§ 179. Излучение накаленных тел. Абсолютно черное тело

Сформулированный в предыдущем параграфе закон Кирхгофа представляет частный случай более общего закона Кирхгофа, согласно которому испускательная способность нагретых тел пропорциональна их поглощательной способности при той же температуре. Так, например, нагрев до одной и той же температуры пластинки металла, окрашенные белой и черной краской, мы обнаружим, что черная пластинка излучает с каждого квадратного сантиметра больше, чем белая. В удобной форме этот опыт можно выполнить, налив горячую воду в жестяный куб, одни грани которого окрашены в черный, а другие в белый цвет. Различие в излучении можно установить, приближая к этим граням руку или щеку, или используя какой-нибудь более удобный приемник тепла, например газовый термометр (см. том I, § 235). Сделав резервуар этого термометра в виде плоской коробки, одна поверхность которой выкрашена в черный, а другая в белый цвет, мы может на том же приборе убедиться, что черная поверхность лучше поглощает излучение, чем белая.

Проверка закона Кирхгофа в описанных выше опытах относится к суммарному излучению, представляющему совокупность всевозможных длин волн. Более тонкими опытами можно убедиться в справедливости этого закона и для узких спектральных участков. Опыты показывают, что раскаленное тело испускает лишь волны такой длины, какой оно способно при той же температуре поглощать.

Простой опыт с газовой горелкой может качественно иллюстрировать этот закон. «Бесцветное» пламя газовой горелки потому и является бесцветным, слабо светящимся, что вещества, сильно нагретые в этом пламени (пар воды, окись углерода , углекислота ), очень слабо поглощают, а потому и слабо испускают видимые лучи света.

Но если в бесцветное пламя внести крупинку поваренной соли {хлористого натрия ), то пламя сразу становится ярко-желтым, ибо в нем появляется нагретый пар натрия, хорошо поглощающий и в связи с этим хорошо испускающий волны, соответствующие желтому цвету. Вводя в бесцветное пламя горелки различные другие элементы, мы можем наблюдать окрашивание его в тот или иной цвет, в соответствии с законом Кирхгофа. Уменьшив доступ воздуха в горелку, мы получим яркое пламя, ибо при этом углерод, входящий в состав светильного газа, не успеет полностью окислиться, а останется в виде тонких пылинок угля, хорошо поглощающего, а потому и хорошо испускающего все возможные длины волн, которые в совокупности дают белый свет.

Указание, что испускательная и поглощательная способности должны относиться к одной и той же температуре, очень важно, ибо способность вещества поглощать и испускать, может сильно зависеть от температуры. Так, палочка плавленого кварца совершенно бесцветна и, следовательно, не поглощает видимых лучей. Казалось бы на основании закона Кирхгофа, что эта палочка не может испускать видимый свет, как бы сильно мы ее ни нагревали. Однако опыт показывает, что при температуре около  палочка плавленого кварца ярко светится, не уступая раскаленной добела платиновой проволоке. Причина лежит, конечно, не в нарушении закона Кирхгофа, а в том, что плавленый кварц при температуре около  поглощает видимый свет почти так же хорошо, как и металл, т. е. практически совсем непрозрачен для видимых лучей, тогда как при комнатной температуре он вполне прозрачен.

Так как согласно закону Кирхгофа испускание нагретых тел пропорционально их поглощательной способности, то наибольшим испусканием при данной температуре будет обладать тело, которое имеет максимальный коэффициент поглощения. Согласно §§76 и 166 максимальное значение коэффициента поглощения разно единице. В этом случае тело полностью поглощает все падающее на него излучение. Если коэффициент поглощения равен единице для всех длин волн, то такое тело называют абсолютно черным телом. Абсолютно черное тело излучает в любой области спектра больше энергии, чем всякое другое тело, имеющее ту же температуру. Для довольно большой области спектра — от инфракрасного до ультрафиолетового излучения свойствами абсолютно черного тела обладает поверхность, покрытая слоем копоти, а еще лучше полость, закопченная изнутри и имеющая небольшое отверстие (ср. § 170).