Фізика оптичного зв’язку. Лекція №6: Квантова природа теплового випромінювання. Закон Кірхгофа

Flashcards based on the lecture about the quantum nature of thermal radiation, covering Kirchhoff's law, Stefan-Boltzmann law, Wien's displacement law, and Planck's formula.

Що таке теплове (температурне) випромінювання?

Випромінювання, збудження якого здійснюється за рахунок теплового руху атомів та молекул речовини.

Яке випромінювання називають люмінесценцією?

Випромінювання речовини, яке виникає внаслідок збудження її різними зовнішніми чинниками, окрім тепла (нерівноважне випромінювання).

Як називаються види люмінесценції залежно від способу збудження (наведіть 5 прикладів)?

Фотолюмінесценція (світлом), електролюмінесценція (струмом), катодолюмінесценція (електронами), хемолюмінесценція (хімічними реакціями), біолюмінесценція (у живих організмах).

Що таке енергетична світність тіла $R_e$?

Потік енергії, який випускається одиницею площі поверхні тіла, що випромінює у всіх напрямках у межах тілесного кута $2\pi$.

Дайте визначення випромінювальної здатності тіла $r_\omega$.

Величина, що визначає потік енергії $dR_\omega$, який випромінюється одиницею поверхні тіла в інтервалі частот $d\omega$, за формулою $dR_\omega = r_\omega d\omega$.

Яка формула описує зв'язок енергетичної світності з випромінювальною здатністю?

$R_{e} = \int_{0}^{\infty} r_{\omega,T} d\omega$.

Що таке поглинальна здатність тіла $a_{\omega,T}$?

Безрозмірна величина, яка показує, яка частина падаючого потоку променевої енергії певного спектрального складу поглинається тілом.

Як формулюється закон Кірхгофа?

Відношення випромінювальної здатності тіла до його поглинальної здатності не залежить від природи тіла і є універсальною функцією частоти і температури: $\frac{r_{\omega,T}}{a_{\omega,T}} = f(\omega, T)$.

Яке тіло називають абсолютно чорним тілом?

Тіло, яке повністю поглинає випромінювання всіх частот при будь-якій температурі, тобто $a_{\omega,T} = 1$.

Які тіла називають сірими?

Тіла, для яких поглинальна здатність менша за одиницю і є постійною для всіх частот: $a_{\omega,T} = a_T = \text{const} < 1$.

Що є найкращим експериментальним наближенням до абсолютно чорного тіла?

Замкнута порожнина з невеликим отвором, стінки якої підтримуються при сталій температурі.

Як формулюється закон Стефана-Больцмана для абсолютно чорного тіла?

Енергетична світність абсолютно чорного тіла пропорційна четвертій степені абсолютної температури: $R_e = \sigma T^4$.

Чому дорівнює стала Стефана-Больцмана $\sigma$?

$\sigma = 5.7 \times 10^{-8} \, \text{Вт/(м}^2\text{K}^4\text{)}$.

Як формулюється закон зміщення Віна?

Довжина хвилі $\lambda_m$, на яку припадає максимум випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла, обернено пропорційна його абсолютній температурі: $\lambda_m T = b$, де $b = 2.898 \times 10^{7} \, \text{\AA} \cdot \text{K}$.

Як формулюється другий закон Віна?

Максимум випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла прямо пропорційний температурі в п’ятій степені: $r_{\lambda, m} = c' T^5$, де $c' = 1.3 \times 10^{-5} \, \text{Вт/(м}^3\text{K}^5\text{)}$.

Що таке колірна температура?

Температура абсолютно чорного тіла, при якій воно випускає випромінювання з тією ж хроматичністю (кольором), що і дане джерело світла.

Як виглядає формула Релея-Джинса?

$f(\omega, T) = \frac{\omega^2}{4\pi^2 c^2} kT$. Формула базується на класичному розподілі енергії за ступенями вільності.

Що таке «ультрафіолетова катастрофа»?

Розбіжність між класичною теорією (формулою Релея-Джинса) та експериментом, згідно з якою енергетична світність абсолютно чорного тіла має бути нескінченною.

Яку гіпотезу висунув Макс Планк у 1900 році?

Що електромагнітне випромінювання випускається окремими порціями — квантами, енергія яких пропорційна частоті: $E = \hbar\omega$ або $E = h\nu$.

Які значення сталих Планка $h$ та $\hbar$, наведені в лекції?

$h = 6.626 \times 10^{-34} \, \text{Дж} \cdot \text{с}$ та $\hbar = 1.054 \times 10^{-34} \, \text{Дж} \cdot \text{с}$.

Як виглядає формула Планка для випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла?

$f(\omega, T) = \frac{\hbar \omega^3}{4\pi^2 c^2} \cdot \frac{1}{e^{\hbar\omega/kT} - 1}$.

Що таке оптичні пірометри?

Прилади для безконтактного визначення високих температур розжарених тіл на основі законів теплового випромінювання.