Пропуская излучение какого-либо тела через прибор, осуществляющий его разложение в спектр, можно судить о присутствии в излучении волн той или иной длины, а также оценивать распределение энергии по участкам спектра. Такие спектры называют спектрами испускания. При этом оказывается, что пары и газы (особенно одноатомные) при их нагревании или при электрическом разряде дают (при низких давлениях, когда взаимодействие атомов практически незаметно) линейчатые спектры, состоящие из относительно узких «линий», т. е. узких частотных интервалов, где интенсивность излучения значительна. Так, водород дает в видимой части спектра пять линий, натрий — одну (желтую) линию. При использовании спектральной аппаратуры высокого разрешения у ряда линий обнаруживается сложная структура. При увеличении давления, когда сказывается взаимодействие атомов друг с другом, а также при сложном строении молекул получаются более широкие линии, переходящие в целые относительно широкие полосы сложного строения (полосатые спектры). Такие полосатые спектры, в частности, наблюдаются у жидкостей. Наконец, твердые тела при нагревании дают практически сплошные спектры, однако распределение интенсивности по спектру у разных тел различно.
Спектральный состав излучения зависит также от температуры тел. Чем выше температура, тем (при прочих равных условиях) больше преобладают высокие частоты. Так, по мере увеличения температуры спирали лампы накаливания, при изменений протекающего по ней тока цвет спирали меняется: сначала нить слабо светится красным светом, затем видимое излучение становится более интенсивным и коротковолновым - преобладает желто-зеленая часть спектра. Но, как это выяснится в дальнейшем, и в этом случае большая часть излучаемой энергии соответствует невидимому инфракрасному диапазону.
Если излучение со сплошным спектром пропустить через слой вещества, то возникает частичное поглощение, в результате чего на сплошном спектре излучения получаются линии с минимумом интенсивности. В видимой части спектра они по контрасту кажутся темными полосами (или линиями); такие спектры называют спектрами поглощения. Так, солнечный спектр, перерезанный системой тонких темных линий (линии Фраунгофера), является спектром поглощения; оно происходит в атмосфере Солнца.
Изучение спектров показывает, что с изменением температуры тела меняется не только испускание света, но и его поглощение. При этом было обнаружено, что хорошо излучающие тела обладают и большим поглощением (Прево), а поглощенные частоты совпадают сиспускаемыми (Кирхгоф). Здесь не принимаются во внимание явления, связанные с преобразованием частоты (люминесценция, эффект Комптона, комбинационное рассеяние), обычно играющие незначительную роль.
Особый интерес у физиков XIX в. вызывало излучение нагретых тел. Дело в том, что при электрическом разряде, при некоторых химических реакциях (хемилюминесценция), при обычной люминесценции требуется непрерывная затрата энергии, за счет которой и возникает излучение, т. е. процесс является неравновесным.
Излучение же нагретого тела при определенных условиях может быть равновесным, так как излучаемая энергия может поглощаться. В XIX в. термодинамика была разработана лишь для равновесных процессов; поэтому можно было надеяться на создание лишь теории излучения нагретого тела.
Итак, представим себе тело, имеющее внутри полость с зеркальными (т. е. полностью отражающими излучение любой частоты) стенками. Пусть в эту полость помещены два произвольных тела, дающих сплошной спектр излучения; их температура сначала может быть различной. Они будут обмениваться энергией излучения до тех пор, пока не установится равновесное состояние: энергия, поглощаемая в единицу времени элементом поверхности каждого тела, будет равна энергии, излучаемой тем же элементом. При этом вся полость заполнится излучением всевозможных частот. По мысли русского физика Б. Б. Голицына, этому излучению следует приписать ту же температуру, какая установится у излучающих тел после достижения равновесного состояния.
Для количественного описания введем функцию распределения е(ν,Т), называемую лучеиспускательной способностью тела. Произведение edν, где dν — бесконечно малый интервал частот (около частоты ν), дает энергию, испускаемую единицей поверхности тела в единицу времени в частотном интервале (ν, ν+dν).
Далее назовем поглощательной способностью тела функцию а(ν,Т), определяющую отношение энергии, поглощаемой элементом поверхности тела, к падающей на него энергии, заключенной в частотном интервале (v, ν+dν).
Таким же образом можно определить и отражательную способность r(ν, Т) как отношение отражаемой энергии в интервале частот (ν, v+dν) к энергии падающей.
Идеализированные зеркальные стенки обладают отражательной способностью, равной единице во всей области частот — от самых малых до произвольно больших.
Допустим, что наступило состояние равновесия, при этом первое тело в единицу времени излучает с каждой единицы поверхности мощность
Если на эту единичную поверхность приходит из полости излучение, Описываемое функцией Ɛ(v, T)dv, то часть энергии, определяемая произведением a1(v,T) Ɛ(v,T)dv, будет поглощена, остальное излучение отразится. В то же время единицей поверхности второго тела излучается мощность e2(v, T)dv, а поглощается a2(v,T)Ɛ(v,T)dv.
Отсюда следует, что при равновесии выполняется условие:
Его можно представить в виде
(11.1)
Эта запись подчеркивает, что отношение лучеиспускательной способности любого тела к его поглощательной способности при данной температуре в некотором узком интервале частот есть величина постоянная для всех тел. Эта постоянная величина равна лучеиспускательной способности так называемого черного тела (т. е. тела с поглощательной способностью, равной единице во всей мыслимой области частот).
Этим черным телом оказывается рассматриваемая нами полость. Поэтому, если сделать в стенке тела с полостью весьма малое отверстие, заметно не нарушающее теплового равновесия, то слабый поток излучения из этого отверстия будет характерен для излучения черного тела. В то же время ясно, что излучение, попадающее через такое отверстие внутрь полости, имеет ничтожно малую вероятность выйти обратно, т. е. полость обладает-полным поглощением, как это и должно быть у черного тела. Можно показать, что наши рассуждения сохраняют справедливость и при замене зеркальных стенок стенками с меньшей отражательной способностью; вместо двух тел можно взять несколько или одно или просто рассматривать излучение стенок самой полости (если они не зеркальны). Закон, выражаемый формулой (11.1), называют законом Кирхгофа. Из закона Кирхгофа следует, что если бы была известна функция Ɛ(v, Т), характеризующая излучение черного тела, то излучение любого другого тела можно было бы определить, измерив его поглощательную способность.
Отметим, что небольшое отверстие в стенке, например, муфельной печи при комнатной температуре кажется черным, так как, поглощая все попадающее-в полость излучение, полость почти не излучает, будучи холодной. Но при нагреве стенок печи отверстие кажется яркосветящимся, так как поток «черного» излучения, выходящий из него при высокой температуре (900 К и выше), достаточно интенсивен. По мере роста температуры интенсивность растет и красное вначале излучение воспринимается желтым, а затем — белым.
Если в полости имеется, например, чашка из белого фарфора с темным узором, то внутри горячей печи узор не будет заметен, так как его собственное излучение вместе с отраженным совпадает по составу с излучением, заполняющим полость. Если быстро вынести чашку наружу, в светлую комнату, то сначала темный узор светится ярче белого фона. После охлаждения, когда собственное излучение чашки становится исчезающе малым, в свете, заполняющем комнату, снова получается темный узор на белом фоне.