энергию. Инфракрасное излучение используется, например, для нагревания тела с помощью специальной инфракрасной лампы (рис. 2.). Мы видим, что лампа светит довольно слабым красным светом, но гораздо более интенсивным является ее излучение в инфракрасном диапазоне, невидимом для нас. Мы можем ощущать его воздействие только в виде нагрева тела.

Инфракрасные лампы нагревают тело пациента
Рис. 2. Инфракрасная лечебная лампа испускает тепловое излучение в основном в более длинноволновом диапазоне, чем видимый свет.

Этот пример показывает, что тепловое излучение не ограничивается узким диапазоном длин волн. Тела испускают излучение любой длины волны в очень широком диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного, но максимум этого излучения приходится на определенный диапазон длин волн, зависящий от температуры.

Так, в инфракрасной лампе максимум излучения приходится на диапазон длин волн, соответствующий инфракрасному излучению, а в других диапазонах излучение намного слабее. Когда металлический стержень нагревается до красного цвета, в дополнение к красному свету, который мы видим, также испускается инфракрасное излучение, которое ощущается как ощущение тепла. Дальнейшее повышение температуры приводит к увеличению доли коротких длин волн, в результате чего цвет стержня меняется на желтый, а затем на белый. Стержень по-прежнему излучает красный свет и инфракрасное излучение, но их доля в общем излучении меньше.

Солнечный свет, излучаемый поверхностью Солнца при температуре около 6000 К, содержит видимый свет во всем диапазоне длин волн, а также невидимое для нас ультрафиолетовое излучение (УФ) с длинами волн короче, чем у видимого света. Именно благодаря этому излучению мы загораем.

В чем причина того, что преобладающая длина волны теплового излучения уменьшается с повышением температуры? Повышение температуры означает увеличение средней кинетической энергии молекул и, следовательно, увеличение средней энергии излучения, испускаемого частицами. Чем больше энергия излучения, тем короче длина волны.

Спектр теплового излучения

Изображения, полученные с помощью космического телескопа “Хаббл”, показывают нам необычные, динамичные события во Вселенной. Одна из них показывает столкновение двух галактик, которые представляют собой огромные скопления многих миллиардов звезд, газа и межзвездной пыли. Столкновение вызвало взрывное образование новых звезд. Но как мы можем узнать, какие звезды являются молодыми, недавно сформировавшимися, а какие – старыми? Мы получаем эту информацию, анализируя спектры теплового излучения звезд.

Столкновение двух галактик запечатлено телескопом хаббл
Рис. 3. Столкновение двух галактик запечатлено телескопом Хаббл. Источник фото – ESA

Из опыта мы знаем, что тела при очень высоких температурах, такие как жидкий металл или фотосфера Солнца, светятся белым светом. Если пропустить этот свет через призму, он расщепляется на разные цвета (рис. 4). Каждый цвет соответствует своей длине электромагнитной волны, от 400 нм для фиолетового света до 700 нм для красного. Разделив белый свет на отдельные цвета, мы получим спектр белого света (рис. 5).

Свет расщепляется в призме на отдельные цвета, создавая спектр белого света
Рис. 4. Свет расщепляется в призме на отдельные цвета, создавая спектр белого света
Спектр белого света
Рис. 5. Спектр белого света

Спектр излучения – это записанное изображение излучения, распределенного по различным длинам волн.

Расщепление белого света показывает, из каких цветов состоит свет, но не дает информации о том, какова мощность излучения во всех последовательных местах цветового спектра. Для более тщательного изучения спектра излучения необходимо перемещать датчик, например, фотоэлемент, вдоль спектра для измерения мощности для каждой длины волны. Измеренное количество энергии излучения в определенных диапазонах длин волн света позволяет построить кривую спектрального распределения (рис. 6.).

Кривая спектрального распределения
Рис. 6. Кривая спектрального распределения показывает измеренную энергию излучения в определенных спектральных диапазонах

На рис. 7 показана кривая спектрального распределения солнечного излучения. На вертикальной оси отмечена энергия излучения в интервале длин волн (λ, λ + Δλ), испускаемая в единицу времени, на горизонтальной оси отмечена длина волны излучения λ с диапазоном длин волн видимого света. Излучение Солнца выходит далеко за пределы этого диапазона. Оно содержит ультрафиолетовое излучение с длиной волны короче, чем у видимого света, и инфракрасное излучение с длиной волны больше, чем у видимого света. В солнечном излучении содержатся все длины волн видимого света, поэтому мы воспринимаем солнечный свет как белый.

Кривая спектрального распределения солнечного излучения
Рис. 7. Кривая спектрального распределения солнечного излучения – зависимость интенсивности излучения от длины волны

Максимум графика находится на длине волны около 500 нм, что соответствует зеленому цвету.

Положение максимума излучения определяется температурой тела, испускающего излучение. Чем выше температура, тем меньше длина волны максимума излучения (рис. 8.). По этой причине, когда нагретое тело начинает светиться, оно сначала светится красным светом, а по мере повышения температуры цвет меняется на желтый и, наконец, на белый, поскольку увеличивается доля света более коротких длин волн.

Кривые спектрального распределения теплового излучения
Рис. 8. Кривые спектрального распределения теплового излучения для различных температур излучающего тела

Излучение, испускаемое людьми и большинством окружающих нас предметов, не видно, поскольку максимум излучения лежит в инфракрасном диапазоне. Наши глаза не могут воспринимать такое излучение, но его можно обнаружить с помощью тепловизионной камеры, которая регистрирует инфракрасное излучение.

Кривые спектрального распределения теплового излучения для более высоких температур выше, чем для более низких. Это означает, что с увеличением температуры тела общая энергия излучения увеличивается. Область под графиком (см. рисунок 7) – это мера общей энергии, излучаемой единицей площади тела. Энергия, излучаемая единичной поверхностью, сильно зависит от температуры. Вот почему тела с очень высокой температурой светятся намного ярче, чем тела с более низкой температурой.

Формулы, которые отражают зависимость теплового излучения от температуры

Итак, максимум кривой спектрального распределения излучения смещается в сторону более коротких длин волн с увеличением температуры. Длина волны λmax, соответствующая максимуму излучения, обратно пропорциональна абсолютной температуре тела: λmax = b / T, где b = 2,898 * 10-3 м·К – коэффициент пропорциональности (постоянная Вина). Эта формула называется законом смещения Вина.

Анализ графиков на рис. 8 позволяет сделать еще один вывод. Мы видим, что кривые для более высоких температур лежат все выше и выше. Это означает, что с повышением температуры тела общая энергия излучения увеличивается. Эти отношения очень прочные. Энергия излучения прямо пропорциональна T4. Зависимость энергии излучения от температуры, называемая законом Стефана – Больцмана, имеет следующий вид: E = σ * T4 , где

где E – энергия, излучаемая с единицы площади тела и в единицу времени, T – температура по шкале Кельвина, и σ – постоянная Стефана — Больцмана, которая равна: σ = 5,67 – 10-8 Вт / (м2 · К4).

Знание кривой спектрального распределения позволяет определить температуру далекого светящегося объекта. Если мы определим длину волны, соответствующую максимуму кривой, затем, после преобразования формулы Вина, получаем значение температуры объекта: T = b / λmax .

Таким образом, не покидая Земли, определяется температура Солнца и других звезд. Оказывается, наше Солнце излучает так, что кривая спектрального распределения соответствует температуре около 5800 К – средней температуре поверхности Солнца.

Если мы знаем расстояние до звезды, мы можем вычислить ее диаметр на основе анализа теплового излучения. Интенсивность излучения уменьшается с расстоянием, но, зная расстояние, мы можем рассчитать полную энергию, излучаемую звездой. Теперь достаточно разделить общую энергию на энергию, излучаемую на единицу площади, полученную из закона Стефана-Больцмана, чтобы получить площадь диска звезды, с которой излучение достигает нас.

Список использованной литературы

  1. Ташлыкова-Бушкевич И. И. Физика. Уч. пособие. В 2 ч. Ч. 2. Минск, 2008.
  2. Савельев И. В. Курс общей физики. — Т. 3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц.
  3. Kuenzer, C. and S. Dech (2013): Thermal Infrared Remote Sensing: Sensors, Methods, Applications (= Remote Sensing and Digital Image Processing 17). Dordrecht: Springer.
  4. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни/ Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. — 19-е изд. — М. : Просвещение, 2010. — 399 с.