ФИТР БНТУ – Портал Студентов

§ 4. Применение закона Кирхгофа. Абсолютно черное тело

Рис. 1.4. Темные места разрисованного фарфора (а) при накаливании излучают сильнее (б)

Закон Кирхгофа и многочисленные его следствия хорошо подтверждаются на опыте. Например, внося в горячее несветящееся водородное пламя кусок расписанного фарфора с

темным рисунком на белом поле, можно видеть при накаливании фарфора яркий (сильно излучающий) рисунок на сравнительно темном поле (рис. 1.4). Но если внести такой кусок внутрь закрытой полости (печки), снабженной лишь небольшим отверстием для наблюдения, и сильно прогреть стенки печки, то мы не сможем различить рисунок на раскаленном черепке, излучающем практически равномерно: светлые места меньше излучают, но больше отражают, темные места – наоборот.

Необходимо, однако, отметить, что согласно закону Кирхгофа тело, сильнее поглощающее, должно и больше испускать только при условии, что сравнение производится при одинаковой температуре. Это условие соблюдено в описанном выше опыте с расписанным фарфором, отдельные части которого нагреты до одной температуры; то же имеет место и в ряде других аналогичных опытов: при накаливании платиновой пластинки, до половины покрытой платиновой чернью, черные части светятся гораздо ярче; капля фосфорнокислого натрия на платиновой проволочке остается темной, хотя проволочка ярко раскалена, ибо капля даже при высокой температуре остается прозрачной для видимых лучей, и т. д. Поэтому лишь кажущимся парадоксом является известный опыт, в котором в водородное пламя вводятся рядом куски извести и угля и известь оказывается гораздо более ярко раскаленной, чем уголь. Конечно, поглощательная, а следовательно, и испускательная способность угля гораздо больше, чем у извести для всех длин волн, и поэтому при равной температуре уголь будет светиться во всем спектральном интервале ярче, чем известь. Но в описанных условиях опыта температура угля оказывается гораздо ниже температуры извести. Причина лежит отчасти в химических процессах, сопровождающихся поглощением тепла, отчасти в том, что уголь именно в силу своей большой испускательной способности излучает много энергии во всем спектре, в том числе очень много и в инфракрасной области. Этот огромный непрерывный расход энергии и приводит к тому, что температура, до которой раскаляется уголь, оказывается значительно ниже, чем температура самого пламени или извести, не несущей таких больших потерь энергии, ибо ее испускательная способность селективна и, в частности, в инфракрасной части очень мала.

Чрезвычайно поучительный случай применения закона Кирхгофа был описан Вудом. Как известно, плавленый кварц, т. е. стеклообразная масса, изготовленная из чистых расплавленных кристаллов кварца, обладает хорошей прозрачностью в широком интервале длин волн. В соответствии с этим он плохо светится при накаливании. Вуду удалось приготовить тонкие столбики кварца, окрашенные ионами некоторых редких земель, например неодима, дающего ясные полосы поглощения; при нагревании такого кварца в пламени бунзеновской горелки можно было наблюдать прекрасный полосатый спектр, состоящий из красной, оранжевой и зеленой полос, разделенных темными промежутками. Области максимумов свечения соответствовали областям поглощения окрашенного кварца при температуре, близкой к температуре свечения. При достаточно высокой температуре, впрочем, и чистый плавленый кварц начинает заметно поглощать и испускать свет, так что при температуре около 1500° С кварц светится белым светом.

Рис. 1.5. Щетка из полированных иголок вследствие многократных отражений обладает большой поглощательной и испускательной способностью

Закон Кирхгофа имеет совершенно общее значение, независимое от механизма, обусловливающего поглощение: всякая сильно поглощающая система будет и сильно излучать, независимо от того, обусловлено ли сильное поглощение свойствами поверхности или устройством системы как целого. Так, например, щетка из стальных полированных иголок, расположенных, как показано на рис. 1.5, будет сильно поглощать свет, ибо луч, попавший между иголками, претерпит многократное отражение от разных иголок, прежде чем сможет выйти наружу. Таким образом, хотя поглощение поверхностью полированной иголки невелико, общее поглощение системы будет значительно, так как произойдет для каждого луча многократно. При нагревании такая система в согласии с законом Кирхгофа будет и сильно испускать, причем и здесь механизм значительного испускания связан с тем, что каждый участок поверхности иголки не только непосредственно излучает, но и отражает наружу многочисленные лучи, испускаемые другими участками.

На таком же принципе основано устройство тела, наиболее приближающегося по своим свойствам к абсолютно черному. Оно изготовляется в виде почти замкнутой полости (рис. 1.6), снабженной маленьким отверстием, диаметр которого не больше 1/10 поперечника полости, так что отверстие видно из точек стенки под телесным углом, не большим 0,01 ср. Излучение, проникающее через отверстие, падает на стенки полости, частично поглощается ими, частично рассеивается или отражается и вновь попадает на стенки. Вследствие малых размеров отверстия луч должен претерпеть много отражений и рассеяний, прежде чем он сможет выйти из отверстия обратно наружу. Повторные поглощения на стенках приводят к тому, что практически весь свет любой частоты поглощается такой полостью.

Рис. 1.6. Абсолютно черное тело

Поглощающая способность хорошо выполненного черного тела описанного устройства практически не отличается от единицы для любой длины волны. Согласно закону Кирхгофа и испускательная ее способность очень близка к , где Т означает температуру стенок полости. Во всех исследованиях с абсолютно черным телом пользуются именно описанным устройством, значительно превосходящим по своим характеристикам поверхность, покрытую платиновой чернью пли сажей. Следует, впрочем, отметить, что высокие поглощающие свойства этих материалов отчасти объясняются их пористостью, особенно для сажи, благодаря чему свет, попавший на них, испытывает несколько отражений, прежде чем получает возможность выйти из толщи материала. Таким образом, чернота сажи особенно повышается благодаря ее пористости. Этим же объясняется насыщенный цвет бархата или вообще тканей с длинным ворсом, в противоположность белесоватому тону гладких тканей, отражающих разные длины волн; насыщенный цвет реющих знамен, драпировок, ниспадающих глубокими складками, и т. д.