> Энциклопедический словарь Гранат, страница 213 > Излучение
Излучение
Излучение. Излучением называется процесс передачи энергии материальными телами эфиру—той среде, которая заполняет собою все пространство и которая является носителем всех вообще электромагнитных явлений и, в частности, явлений света и лучистого тепла. Переданная телами через излучение в эфир энергия движется в нем в виде волн, распространяющихся со скоростью 300.000 километров в секунду. Вся энергия, доставляемая земному шару солнцем, —результат грандиозного процесса И., происходящого на солнце. Теория процессов И., т. е. процессов возникновения света—видимых или невидимыхглазу волн, непосредственно примыкает к теории света изучающей условия распространения световых волн уже возникших.
Процессы И. распадаются на несколько групп: а) „температурное И.“, —то излучение, которое появляется при повышении температуры твердого или жидкого тела; разлагая свет от такого источника при помощи призмы или решетки, мы получаем непрерывный спектр, т. е. непрерывную последовательность волн различной длины. От этого надо отличать Ь) свечение газа, например, раскаленного пара в пламени газовой горелки или светящийся газ под действием -электрического разряда (смотрите разряд электричества в газах). И. этого типа дает прерывный спектр, состоящий из линий или полос (Linien-spec-trum, Banden-spectrum), и, наконец, с) весьма разнообразный и сравнительно мало изученный класс явлений т. н. люминисценции, т. е. свечения, вызываемого целым рядом причин—освещением (флуоресценция и фосфоресценция); механическими причинами (трибо-люминисценция), например, свечение разламываемого куска сахара; химическими процессами (хе-ми-люминисценция) и так далее а) В двух последших случаях И. представляет собою процесс более сложный, чем простое температурное И. Законы температурного И. изучены в настоящее время наиболее детально. Всякое твердое или жидкое тело, нагретое до температуры в 500° С., начинает испускать свет, интенсивность света быстро возрастает с температурой; при этом меняется и характер испускания (например, красное и белое каление), т. е. распределение энергии между волнами, составляющими спектр данного тела, изменяется от температуры. Кроме того, степень и характер испускания зависит от природы светящагося тела. Существует, однако, один тип температурного И., при котором индивидуальные особенности излучающого тела совершенно не сказываются — это т. н. И. абсолютно черного тела. Представим себе нагретое до какой-нибудь температуры t° тело А, заключающее всебе замкнутую полость, внутри которой находится какое-нибудь тело В; положим, что из этой полости выкачен воздух; тогда тепло от оболочки А будет передаваться телу В только излучением. Через некоторое время тело В нагреется до температуры оболочки. Если мы будем поддерживать температуру оболочки А, то температура В меняться не будет; наступит состояние подвижного равновесия: тело В будет получать от оболочки в единицу времени столько энергии, сколько оно испускает обратно к А. Если тело поглощает долю аь и само испускает в единицу времени Еь, то подвижное равновесие будет определяться равенством
Еь=“ъеаи.(1)
Так как процессы испускания и поглощения происходят в самом теле независимо от окружающих предметов, то тело В всегда будет при температуре t испускать и поглощать одинаково; так, например, если оно будет помещено в другую полость Aj тела из другого вещества, но при той же температуре t, то оно, рано или поздно нагревшись до той же температуры t, будет испускать Еь и поглощать долю <ь падающей на нее от оболочки А1 энергии ей1, по-прежнему мы будем иметь
Еь=abHai (2)
Сравнивая (1) и (2), получаем еα= еаи, т. е. два различных тела испускают в находящуюся внутри них полость при одной и той же температуре одинаково независимо от их способности испускать и поглощать; необходимо, однако, иметь в виду, что тела, составляющия оболочку, должны быть абсолютно непрозрачны, чтобы не выпускать из полости лучистой энергии и не впускать ее извне. Такое И., существующее внутри замкнутой полости с непрозрачной оболочкой, поддерживаемой при постоянной температуре, носит название Л. абсолютно черного тела. Почему оно так называется, не трудно выяснить. Если мы предположим, что тело В абсолютно черное, т. е. что оно поглощает всю падающую энергию, то <ч>=1 (аь, вообще говоря, правильная дробь, показывающая, какая доля падающей энергии поглощается). Тогда на основании (1) или (2) Еь=еа, т. е. такое абсолютно черное тело так же испускает, как наша оболочка. Равенство (1) можно написать так:
Еь
—=еа аь
(3),
что верно для любого тела В:
Еьа
Еь,
“Ьи
Ец
“Ьа
= еа.. (З1).
Откуда следует, что если тело В испускает сильнее тела В то во столько же раз оно должно сильнее поглощать, так как при одной и той же температуре оба отношения Еь Еь,
— и — равняются одной и той же “ь «ь.
величине еа.
Кирхгофу (1859) удалось показать, что сказанное верно не только для всего И., но и для любой длины волны X, выделенной из сплошного спектра:
(4).
Доказательство Кирхгофа и другия позже предложенные доказательства его закона (4) были подвергнуты строгой критике, и лишь в самое недавнее время (1912) Гильберту удалось дать безупречное с логической стороны доказательство этого закона. Таким образом, И. черного тела не зависит от индивидуальных свойств этого тела, и, следовательно, задача сводится к выяснению распределения энергии в спектре и зависимости как этого распределения, так и полного И. от температуры, не принимая в рассчет свойств вещества оболочки.
Вся теория „черного И.“, как часто сокращенно обозначают И. абсолютно черного тела, основана на изучении указанного выше И. внутри замкнутой полости. Из сказанного ясно, что в пространстве между оболочкой и телом В находится лучистая энергия, раз существует поток ея от А к В и наоборот. Следовательно, мы можем говорить о количестве энергии, заключенной в каждом кубическом сантиметре пространства, отделяющого А от В, или о плотности лучистойэнергии, причем эта плотность будешь тем больше, чем интенсивнее будут потоки энергии от А к В и наоборот, что в свою очередь обусловливается температурой. Отсюда мы можем говорить о „плотности“ лучистой энергии (при установившемся подвижном равновесии), находящейся в равновесии с телом температуры Т, и приписывать этому И. температуру Т того тела, с которым эта лучистая энергия находится в равновесии. Так как вещество оболочки (смотрите выше) не играет роли, то мы можем этой оболочке в наших рассуждениях приписывать какие угодно свойства и какую угодно форму: можем, например, представить ее себе в виде цилиндра с поршнем, а стенки или поверхности поршня наделять какими угодно свойствами; например, мы можем предполагать, что поверхность поршня представляет собою идеальное зеркало, т. е. отражает всю энергию, какая на нее падает; раз она ничего не поглощает, то она и ничего не испускает. Если тело В помещено в оболочку А с идеально отражающей внутренней поверхностью, то по-прежнему Ев=“ьеа, только еа будет означать не испускаемую зеркальной поверхностью энергию, так как вполне отражающее, т. е. не поглощающее тело, и не излучает, а лучистую энергию, вышедшую из В и отраженную от А. Рано или поздно установится подвижное равновесие, когда тело В будет посылать в секунду столько энергии, сколько ея поглотится из отраженного от зеркальной стенки потока, а так как Еь и аь то же самое, то и еа должно быть одинаково с прежним.
Представим себе цилиндр с поршнем; пусть внутренняя боковая поверхность этого цилиндра выложена идеальным зеркалом, а также и обращенная внутрь поверхность поршня; положим далее, что дно цилиндра пропускает свободно лучистую энергию и может быть приведено в соприкосновение с излучающим телом А какой угодно температуры Т. Тогда ясно, что в пространстве под поршнем будет находиться лучистая энергия, соответствующая черному И. температуры того тела, к которому прикасается дно цилиндра. Медленно поднимая поршень и дожидаясь установившагося состояния, мы получим большой объём, занятый лучистой энергией той же плотности и соответствующей той же температуре тела Т. Закрыв дно цилиндра заслонкой, непропускающей лучистой энергии, и опуская поршень, мы можем как угодно увеличить плотность запертой там энергии и довести таким образом ее до плотности, соответствующей более интенсивному обмену лучистой энергии телами более высокой температуры. Приводя теперь дно цилиндра в соприкосновение с телом более высокой температуры Т1; вынимая заслонку и опуская поршень еще дальше, мы можем перевести лучистую энергию, взятую у тела А с температурой Т, телу В с более высокой температурой Тх. Термодинамика (сл:.), или механическая теория тепла, показывает, что нагреть тело высокой температуры за счет тела низкой можно, только затратив известное количество работы,—это вытекает из второго основного закона термодинамики.
Отсюда два исхода: или мы должны признать, что второй закон термодинамики неприложим к явлениям излучения или что в изложенном воображаемом опыте мы при опускании поршня и при сдавливании лучистой энергии под поршнем совершаем работу, т. е. лучистая энергия—волны эфира—оказывали давление на поршень.
Разсуждая таким путем, Барто-ли показал, что для того, чтобы согласить процессы И. со вторым законом термодинамики, необходимо допустить существование давления волн, несущих лучистую энергию, причем численно это давление, рассчитанное на кв. см. поршня, должно равняться плотности энергии, падающей на поршень. Так как в пространстве под поршнем волны двигаются по всем направлениям, то при подсчете давления необходимо принять в рассчет только ту часть ея, которая соответствует волнам, падающим на поршень, как показывают вычисления этой величины, 1/3 всей плотности энергии.
Весьма любопытно, что давление волн, переносящих лучистую энергию, которое необходимо допустить, чтобы согласить явление И. со вторым принципом термодинамики, как раз совпадает с тем, что было выведено независимым путем основателем электромагнитной теории, Макс-уэллем. Классические опыты П. Н. Лебедева фактически подтвердили предположения Максуэлля-Бартоли. Если мы примем существование давления на поршень и приложим к указанной системе—излучающее тело + цилиндр с лучистой энергией—оба закона термодинамики, то можно показать, как это сделал впервые Больцман, что плотность энергии „черного И.“, соответствующого абсолютной температуре Т, пропорциональна четвертой степени этой температуры, т. е.
U=аТ1.(4)
Этот результат был найден еще раньше эмпирически Стефаном и получил теперь название закона Стефана-Больцмана. В настоящее время закон этот весьма тщательно проверен на опытах с искусственным черным телом. Для этого делают в закрытом со всех сторон ящике, который поддерживаетсяпри определенной температуре, небольшое отверстие, из которого выпускают, следовательно, „черное И.“ полости, количество выходящей энергии в единицу времени, пропорционально плотности (4).
Закон Стефана-Больцмана, однако, не решает еще вопроса—в нем речь идет о полном И., и мы из него не можем извлечь решительно ничего относительно распределения энергии между волнами различной длины. Дальнейший шаг был сделан В. Вином. Если в цилиндре с зеркальными стенками сдавливать поршнем находящуюся там лучистую энергию, соответствующую определенной температуре, если, например, начать опускать поршень, то, благодаря уменьшению объёма и сообщению извне энергии, увеличиваетсяплотность энергии, но при отражении от движущагося зеркала изменяется и длина волны.
Чтобы выяснить изменение длины волны при отражении от движущагося зеркала, рассмотрим следующий простой процесс.
Волны х, идущия к зеркалу, пусть после отраясения имеют длину Х1. В момент t зеркало занимает положение А, и на пространстве АВ на
АВ АВ,
ходится — волн×и — волн Хх —
всего: АВ 4- -5— В позднейший момент е —f- St в пространстве меящу AjB волн будет меньше,
димом светом в течение секунды, то для длины волн×и Хх получаем×=
= —, X,=—, а внося эти выражения
V В1
в (5) и решая относительно в1; полу-р V
чаем в4=е_ у в (6).
Это выраясение и показывает, насколько изменяется частота колебаний при отраясении от движущагося зеркала. Следовательно, на основании этой связи между изменением длины волны при отражении и скоростью движения зеркала и на основании выражения работы против силы давления молено, как показал Вин, вывести связь между плотностью энер-
Л ииииищпиииппчиии[ииииищиииииииипщ[ииищиииипиигииищииииипииииииимщпиии[ииии Лг, Зеркало в момент
t
Л
Иниппиинипипшиии Л‘ЗерШО Иb МйиМгИ
t+st
, в
Фи г. 1.