ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3–20
ИЗМЕРЕНИЕ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР С ПОМОЩЬЮ ОПТИЧЕСКОГО ПИРОМЕТРА

Приборы и принадлежности: пирометр с источником питания, кинолампа с регулируемым источником питания, амперметр, вольтметр.

Цель работы: изучение законов излучения черного тела и измерение температур с помощью оптического пирометра.

1. Краткая теория

Тепловое излучение является равновесным излучением, т.е. таким излучением, которое находится в состоянии термодинамического равновесия с веществом при данной температуре. При изучении теплового излучения в физике впервые обнаружились его квантовые свойства.

Рассмотрим поток равновесного излучения через единицу площади поверхности тела. Обозначим dR₁ и dR₂ соответственно приходящий и уходящий потоки в интервале от λ до λ+dλ, а dR_r, dR_a, dR0 соответственно излученный, поглощенный и отраженный потоки. Тогда dR₁ = dR_r + dR₀, dR₂=dR_a+dR₀.

В условиях термодинамического равновесия должно соблюдаться равенство dR₁ = dR₂ для любого интервала длин волн.

Следовательно, dR_r = dR_a. Разделив почленно это равенство на dR₁ dλ, получим

Здесь – спектральная плотность энергетической светимости (испускательная способность) тела, – поглощательная способность тела. Величина dR₁ / dλ есть испускательная способность тела, для которого a_λ = 1. Для такого тела dR₀ = 0, т.е. излучение полностью поглощается. Это тело называется абсолютно черным телом.Обозначим испускательную способность черного тела r_λ, тогда равенство (20-1) примет вид

Оно выражает закон Кирхгофа: отношение испускательной способности к поглощательной способности для любого тела в условиях термодинамического равновесия есть величина постоянная и равная испускательной способности черного тела при данной температуре. Таким образом, испускательная способность черного тела есть некоторая универсальная функция только температуры и длины волны, не зависящая от его конкретных физических свойств. В рамках классической физики эта функция была получена на основе представлений о непрерывном характере испускания и поглощения света и о равномерном распределении энергии по степеням свободы в виде формулы Рэлея–Джинса

Отсюда следует, что с ростом частоты (λ→0) r_λ неограниченно возрастает. Но это означает, что энергетическая светимость черного тела тоже возрастает до бесконечности. Таким образом, формула Рэлея–Джинса приводит к утверждению, что термодинамическое равновесие может наступить только при условии, что вся тепловая энергия тела перейдет в излучение, но это находится в явном противоречии с экспериментом.