Файл: Козелкин В.В. Основы инфракрасной техники учебник.pdf

Это понятие обычно применяют в различных фотохимических процессах и, в частности, в фотографии, где реакция чувстви­ тельной эмульсии зависит от величины потока излучения иа еди­ ницу поверхности (облученности) и времени его действия.

Количество облучения измеряется в Вт-с/см2 или Дж/м2.

I. Закон Ламберта

Если лучистость В поверхности источника излучения во всех направлениях одинакова и не зависит от направления излучения, то в этом случае выполняется закон Ламберта, или закон коси­ нуса, по которому сила излучения поверх­ ности пропорциональна косинусу угла из­

лучения а:

где /0 — сила излучения в направлении, перпендикулярном поверхности; а — угол между рассматриваемым направлением и перпендикуляром к поверхности.

Распределение силы излучения пока­ зано на рис. 1.8; кривая распределения представляет окружность, касающуюся светящейся поверхности.

Закон Ламберта строго выполняется только для абсолютно черного тела и идеально рассеивающих или идеально матовых поверхностей. Для поверхностей, подчиняющихся закону Лам­ берта, плотность излучения поверхности равна ее лучистости, умноженной на я:

2. Связь между энергетическими

исветотехническими единицами измерений

Втабл. 1.3 приведены энергетические и световые единицы измерения. В ряде случаев один и тот же лучистый поток, моно­ хроматический или сложного состава, может быть выражен как поток энергии (в ваттах) или как световой поток (в люменах). Представляет интерес установить соотношение, позволяющее

переходить от одних величин к другим.

Если измерить лучистый поток на какой-то определенной дли­

получим величину V\ , называемую коэффициентом видности, или световой отдачей излучения для длины волны Я. Величина

14

стремится к нулю на границах видимого участка спектра и до­ стигает максимума Ушах при длине волны Л, = 0,555 мкм.

Таблица 1.3

Энергетические и световые единицы измерения

Единицы измерения

* 1 ит=10-4 сб.

Отношение коэффициента видности для длины волны X к максимальному значению этого коэффициента Утах называется

коэффициентом относительной видности Кх для длины волны X:

v шах

Удобным способом изображения характеристик видимости глаза является построение кривой относительной видности, для чего по оси ординат откладывают значения Кх, а по оси абс­ цисс — X (рис. 1.9). Кривая относительной видности имеет мак­ симум, условно принятый за единицу, при Х = 0,555 мкм.

15

Абсолютные значения коэффициента видности можно по­ лучить, умножая значения ординат кривой относительной вид­

ности на КщахВеличина, обратная Ктах, называется механическим эквива­

§ 1.3. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ

Как указывалось в § 1.2, излучение лучистой энергии проис­ ходит в результате колебательных и вращательных движений молекул тела, а также при переходе электронов внешней орби­ ты атомов с одного энергетического уровня на другой. Любое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля, непрерывно излучает лучистую энергию.

Излучательной способностью тела г\ называется количество энергии с определенной длины волны, излучаемое с единицы поверхности тела в единицу времени при температуре Т во всех

16

верхность тела лучистой энергии с определенной длиной волны Я поглощается им при температуре Т.

При падении лучистого потока на тело часть его может прой­ ти через тело, некоторая часть потока отразится, а оставшаяся часть поглощается, переходя в тепло, вызывающее увеличение температуры тела. Если какое-либо тело полностью поглощает все падающее на него излучение любой длины волны, т. е. если

уэтого тела а;. = 1, то его называют абсолютно черным.

Вприроде не существует тел, имеющих свойства абсолютно черного тела для всех длин волны. Даже такие черные на вид поверхности, как покрытые слоем сажи или платиновой черни, имеют поглощательную спо­ собность а\, близкую к единице лишь в огра­ ниченном спектральном диапазоне; в длинно­ волновой инфракрасной области спектра их поглощательная способность становится за­ метно меньше единицы. Можно, однако, искус­ ственно создать модель абсолютно черного тела с очень высокой степенью приближения.

полости проделывают отверстие, очень малое по сравнению с ее размерами (рис. 1.10). Поток лучистой энергии, попавший через отверстие внутрь полости, испытывает внутри большое число от­ ражений. Этот поток, теряя при каждом отражении часть энер­ гии. почти полностью поглощается, так как выйти из полости через малое отверстие может только ничтожная его часть. При нагреве полости ее отверстие будет являться «черным» излуча­ телем, т. е. вести себя как абсолютно черное тело, имеющее пло­ щадь, равную площади отверстия.

Излучение абсолютно черного тела рассчитывается теорети­ чески и подчиняется ряду законов. И хотя абсолютно черного тела в природе не существует, знание законов его излучения дает возможность изучать закономерности излучения любых нагретых тел.

1. Закон Кирхгофа

Закон Кирхгофа устанавливает связь между излучательной (о.) и поглощательной (а>.) способностями тел. Этот закон, выведенный немецким физиком Густавом Кирхгофом в 1860 г., формулируется следующим образом: отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности при данной температуре и данной длине волны есть величина посто­

янная, не зависящая от природы телал___

Vr>r F-VC ' ТТ— —

БИБЛИОТЕКА >. |

«X.,iepii

где гХчерн — излучательная способность абсолютно черного тела; йхчерн— поглощательная способность абсолютно черного тела.

аХ

Уравнение (1.25) связывает излучение реальных тел с излу­ чением абсолютно черного тела. Из этого уравнения следует, что излучательная способность любого тела равна произведению его поглощательной способности на излучательную способность аб­ солютно черного тела:

Из выражения (1.26) видно, что излучательная способность тела тем больше, чем выше его поглощательная способность. Так как для абсолютно черного тела поглощательная способ­ ность является наибольшей (охчсрн=1), то оно при данной тем­ пературе излучает максимальное количество энергии.

Закон Кирхгофа справедлив не только для монохроматиче­ ского, но и для интегрального излучения при данной темпера­ туре, т. е.

2.Закон Стефана — Больцмана

В1879 г. РТозеф Стефан, изучая результаты экспериментов с нагретыми телами, установил, что интегральная излучательная способность тел пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры их нагрева.

В1884 г. Людвиг Больцман теоретически показал, что пред­ ложение Й. Стефана справедливо только для абсолютно чер­ ного тела.

Закон Стефана — Больцмана формулируется следующим об­ разом: интегральная плотность излучения абсолютно черного те­ ла пропорциональна четвертой степени его абсолютной темпе­ ратуры:

где сг = 5,67-10—12 Вт/(см2-град4) — постоянная излучения;

18