Fórmula de luminosidad energética. Luminosidad energética del cuerpo.

Radiación termal Se llaman ondas electromagnéticas emitidas por los átomos, las cuales se excitan debido a la energía de su movimiento térmico. Si la radiación está en equilibrio con la materia, se llama Radiación térmica en equilibrio.

Todos los cuerpos a una temperatura T > 0 K emiten ondas electromagnéticas. Los gases monoatómicos enrarecidos dan espectros de emisión lineales, los gases y líquidos poliatómicos dan espectros rayados, es decir, regiones con un conjunto casi continuo de longitudes de onda. Los sólidos emiten espectros continuos que consisten en todas las longitudes de onda posibles. El ojo humano ve radiación en un rango limitado de longitudes de onda de aproximadamente 400 a 700 nm. Para que una persona pueda ver la radiación corporal, la temperatura corporal debe ser de al menos 700 o C.

La radiación térmica se caracteriza por las siguientes cantidades:

W.- energía de radiación (en J);

(J/(s.m 2) - luminosidad energética (D.S.- área radiante

superficie). Luminosidad energética R- en el sentido de -

es la energía emitida por unidad de área por unidad

tiempo para todas las longitudes de onda yo de 0 a .

Además de estas características, llamadas integrales, también utilizan características espectrales, que tienen en cuenta la cantidad de energía emitida por intervalo unitario de longitud de onda o intervalo unitario

absortividad (coeficiente de absorción) es la relación entre el flujo de luz absorbido y el flujo incidente, tomado en un pequeño rango de longitudes de onda cercanas a una longitud de onda determinada.

La densidad espectral de la luminosidad de la energía es numéricamente igual a la potencia de radiación por unidad de superficie de este cuerpo en un intervalo de frecuencia de unidad de ancho.

Radiación térmica y su naturaleza. Desastre ultravioleta. Curva de distribución de radiación térmica. La hipótesis de Planck.

RADIACIÓN TÉRMICA (radiación de temperatura) - el-magn. Radiación emitida por una sustancia y que surge debido a su interior. energía (a diferencia, por ejemplo, de la luminiscencia, que es excitada por fuentes de energía externas). T. y. tiene un espectro continuo, cuya posición del máximo depende de la temperatura de la sustancia. A medida que aumenta, la energía total de la radiación térmica emitida aumenta y el máximo se mueve hacia la región de longitudes de onda cortas. T. y. emite, por ejemplo, la superficie del metal caliente, la atmósfera terrestre, etc.

T. y. surge en condiciones de equilibrio detallado en una sustancia (ver Principio de equilibrio detallado) para todos los no radiantes. procesos, es decir, para descomposición. tipos de colisiones de partículas en gases y plasmas, para el intercambio de energías electrónicas y vibratorias. movimientos en sólidos, etc. El estado de equilibrio de la materia en cada punto del espacio es el estado de termodinámica local. Equilibrio (LTE): en este caso, se caracteriza por el valor de la temperatura, del cual depende la temperatura. en este punto.

En el caso general de sistemas de cuerpos, para los cuales sólo se realiza LTE y descomposición. los puntos de corte tienen diferentes temperaturas, T. y. no está en estado termodinámico. equilibrio con la materia. Los cuerpos más calientes emiten más de lo que absorben y los cuerpos más fríos hacen lo contrario. Hay una transferencia de radiación de los cuerpos más calientes a los más fríos. Para mantener un estado estacionario en el que se mantiene la distribución de temperatura en el sistema, es necesario compensar la pérdida de energía térmica con un cuerpo radiante más caliente y eliminarla del cuerpo más frío.

En plena termodinámica En equilibrio, todas las partes de un sistema de cuerpos tienen la misma temperatura y la energía de la energía térmica emitida por cada cuerpo se compensa con la energía de la energía térmica absorbida por este cuerpo. otros teléfonos En este caso también se produce un equilibrio detallado para los radiadores. transiciones, T. y. esta en termodinamica equilibrio con la sustancia y se llama la radiación es equilibrio (la radiación de un cuerpo absolutamente negro es equilibrio). El espectro de radiación en equilibrio no depende de la naturaleza de la sustancia y está determinado por la ley de radiación de Planck.

Para T. y. Para los cuerpos no negros, es válida la ley de radiación de Kirchhoff, que los conecta para emitir. y absorber. habilidades con emitir. la capacidad de un cuerpo completamente negro.

En presencia de LTE, aplicando las leyes de radiación de Kirchhoff y Planck a la emisión y absorción de T. y. en gases y plasmas, es posible estudiar los procesos de transferencia de radiación. Esta consideración se utiliza ampliamente en astrofísica, en particular en la teoría de las atmósferas estelares.

Desastre ultravioleta- término físico que describe la paradoja de la física clásica, que consiste en el hecho de que la potencia total de radiación térmica de cualquier cuerpo calentado debe ser infinita. La paradoja debe su nombre a que la densidad de energía espectral de la radiación debería haber aumentado indefinidamente a medida que se acortaba la longitud de onda.

En esencia, esta paradoja mostró, si no la inconsistencia interna de la física clásica, al menos una discrepancia extremadamente aguda (absurda) con las observaciones y experimentos elementales.

Como esto no concuerda con la observación experimental, a finales del siglo XIX surgieron dificultades para describir las características fotométricas de los cuerpos.

El problema fue resuelto por la teoría cuántica de la radiación de Max Planck en 1900.

La hipótesis de Planck es una hipótesis propuesta el 14 de diciembre de 1900 por Max Planck, que establece que durante la radiación térmica la energía se emite y absorbe no de forma continua, sino en cuantos (porciones) separados. Cada una de estas porciones cuánticas tiene una energía proporcional a la frecuencia ν de la radiación:

donde ho es el coeficiente de proporcionalidad, más tarde llamado constante de Planck. Partiendo de esta hipótesis, propuso una derivación teórica de la relación entre la temperatura de un cuerpo y la radiación emitida por este cuerpo: la fórmula de Planck.

La hipótesis de Planck fue posteriormente confirmada experimentalmente.

La densidad espectral de la luminosidad de la energía (brillo) es una función que muestra la distribución de la luminosidad de la energía (brillo) en todo el espectro de radiación.
Significa que:
La luminosidad energética es la densidad de flujo superficial de energía emitida por una superficie.
El brillo energético es la cantidad de flujo emitido por unidad de área por unidad de ángulo sólido en una dirección determinada.

Cuerpo absolutamente negro- una idealización física utilizada en termodinámica, un cuerpo que absorbe toda la radiación electromagnética que incide sobre él en todos los rangos y no refleja nada. A pesar del nombre, un cuerpo completamente negro puede emitir radiación electromagnética de cualquier frecuencia y tener color visualmente. El espectro de radiación de un cuerpo absolutamente negro está determinado únicamente por su temperatura.

Cuerpo negro puro

Cuerpo negro puro- esta es una abstracción física (modelo), que se entiende como un cuerpo que absorbe completamente toda la radiación electromagnética que incide sobre él.

Para un cuerpo completamente negro

Cuerpo gris

Cuerpo gris- este es un cuerpo cuyo coeficiente de absorción no depende de la frecuencia, sino que depende únicamente de la temperatura

- para cuerpo gris

Ley de Kirchhoff para la radiación térmica.

La relación entre la emisividad de cualquier cuerpo y su capacidad de absorción es la misma para todos los cuerpos a una temperatura determinada para una frecuencia determinada y no depende de su forma ni de su naturaleza química.

Dependencia de la temperatura de la densidad espectral de la luminosidad energética de un cuerpo absolutamente negro

La dependencia de la densidad de energía de radiación espectral L (T) de un cuerpo negro de la temperatura T en el rango de radiación de microondas se establece para el rango de temperatura de 6300 a 100000 K.

Ley de desplazamiento de Viena Da la dependencia de la longitud de onda en la que el flujo de radiación energética del cuerpo negro alcanza su máximo de la temperatura del cuerpo negro.

B=2,90*m*K

ley de stefan-boltzmann

Fórmula Rayleigh-jeans

la fórmula de planck

barra constante

efecto foto- se trata de la emisión de electrones por una sustancia bajo la influencia de la luz (y, en general, de cualquier radiación electromagnética). En las sustancias condensadas (sólidas y líquidas) existe un efecto fotoeléctrico externo e interno.

Leyes del efecto fotoeléctrico.:

Formulación 1ra ley del efecto fotoeléctrico: El número de electrones emitidos por la luz desde la superficie de un metal por unidad de tiempo a una frecuencia dada es directamente proporcional al flujo de luz que ilumina el metal..

De acuerdo a 2da ley del efecto fotoeléctrico, La energía cinética máxima de los electrones expulsados ​​por la luz aumenta linealmente con la frecuencia de la luz y no depende de su intensidad..

3ra ley del efecto fotoeléctrico: para cada sustancia existe un límite rojo del efecto fotoeléctrico, es decir, la frecuencia mínima de la luz (o longitud de onda máxima λ 0) a la que el efecto fotoeléctrico todavía es posible, y si , entonces el efecto fotoeléctrico ya no ocurre.

Fotón- una partícula elemental, un cuanto de radiación electromagnética (en el sentido estricto de luz). Es una partícula sin masa que sólo puede existir moviéndose a la velocidad de la luz. La carga eléctrica de un fotón también es cero.

La ecuación de Einstein para el efecto fotoeléctrico externo.

Célula fotoeléctrica- un dispositivo electrónico que convierte la energía de los fotones en energía eléctrica. La primera fotocélula basada en el efecto fotoeléctrico externo fue creada por Alexander Stoletov a finales del siglo XIX.

energía, masa y momento del fotón

Presión ligera es la presión producida por ondas de luz electromagnéticas que inciden sobre la superficie de un cuerpo.

La presión p ejercida por la onda sobre la superficie del metal podría calcularse como la relación entre las fuerzas de Lorentz resultantes que actúan sobre los electrones libres en la capa superficial del metal y el área de la superficie del metal:

La teoría cuántica de la luz explica presión ligera como resultado de que los fotones transfieran su impulso a átomos o moléculas de materia.

efecto compton(Efecto Compton): el fenómeno de cambiar la longitud de onda de la radiación electromagnética debido a la dispersión elástica de los electrones.

Longitud de onda Compton

La conjetura de De Broglie Es que el físico francés Louis de Broglie propuso la idea de atribuir propiedades ondulatorias al electrón. Haciendo una analogía entre un cuanto, de Broglie sugirió que el movimiento de un electrón o cualquier otra partícula con masa en reposo está asociado con un proceso ondulatorio.

La conjetura de De Broglie establece que una partícula en movimiento con energía E y momento p corresponde a un proceso ondulatorio cuya frecuencia es igual a:

y longitud de onda:

donde p es el momento de la partícula en movimiento.

Experimento de Davisson-Germer- un experimento físico sobre difracción de electrones realizado en 1927 por los científicos estadounidenses Clinton Davisson y Lester Germer.

Se llevó a cabo un estudio sobre la reflexión de electrones en un monocristal de níquel. La configuración incluía un solo cristal de níquel, rectificado en ángulo y montado en un soporte. Se dirigió un haz de electrones monocromáticos perpendicularmente al plano de la sección pulida. La velocidad del electrón estaba determinada por el voltaje en el cañón de electrones:

Se instaló una copa de Faraday en ángulo con respecto al haz de electrones incidente, conectada a un galvanómetro sensible. A partir de las lecturas del galvanómetro, se determinó la intensidad del haz de electrones reflejado en el cristal. Toda la instalación estaba al vacío.

En los experimentos se midió la intensidad del haz de electrones dispersado por el cristal en función del ángulo de dispersión. desde el ángulo azimutal , sobre la velocidad de los electrones en el haz.

Los experimentos han demostrado que existe una marcada selectividad en la dispersión de electrones. En diferentes ángulos y velocidades, se observan máximos y mínimos de intensidad en los rayos reflejados. Condición máxima:

Aquí está la distancia interplanar.

Así, se observó difracción de electrones en la red cristalina de un solo cristal. El experimento fue una brillante confirmación de la existencia de propiedades ondulatorias en las micropartículas.

Función de onda, o función psi- una función de valor complejo utilizada en mecánica cuántica para describir el estado puro de un sistema. ¿Es el coeficiente de expansión del vector de estado sobre una base (generalmente de coordenadas):

donde es el vector base de coordenadas y es la función de onda en representación de coordenadas.

El significado físico de la función de onda es que, según la interpretación de Copenhague de la mecánica cuántica, la densidad de probabilidad de encontrar una partícula en un punto dado del espacio en un momento dado en el tiempo se considera igual al cuadrado del valor absoluto de la función de onda de este estado en representación de coordenadas.

Principio de incertidumbre de Heisenberg(o Heisenberg) en mecánica cuántica: una desigualdad fundamental (relación de incertidumbre) que establece el límite de precisión para la determinación simultánea de un par de observables físicos que caracterizan un sistema cuántico (ver cantidad física), descrito por operadores que no conmutan (por ejemplo, coordenadas y impulso, corriente y voltaje, campo eléctrico y magnético). La relación de incertidumbre [* 1] establece un límite inferior para el producto de las desviaciones estándar de un par de observables cuánticos. El principio de incertidumbre, descubierto por Werner Heisenberg en 1927, es una de las piedras angulares de la mecánica cuántica.

Definición Si hay varias (muchas) copias idénticas del sistema en un estado dado, entonces los valores medidos de las coordenadas y el impulso obedecerán a una determinada distribución de probabilidad; este es un postulado fundamental de la mecánica cuántica. Midiendo el valor de la desviación estándar de la coordenada y la desviación estándar del impulso encontraremos que:

ecuación de Schrödinger

Pozo potencial– una región del espacio donde existe un mínimo local de energía potencial de una partícula.

Efecto túnel, tunelización- superar una barrera potencial mediante una micropartícula en el caso de que su energía total (que permanece sin cambios durante la construcción del túnel) sea menor que la altura de la barrera. El efecto túnel es un fenómeno de naturaleza exclusivamente cuántica, imposible e incluso completamente contradictorio con la mecánica clásica. Un análogo del efecto túnel en la óptica ondulatoria puede ser la penetración de una onda de luz en un medio reflectante (a distancias del orden de la longitud de onda de la luz) en condiciones en las que, desde el punto de vista de la óptica geométrica, se produce una reflexión interna total. El fenómeno de los túneles subyace a muchos procesos importantes en la física atómica y molecular, en la física del núcleo atómico, del estado sólido, etc.

Oscilador armónico en mecánica cuántica, es un análogo cuántico de un oscilador armónico simple, en este caso no se consideran las fuerzas que actúan sobre la partícula, sino la hamiltoniana, es decir, la energía total del oscilador armónico, y el potencial; Se supone que la energía depende cuadráticamente de las coordenadas. Tener en cuenta los siguientes términos en la expansión de la energía potencial a lo largo de una coordenada conduce al concepto de oscilador anarmónico.

El estudio de la estructura de los átomos ha demostrado que los átomos constan de un núcleo cargado positivamente, en el que se concentra casi toda la masa. h del átomo y electrones cargados negativamente que se mueven alrededor del núcleo.

Modelo planetario del átomo de Bohr-Rutherford. En 1911, Ernest Rutherford, después de realizar una serie de experimentos, llegó a la conclusión de que el átomo es una especie de sistema planetario en el que los electrones se mueven en órbitas alrededor de un núcleo pesado y cargado positivamente ubicado en el centro del átomo (“átomo de Rutherford modelo"). Sin embargo, tal descripción del átomo entró en conflicto con la electrodinámica clásica. El caso es que, según la electrodinámica clásica, un electrón, cuando se mueve con aceleración centrípeta, debería emitir ondas electromagnéticas y, por tanto, perder energía. Los cálculos han demostrado que el tiempo que tarda un electrón de un átomo de este tipo en caer sobre el núcleo es absolutamente insignificante. Para explicar la estabilidad de los átomos, Niels Bohr tuvo que introducir postulados que se reducían al hecho de que un electrón en un átomo, al encontrarse en algunos estados energéticos especiales, no emite energía ("modelo del átomo de Bohr-Rutherford"). Los postulados de Bohr demostraron que la mecánica clásica no es aplicable para describir el átomo. Un estudio más detallado de la radiación atómica condujo a la creación de la mecánica cuántica, que permitió explicar la gran mayoría de los hechos observados.

Espectros de emisión de átomos. generalmente se obtiene a una temperatura alta de una fuente de luz (plasma, arco o chispa), a la que la sustancia se evapora, sus moléculas se dividen en átomos individuales y los átomos se excitan para brillar. El análisis atómico puede ser emisión (el estudio de los espectros de emisión) o absorción (el estudio de los espectros de absorción).
El espectro de emisión de un átomo es un conjunto de líneas espectrales. La línea espectral aparece como resultado de la radiación de luz monocromática durante la transición de un electrón de un subnivel electrónico permitido por el postulado de Bohr a otro subnivel de diferentes niveles. Esta radiación se caracteriza por la longitud de onda K, la frecuencia v o el número de onda co.
El espectro de emisión de un átomo es un conjunto de líneas espectrales. La línea espectral aparece como resultado de la radiación de luz monocromática durante la transición de un electrón de un subnivel electrónico permitido por el postulado de Bohr a otro subnivel de diferentes niveles.

Modelo de Bohr del átomo (Modelo de Bohr)- un modelo atómico semiclásico propuesto por Niels Bohr en 1913. Tomó como base el modelo planetario del átomo propuesto por Rutherford. Sin embargo, desde el punto de vista de la electrodinámica clásica, un electrón en el modelo de Rutherford, moviéndose alrededor del núcleo, debería emitir continuamente y, muy rápidamente, habiendo perdido energía, caer sobre el núcleo. Para superar este problema, Bohr introdujo una suposición, cuya esencia es que los electrones en un átomo solo pueden moverse en ciertas órbitas (estacionarias), en las que no emiten, y la emisión o absorción ocurre solo en el momento de la transición de una órbita a otra. Además, sólo son estacionarias aquellas órbitas en las que el momento angular del electrón es igual a un número entero de las constantes de Planck: .

Utilizando este supuesto y las leyes de la mecánica clásica, es decir, la igualdad de la fuerza de atracción de un electrón del lado del núcleo y la fuerza centrífuga que actúa sobre un electrón en rotación, obtuvo los siguientes valores para el radio de una órbita estacionaria. y la energía del electrón ubicado en esta órbita:

Aquí está la masa del electrón, Z es el número de protones en el núcleo, es la constante dieléctrica, e es la carga del electrón.

Es precisamente esta expresión de la energía la que se puede obtener aplicando la ecuación de Schrödinger, resolviendo el problema del movimiento de un electrón en un campo central de Coulomb.

El radio de la primera órbita del átomo de hidrógeno R 0 =5,2917720859(36)·10 −11 m, ahora se llama radio de Bohr, o unidad atómica de longitud, y se utiliza ampliamente en la física moderna. La energía de la primera órbita, eV, es la energía de ionización del átomo de hidrógeno.

postulados de bohr

§ Un átomo sólo puede estar en estados estacionarios especiales o cuánticos, cada uno de los cuales tiene una energía específica. En estado estacionario, un átomo no emite ondas electromagnéticas.

§ Un electrón en un átomo, sin perder energía, se mueve a lo largo de determinadas órbitas circulares discretas, para las cuales el momento angular está cuantificado: , donde son los números naturales y es la constante de Planck. La presencia de un electrón en la órbita determina la energía de estos estados estacionarios.

§ Cuando un electrón pasa de una órbita (nivel de energía) a una órbita, se emite o absorbe un cuanto de energía, donde están los niveles de energía entre los cuales se produce la transición. Al pasar de un nivel superior a uno inferior, se emite energía; al pasar de un nivel inferior a uno superior, se absorbe.

Utilizando estos postulados y las leyes de la mecánica clásica, Bohr propuso un modelo del átomo, ahora llamado modelo del átomo de Bohr. Posteriormente, Sommerfeld amplió la teoría de Bohr al caso de las órbitas elípticas. Se llama modelo de Bohr-Sommerfeld.

experimentos de frank y hertz

la experiencia ha demostrado que Los electrones transfieren su energía a los átomos de mercurio en porciones. , y 4,86 ​​eV es la porción más pequeña posible que puede ser absorbida por un átomo de mercurio en el estado de energía fundamental

fórmula bálsamo

Para describir las longitudes de onda λ de las cuatro líneas visibles del espectro del hidrógeno, I. Balmer propuso la fórmula

donde norte = 3, 4, 5, 6; b = 3645,6 Å.

Actualmente se utiliza un caso especial de la fórmula de Rydberg para la serie de Balmer:

donde λ es la longitud de onda,

R≈ 1.0974 10 7 m −1 - Constante de Rydberg,

norte- el número cuántico principal del nivel inicial es un número natural mayor o igual a 3.

Átomo similar al hidrógeno- un átomo que contiene uno y sólo un electrón en su capa electrónica.

radiación de rayos x- ondas electromagnéticas, cuya energía de fotones se encuentra en la escala de ondas electromagnéticas entre la radiación ultravioleta y la radiación gamma, que corresponde a longitudes de onda de 10 −2 a 10 3 Å (de 10 −12 a 10 −7 m)

Tubo de rayos-x- un dispositivo de vacío eléctrico diseñado para generar radiación de rayos X.

Bremsstrahlung- radiación electromagnética emitida por una partícula cargada cuando se dispersa (frena) en un campo eléctrico. A veces, el concepto de “bremsstrahlung” también incluye la radiación de partículas cargadas relativistas que se mueven en campos magnéticos macroscópicos (en aceleradores, en el espacio exterior), y se denomina magnetobremsstrahlung; sin embargo, el término más utilizado en este caso es "radiación sincrotrón".

EMISIÓN CARACTERÍSTICA- rayos x radiación del espectro lineal. Característica de los átomos de cada elemento.

Enlace químico- el fenómeno de interacción de átomos, provocado por la superposición de nubes de electrones de partículas enlazantes, que se acompaña de una disminución de la energía total del sistema.

espectro molecular- espectro de emisión (absorción) que surge durante las transiciones cuánticas entre niveles de energía de moléculas

Nivel de energía- valores propios de la energía de los sistemas cuánticos, es decir, sistemas formados por micropartículas (electrones, protones y otras partículas elementales) y sujetos a las leyes de la mecánica cuántica.

Número cuántico norte – Lo esencial . Determina la energía del electrón en el átomo de hidrógeno y en los sistemas de un electrón (He +, Li 2+, etc.). En este caso, la energía del electrón.

Dónde norte toma valores de 1 a ∞. Lo menos norte, mayor es la energía de interacción entre el electrón y el núcleo. En norte= 1 átomo de hidrógeno está en el estado fundamental, en norte> 1 – emocionado.

Reglas de selección en espectroscopia, llaman restricciones y prohibiciones a las transiciones entre niveles de un sistema mecánico cuántico con absorción o emisión de un fotón, impuestas por leyes de conservación y simetría.

Átomos multielectrónicos Se llaman átomos con dos o más electrones.

efecto zeeman- división de líneas de espectros atómicos en un campo magnético.

Descubierto en 1896 por Zeeman para líneas de emisión de sodio.

La esencia del fenómeno de la resonancia paramagnética electrónica es la absorción resonante de radiación electromagnética por electrones desapareados. Un electrón tiene un espín y un momento magnético asociado.

Luminosidad energética del cuerpo.- - una cantidad física que es función de la temperatura y es numéricamente igual a la energía emitida por un cuerpo por unidad de tiempo desde una unidad de superficie en todas las direcciones y en todo el espectro de frecuencias. J/s m²=W/m²

Densidad espectral de luminosidad energética.- una función de frecuencia y temperatura que caracteriza la distribución de la energía de radiación en todo el espectro de frecuencias (o longitudes de onda). , Se puede escribir una función similar en términos de longitud de onda

Se puede demostrar que la densidad espectral de la energía luminosidad, expresada en términos de frecuencia y longitud de onda, está relacionada por la relación:

Cuerpo absolutamente negro- una idealización física utilizada en termodinámica, un cuerpo que absorbe toda la radiación electromagnética que incide sobre él en todos los rangos y no refleja nada. A pesar del nombre, un cuerpo completamente negro puede emitir radiación electromagnética de cualquier frecuencia y tener color visualmente. El espectro de radiación de un cuerpo absolutamente negro está determinado únicamente por su temperatura.

La importancia de un cuerpo absolutamente negro en la cuestión del espectro de radiación térmica de cualquier cuerpo (gris y coloreado) en general, además de que representa el caso más simple y no trivial, también radica en el hecho de que la cuestión del espectro de radiación térmica de equilibrio de cuerpos de cualquier color y coeficiente de reflexión se reduce mediante los métodos de la termodinámica clásica a la cuestión de la radiación de un cuerpo absolutamente negro (e históricamente esto ya se hizo a finales del siglo XIX, cuando el problema de la radiación de un cuerpo absolutamente negro pasó a primer plano).

Los cuerpos absolutamente negros no existen en la naturaleza, por eso en física se utiliza un modelo para experimentos. Es una cavidad cerrada con un pequeño agujero. La luz que entra a través de este agujero será completamente absorbida después de repetidos reflejos, y el agujero aparecerá completamente negro desde el exterior. Pero cuando esta cavidad se calienta, desarrollará su propia radiación visible. Dado que la radiación emitida por las paredes internas de la cavidad, antes de salir (después de todo, el agujero es muy pequeño), en la inmensa mayoría de los casos sufrirá una gran cantidad de nueva absorción y radiación, podemos decir con confianza que la La radiación dentro de la cavidad está en equilibrio termodinámico con las paredes. (De hecho, el agujero no es importante para este modelo, sólo es necesario enfatizar la observabilidad fundamental de la radiación ubicada en el interior; el agujero puede, por ejemplo, cerrarse completamente y abrirse rápidamente solo cuando ya se ha alcanzado el equilibrio). establecido y se está realizando la medición).

2. Ley de radiación de Kirchhoff- una ley física establecida por el físico alemán Kirchhoff en 1859. En su formulación moderna, la ley dice lo siguiente: La relación entre la emisividad de cualquier cuerpo y su capacidad de absorción es la misma para todos los cuerpos a una temperatura determinada para una frecuencia determinada y no depende de su forma, composición química, etc.

Se sabe que cuando la radiación electromagnética incide sobre un determinado cuerpo, parte de ella se refleja, parte se absorbe y parte se puede transmitir. La fracción de radiación absorbida a una frecuencia determinada se llama capacidad de absorción cuerpo Por otro lado, todo cuerpo calentado emite energía según una ley llamada emisividad del cuerpo.

Los valores de y pueden variar mucho al pasar de un cuerpo a otro, sin embargo, según la ley de radiación de Kirchhoff, la relación entre las capacidades de emisión y absorción no depende de la naturaleza del cuerpo y es una función universal de frecuencia ( longitud de onda) y temperatura:

Por definición, un cuerpo absolutamente negro absorbe toda la radiación que incide sobre él, es decir, sobre él. Por tanto, la función coincide con la emisividad de un cuerpo absolutamente negro, descrita por la ley de Stefan-Boltzmann, por lo que la emisividad de cualquier cuerpo se puede encontrar basándose únicamente en su capacidad de absorción.

ley de stefan-boltzmann- la ley de la radiación del cuerpo negro. Determina la dependencia del poder de radiación de un cuerpo absolutamente negro de su temperatura. Declaración de la ley: La potencia de radiación de un cuerpo absolutamente negro es directamente proporcional al área de la superficie y a la cuarta potencia de la temperatura corporal: PAG = Sεσ t 4, donde ε es el grado de emisividad (para todas las sustancias ε< 1, для абсолютно черного тела ε = 1).

Usando la ley de Planck para la radiación, la constante σ se puede definir como donde está la constante de Planck, k- Constante de Boltzmann, C- velocidad de la luz.

Valor numérico J s −1 m −2 K −4.

El físico alemán W. Wien (1864-1928), basándose en las leyes de la termo y la electrodinámica, estableció la dependencia de la longitud de onda l max correspondiente al máximo de la función. r l , T , en temperatura T. De acuerdo a La ley de desplazamiento de Viena,l máx =b/T

es decir, longitud de onda l max correspondiente al valor máximo de la densidad espectral de energía luminosidad rl, T cuerpo negro, es inversamente proporcional a su temperatura termodinámica, b- Constante de Wien: su valor experimental es 2,9 · 10 -3 m K. Por tanto, la expresión (199.2) se denomina ley compensaciones El fallo es que muestra un desplazamiento en la posición del máximo de la función. rl, T a medida que la temperatura aumenta hacia la región de longitudes de onda cortas. La ley de Wien explica por qué, a medida que disminuye la temperatura de los cuerpos calentados, la radiación de onda larga domina cada vez más en su espectro (por ejemplo, la transición del calor blanco al rojo cuando un metal se enfría).

A pesar de que las leyes de Stefan-Boltzmann y Wien juegan un papel importante en la teoría de la radiación térmica, son leyes particulares, ya que no dan una imagen general de la distribución de frecuencia de la energía a diferentes temperaturas.

3. Deje que las paredes de esta cavidad reflejen completamente la luz que incide sobre ellas. Coloquemos algún cuerpo en la cavidad que emitirá energía luminosa. Surgirá un campo electromagnético dentro de la cavidad y, finalmente, se llenará de radiación que se encuentra en estado de equilibrio térmico con el cuerpo. El equilibrio también se producirá en el caso de que de alguna manera se elimine por completo el intercambio de calor del cuerpo en estudio con su entorno (por ejemplo, realizaremos este experimento mental en el vacío, cuando no hay fenómenos de conductividad térmica y convección). Sólo a través de los procesos de emisión y absorción de luz se logrará el equilibrio: el cuerpo radiante tendrá una temperatura igual a la temperatura de la radiación electromagnética que llena isotrópicamente el espacio dentro de la cavidad, y cada parte seleccionada de la superficie del cuerpo emitirá como cuánta energía por unidad de tiempo absorbe. En este caso, el equilibrio debe producirse independientemente de las propiedades del cuerpo colocado dentro de una cavidad cerrada, que, sin embargo, influyen en el tiempo que lleva establecer el equilibrio. La densidad de energía del campo electromagnético en una cavidad, como se mostrará a continuación, en estado de equilibrio está determinada únicamente por la temperatura.

Para caracterizar la radiación térmica en equilibrio, no sólo es importante la densidad volumétrica de energía, sino también la distribución de esta energía a lo largo del espectro. Por lo tanto, caracterizaremos la radiación de equilibrio que llena isotrópicamente el espacio dentro de la cavidad usando la función tu ω - densidad de radiación espectral, es decir, la energía promedio por unidad de volumen del campo electromagnético, distribuida en el intervalo de frecuencia de ω a ω + δω y relacionada con el valor de este intervalo. Obviamente el significado tuω debería depender significativamente de la temperatura, por lo que lo denotamos tu(ω, T). Densidad de energía total Ud.(t) asociado con tu(ω, t) fórmula.

Estrictamente hablando, el concepto de temperatura sólo es aplicable a la radiación térmica en equilibrio. En condiciones de equilibrio, la temperatura debe permanecer constante. Sin embargo, el concepto de temperatura también se utiliza a menudo para caracterizar cuerpos incandescentes que no están en equilibrio con la radiación. Además, con un cambio lento en los parámetros del sistema, en cualquier período de tiempo es posible caracterizar su temperatura, que cambiará lentamente. Entonces, por ejemplo, si no hay entrada de calor y la radiación se debe a una disminución en la energía del cuerpo luminoso, entonces su temperatura también disminuirá.

Establezcamos una conexión entre la emisividad de un cuerpo completamente negro y la densidad espectral de la radiación de equilibrio. Para ello, calculamos el flujo de energía que incide en una única zona situada dentro de una cavidad cerrada llena de energía electromagnética de densidad media. Uω. Deje que la radiación caiga sobre una unidad de área en la dirección determinada por los ángulos θ y ϕ (Fig. 6a) dentro del ángulo sólido dΩ:

Dado que la radiación de equilibrio es isotrópica, una fracción que se propaga en un ángulo sólido dado es igual a la energía total que llena la cavidad. Flujo de energía electromagnética que pasa a través de una unidad de área por unidad de tiempo.

Reemplazo dΩ Expresando e integrando sobre ϕ dentro de los límites (0, 2π) y sobre θ dentro de los límites (0, π/2), obtenemos el flujo total de energía incidente en una unidad de área:

Evidentemente, en condiciones de equilibrio es necesario igualar la expresión (13) de la emisividad de un cuerpo absolutamente negro rω, que caracteriza el flujo de energía emitido por la plataforma en un intervalo de frecuencia unitario cercano a ω:

Así se demuestra que la emisividad de un cuerpo completamente negro, hasta un factor de c/4, coincide con la densidad espectral de la radiación de equilibrio. La igualdad (14) debe satisfacerse para cada componente espectral de la radiación, por lo tanto se deduce que F(ω, t)= tu(ω, t) (15)

En conclusión, señalamos que la radiación de un cuerpo negro absoluto (por ejemplo, la luz emitida por un pequeño agujero en una cavidad) ya no estará en equilibrio. En particular, esta radiación no es isotrópica, ya que no se propaga en todas direcciones. Pero la distribución de energía a lo largo del espectro de dicha radiación coincidirá con la densidad espectral de la radiación de equilibrio que llena isotrópicamente el espacio dentro de la cavidad. Esto nos permite utilizar la relación (14), que es válida a cualquier temperatura. Ninguna otra fuente de luz tiene una distribución de energía similar en todo el espectro. Por ejemplo, una descarga eléctrica en gases o un resplandor bajo la influencia de reacciones químicas tienen espectros significativamente diferentes del resplandor de un cuerpo absolutamente negro. La distribución de energía en todo el espectro de los cuerpos incandescentes también difiere notablemente del brillo de un cuerpo absolutamente negro, que era mayor al comparar los espectros de una fuente de luz común (lámparas incandescentes con filamento de tungsteno) y un cuerpo absolutamente negro.

4. Basado en la ley de equidistribución de la energía en grados de libertad: por cada oscilación electromagnética existe, en promedio, una energía que es la suma de dos partes kT. La mitad es aportada por el componente eléctrico de la onda y la segunda por el componente magnético. Por sí sola, la radiación de equilibrio en una cavidad se puede representar como un sistema de ondas estacionarias. El número de ondas estacionarias en el espacio tridimensional viene dado por:

En nuestro caso, la velocidad v debe ser igual C Además, dos ondas electromagnéticas con la misma frecuencia, pero con polarizaciones mutuamente perpendiculares, pueden moverse en la misma dirección, entonces (1) además debe multiplicarse por dos:

Entonces, Rayleigh y Jeans, se asignó energía a cada vibración. Multiplicando (2) por , obtenemos la densidad de energía que cae en el intervalo de frecuencia dω:

Conociendo la relación entre la emisividad de un cuerpo completamente negro F(ω, t) con densidad de equilibrio de energía de radiación térmica, para F(ω, t) encontramos: Las expresiones (3) y (4) se llaman Fórmula de Rayleigh-Jeans.

Las fórmulas (3) y (4) concuerdan satisfactoriamente con los datos experimentales sólo para longitudes de onda largas; en longitudes de onda más cortas, la concordancia con el experimento diverge marcadamente. Además, la integración (3) sobre ω en el rango de 0 a para la densidad de energía de equilibrio tu(t) da un valor infinitamente grande. Este resultado, llamado desastre ultravioleta, obviamente contradice el experimento: el equilibrio entre la radiación y el cuerpo radiante debe establecerse en valores finitos tu(t).

Desastre ultravioleta- término físico que describe la paradoja de la física clásica, que consiste en el hecho de que la potencia total de radiación térmica de cualquier cuerpo calentado debe ser infinita. La paradoja debe su nombre a que la densidad de potencia espectral de la radiación debería haber aumentado indefinidamente a medida que se acortaba la longitud de onda. En esencia, esta paradoja mostró, si no la inconsistencia interna de la física clásica, al menos una discrepancia extremadamente aguda (absurda) con las observaciones y experimentos elementales.

5. La hipótesis de Planck- una hipótesis propuesta el 14 de diciembre de 1900 por Max Planck y que establece que durante la radiación térmica la energía se emite y absorbe no de forma continua, sino en cuantos (porciones) separados. Cada una de estas porciones cuánticas tiene energía. , proporcional a la frecuencia ν radiación:

Dónde h o - el coeficiente de proporcionalidad, más tarde llamado constante de Planck. Partiendo de esta hipótesis, propuso una derivación teórica de la relación entre la temperatura de un cuerpo y la radiación emitida por este cuerpo: la fórmula de Planck.

la fórmula de planck- expresión de la densidad de potencia espectral de la radiación del cuerpo negro, obtenida por Max Planck. Para la densidad de energía de radiación tu(ω, t):

La fórmula de Planck se obtuvo después de que quedó claro que la fórmula de Rayleigh-Jeans describe satisfactoriamente la radiación sólo en la región de onda larga. Para derivar la fórmula, Planck en 1900 asumió que la radiación electromagnética se emite en forma de porciones individuales de energía (cuantos), cuya magnitud está relacionada con la frecuencia de la radiación mediante la expresión:

El coeficiente de proporcionalidad se denominó posteriormente constante de Planck, = 1,054 · 10 −27 erg s.

Para explicar las propiedades de la radiación térmica, fue necesario introducir el concepto de emisión de radiación electromagnética en porciones (cuantos). La naturaleza cuántica de la radiación también se confirma por la existencia de un límite de longitud de onda corta en el espectro de rayos X bremsstrahlung.

La radiación de rayos X se produce cuando objetivos sólidos son bombardeados por electrones rápidos. Aquí el ánodo está hecho de W, Mo, Cu, Pt, metales pesados ​​refractarios o de alta conductividad térmica. Sólo entre el 1% y el 3% de la energía de los electrones se utiliza para la radiación, el resto se libera en el ánodo en forma de calor, por lo que los ánodos se enfrían con agua. Una vez en la sustancia anódica, los electrones experimentan una fuerte inhibición y se convierten en una fuente de ondas electromagnéticas (rayos X).

La velocidad inicial de un electrón cuando golpea el ánodo está determinada por la fórmula:

Dónde Ud.– tensión de aceleración.

>La emisión notable se observa sólo con una fuerte desaceleración de los electrones rápidos, a partir de Ud.~ 50 kV, mientras ( Con- velocidad de la luz). En los aceleradores de electrones de inducción, los betatrones, los electrones adquieren energía hasta 50 MeV, = 0,99995 Con. Al dirigir dichos electrones hacia un objetivo sólido, obtenemos radiación de rayos X con una longitud de onda corta. Esta radiación tiene un gran poder de penetración. Según la electrodinámica clásica, cuando un electrón desacelera, debería surgir radiación de todas las longitudes de onda, desde cero hasta el infinito. La longitud de onda a la que se produce la potencia máxima de radiación debería disminuir a medida que aumenta la velocidad del electrón. Sin embargo, existe una diferencia fundamental con la teoría clásica: las distribuciones de potencia cero no van al origen de las coordenadas, sino que se rompen en valores finitos; esto es Extremo de longitud de onda corta del espectro de rayos X..

Se ha establecido experimentalmente que

La existencia del límite de onda corta se deriva directamente de la naturaleza cuántica de la radiación. De hecho, si la radiación se produce debido a la energía perdida por el electrón durante el frenado, entonces la energía del cuanto no puede exceder la energía del electrón. UE, es decir. , desde aquí o .

En este experimento podemos determinar la constante de Planck. h. De todos los métodos para determinar la constante de Planck, el más preciso es el método basado en la medición del límite de longitud de onda corta del espectro de bremsstrahlung de rayos X.

7. Efecto fotográfico- se trata de la emisión de electrones de una sustancia bajo la influencia de la luz (y, en general, de cualquier radiación electromagnética). En las sustancias condensadas (sólidas y líquidas) existe un efecto fotoeléctrico externo e interno.

Leyes del efecto fotoeléctrico.:

Formulación 1ra ley del efecto fotoeléctrico: El número de electrones emitidos por la luz desde la superficie de un metal por unidad de tiempo a una frecuencia dada es directamente proporcional al flujo de luz que ilumina el metal..

De acuerdo a 2da ley del efecto fotoeléctrico, La energía cinética máxima de los electrones expulsados ​​por la luz aumenta linealmente con la frecuencia de la luz y no depende de su intensidad..

3ra ley del efecto fotoeléctrico: para cada sustancia existe un límite rojo del efecto fotoeléctrico, es decir, la frecuencia de luz mínima ν 0 (o longitud de onda máxima λ 0), en la que el efecto fotoeléctrico todavía es posible, y si ν 0, entonces el efecto fotoeléctrico ya no ocurre.

La explicación teórica de estas leyes la dio Einstein en 1905. Según él, la radiación electromagnética es una corriente de cuantos individuales (fotones) con energía hν cada uno, donde h es la constante de Planck. En el efecto fotoeléctrico, una parte de la radiación electromagnética incidente se refleja desde la superficie del metal y otra parte penetra en la capa superficial del metal y es absorbida allí. Habiendo absorbido un fotón, el electrón recibe energía de él y, realizando una función de trabajo, abandona el metal: hν = una salida + Nosotros, Dónde Nosotros- la energía cinética máxima que puede tener un electrón al salir del metal.

De la ley de conservación de la energía, al representar la luz en forma de partículas (fotones), se desprende la fórmula de Einstein para el efecto fotoeléctrico: hν = una salida + Ek

Dónde una salida- llamado función de trabajo (la energía mínima requerida para eliminar un electrón de una sustancia), Ek es la energía cinética del electrón emitido (dependiendo de la velocidad, se puede calcular o no la energía cinética de una partícula relativista), ν es la frecuencia del fotón incidente con energía hν, h- Constante de Planck.

Función del trabajo- la diferencia entre la energía mínima (generalmente medida en electronvoltios) que se debe impartir a un electrón para su eliminación "directa" del volumen de un sólido y la energía de Fermi.

Borde “rojo” del efecto fotográfico- frecuencia mínima o longitud de onda máxima λ máximo luz, en la que el efecto fotoeléctrico externo todavía es posible, es decir, la energía cinética inicial de los fotoelectrones es mayor que cero. La frecuencia depende sólo de la función de salida. una salida electrón: , donde una salida- función de trabajo para un fotocátodo específico, h es la constante de Planck, y Con- velocidad de la luz. Función del trabajo una salida Depende del material del fotocátodo y del estado de su superficie. La emisión de fotoelectrones comienza cuando una luz de frecuencia o longitud de onda λ incide sobre el fotocátodo.

§ 4 Luminosidad energética. Ley de Stefan-Boltzmann.

Ley de desplazamiento de Viena

Rmi(luminosidad de energía integrada): la luminosidad de la energía determina la cantidad de energía emitida desde una unidad de superficie por unidad de tiempo en todo el rango de frecuencia de 0 a ∞ a una temperatura determinada T.

Conexión luminosidad y emisividad energética

[ RE ] = J/(m 2 s) = W/m 2

Ley de J. Stefan (científico austriaco) y L. Boltzmann (científico alemán)

Dónde

σ = 5,67·10 -8 W/(m 2 · K 4) - Constante de Steph-on-Boltzmann.

La luminosidad energética de un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura termodinámica.

Ley de Stefan-Boltzmann, definiendo la dependencia.Rmisobre la temperatura no proporciona una respuesta sobre la composición espectral de la radiación del cuerpo negro. De curvas de dependencia experimentales.rλ ,T de λ en diferentes t de ello se deduce que la distribución de energía en el espectro de un cuerpo absolutamente negro es desigual. Todas las curvas tienen un máximo que, al aumentar t cambia hacia longitudes de onda más cortas. Área limitada por la curva de dependenciarλ ,T de λ, es igual Rmi(esto se desprende del significado geométrico de la integral) y es proporcional t 4 .

Ley de desplazamiento de Wien (1864 - 1928): Longitud, ondas (λ max), que representa la emisividad máxima del a.ch.t. a una temperatura dada, inversamente proporcional a la temperatura t.

b= 2,9·10 -3 m·K - Constante de Viena.

El cambio de Viena se produce porque a medida que aumenta la temperatura, la emisividad máxima se desplaza hacia longitudes de onda más cortas.

§ 5 Fórmula de Rayleigh-Jeans, fórmula de Viena y catástrofe ultravioleta

La ley de Stefan-Boltzmann nos permite determinar la luminosidad energéticaRmia.ch.t. según su temperatura. La ley de desplazamiento de Wien relaciona la temperatura corporal con la longitud de onda en la que se produce la emisividad máxima. Pero ni una ni otra ley resuelven el problema principal de qué tan grande es la capacidad de emisión de radiación para cada λ en el espectro del a.ch.t. a una temperatura t. Para hacer esto, necesita establecer una dependencia funcional.rλ ,T de λ y t.

Partiendo de la idea del carácter continuo de la emisión de ondas electromagnéticas en la ley de distribución uniforme de energías en grados de libertad, se obtuvieron dos fórmulas para la emisividad del AC:

• Fórmula del vino

Dónde A, b = constante.

• Fórmula de Rayleigh-Jeans

k =1,38·10 -23 J/K - Constante de Boltzmann.

Las pruebas experimentales han demostrado que, para una temperatura determinada, la fórmula de Wien es correcta para ondas cortas y presenta marcadas discrepancias con los experimentos en la región de ondas largas. La fórmula de Rayleigh-Jeans resultó ser cierta para ondas largas y no aplicable para ondas cortas.

El estudio de la radiación térmica mediante la fórmula de Rayleigh-Jeans demostró que, en el marco de la física clásica, es imposible resolver la cuestión de la función que caracteriza la emisividad del aire acondicionado. Este intento fallido de explicar las leyes de la radiación de a.ch.t. Utilizando el aparato de la física clásica, se la llamó “catástrofe ultravioleta”.

Si intentas calcularRmiusando la fórmula de Rayleigh-Jeans, entonces

• “ desastre ultravioleta”

§6 Hipótesis cuántica y fórmula de Planck.

En 1900, M. Planck (un científico alemán) propuso una hipótesis según la cual la emisión y absorción de energía no se produce de forma continua, sino en determinadas porciones pequeñas: cuantos, y la energía de un cuanto es proporcional a la frecuencia de las oscilaciones. (fórmula de Planck):

h = 6.625·10 -34 J·s - Constante de Planck o

Dónde

Dado que la radiación ocurre en porciones, la energía del oscilador (átomo oscilante, electrón) E toma solo valores que son múltiplos de un número entero de porciones elementales de energía, es decir, solo valores discretos.

mi = norte mio = nortehν .

EFECTO FOTOELÉCTRICO

Hertz estudió por primera vez la influencia de la luz en el curso de los procesos eléctricos en 1887. Realizó experimentos con un descargador eléctrico y descubrió que cuando se irradia con radiación ultravioleta, la descarga se produce a un voltaje significativamente menor.

En 1889-1895. A.G. Stoletov estudió el efecto de la luz sobre los metales mediante el siguiente esquema. Dos electrodos: el cátodo K hecho del metal en estudio y el ánodo A (en el esquema de Stoletov, una malla metálica que transmite luz) en un tubo de vacío se conectan a la batería de modo que con la ayuda de una resistencia R puede cambiar el valor y el signo del voltaje que se les aplica. Cuando se irradió el cátodo de zinc, fluyó una corriente en el circuito, registrada por un miliamperímetro. Al irradiar el cátodo con luz de varias longitudes de onda, Stoletov estableció los siguientes principios básicos:

• La radiación ultravioleta tiene el efecto más poderoso;
• Cuando se expone a la luz, se liberan cargas negativas del cátodo;
• La fuerza de la corriente generada por la luz es directamente proporcional a su intensidad.

Lenard y Thomson en 1898 midieron la carga específica ( mi/ metro), se arrancaron partículas y resultó que es igual a la carga específica de un electrón, por lo tanto, los electrones son expulsados ​​​​del cátodo.

§ 2 Efecto fotoeléctrico externo. Tres leyes del efecto fotoeléctrico externo.

El efecto fotoeléctrico externo es la emisión de electrones por una sustancia bajo la influencia de la luz. Los electrones emitidos por una sustancia durante el efecto fotoeléctrico externo se llaman fotoelectrones y la corriente que generan se llama fotocorriente.

En algún voltajeUd.nortela fotocorriente alcanza la saturaciónI norte - todos los electrones emitidos por el cátodo llegan al ánodo, de ahí la corriente de saturaciónI norte determinado por el número de electrones emitidos por el cátodo por unidad de tiempo bajo la influencia de la luz. El número de fotoelectrones liberados es proporcional al número de cuantos de luz que inciden en la superficie del cátodo. Y el número de cuantos de luz está determinado por el flujo luminoso. F, incidente en el cátodo. Número de fotonesnorte, cayendo con el tiempot a la superficie está determinada por la fórmula:

Dónde W.- energía de radiación recibida por la superficie durante el tiempo Δt,

energía de fotones,

fe-flujo luminoso (potencia de radiación).

Primera ley del efecto fotoeléctrico externo. (Ley de Stoletov):

A una frecuencia fija de luz incidente, la fotocorriente de saturación es proporcional al flujo de luz incidente:

Ia nosotros~ Ф, ν =constante

Ud.h - voltaje de mantenimiento- el voltaje al que ni un solo electrón puede alcanzar el ánodo. En consecuencia, la ley de conservación de la energía en este caso se puede escribir: la energía de los electrones emitidos es igual a la energía de parada del campo eléctrico.

por lo tanto, podemos encontrar la velocidad máxima de los fotoelectrones emitidos.Vmáx

2da ley del efecto fotoeléctrico : velocidad inicial máximaVmáxfotoelectrones no depende de la intensidad de la luz incidente (de F), y está determinada únicamente por su frecuencia ν

3ra ley del efecto fotoeléctrico : para cada sustancia hay efecto fotográfico "borde rojo", es decir, la frecuencia mínima ν kp, dependiendo de la naturaleza química de la sustancia y del estado de su superficie, a la que todavía es posible el efecto fotoeléctrico externo.

La segunda y tercera leyes del efecto fotoeléctrico no se pueden explicar utilizando la naturaleza ondulatoria de la luz (o la teoría electromagnética clásica de la luz). Según esta teoría, la expulsión de electrones de conducción de un metal es el resultado de su "oscilación" por el campo electromagnético de una onda luminosa. Al aumentar la intensidad de la luz ( F) la energía transferida por el electrón del metal debe aumentar, por lo tanto, debe aumentarVmáx, y esto contradice la segunda ley del efecto fotoeléctrico.

Dado que, según la teoría ondulatoria, la energía transmitida por el campo electromagnético es proporcional a la intensidad de la luz ( F), luego cualquier luz; frecuencia, pero con una intensidad suficientemente alta, tendría que extraer electrones del metal, es decir, no existiría el límite rojo del efecto fotoeléctrico, lo que contradice la tercera ley del efecto fotoeléctrico. El efecto fotoeléctrico externo no tiene inercia. Pero la teoría ondulatoria no puede explicar su falta de inercia.

§ 3 Ecuación de Einstein para el efecto fotoeléctrico externo.

Función del trabajo

En 1905, A. Einstein explicó el efecto fotoeléctrico basándose en conceptos cuánticos. Según Einstein, la luz no sólo es emitida por cuantos según la hipótesis de Planck, sino que se propaga en el espacio y es absorbida por la materia en porciones separadas: cuantos con energía. mi 0 = hv. Los cuantos de radiación electromagnética se llaman fotones.

Ecuación de Einstein (ley de conservación de la energía para fotoefecto externo):

Energía del fotón incidente hv se gasta en expulsar un electrón del metal, es decir, en la función de trabajo Y fuera, y comunicar energía cinética al fotoelectrón emitido.

La energía mínima que se debe impartir a un electrón para sacarlo de un sólido al vacío se llama función del trabajo.

Desde la energía de Ferm hasta mi Fdepende de la temperatura y mi F, también cambia con los cambios de temperatura, entonces, en consecuencia, Y fuera depende de la temperatura.

Además, la función de trabajo es muy sensible a la limpieza de la superficie. Aplicar una película a la superficie ( sa, SGRAMO, Virginia) en W.Y fueradisminuye de 4,5 eV para puroW. hasta 1,5 ÷ 2 eV para impurezaW..

La ecuación de Einstein nos permite explicar en C Las tres leyes del fotoefecto externo.

1ª ley: cada cuanto es absorbido por un solo electrón. Por lo tanto, el número de fotoelectrones expulsados ​​debe ser proporcional a la intensidad ( F) luz

2da ley: Vmáx~ ν, etc. Y fuera no depende de F, entoncesVmáx no depende de F

3ra ley: A medida que ν disminuye, disminuyeVmáx y para ν = ν 0 Vmáx = 0, por lo tanto,hν 0 = Y fuera, por lo tanto, es decir Existe una frecuencia mínima a partir de la cual es posible el efecto fotoeléctrico externo.

Entonces, ¿qué es la radiación térmica?

La radiación térmica es radiación electromagnética que surge debido a la energía del movimiento de rotación y vibración de los átomos y moléculas dentro de una sustancia. La radiación térmica es característica de todos los cuerpos que tienen una temperatura superior al cero absoluto.

La radiación térmica del cuerpo humano pertenece al rango infrarrojo de ondas electromagnéticas. Esta radiación fue descubierta por primera vez por el astrónomo inglés William Herschel. En 1865, el físico inglés J. Maxwell demostró que la radiación infrarroja es de naturaleza electromagnética y está formada por ondas con una longitud de 760 Nuevo Méjico hasta 1-2 milímetros. Muy a menudo, toda la gama de radiación IR se divide en áreas: cercana (750 Nuevo Méjico-2.500Nuevo Méjico), promedio (2.500 Nuevo Méjico - 50.000Nuevo Méjico) y de largo alcance (50.000 Nuevo Méjico-2.000.000Nuevo Méjico).

Consideremos el caso en el que el cuerpo A está ubicado en la cavidad B, que está limitada por una capa C reflectante ideal (impenetrable a la radiación) (Fig. 1). Como resultado de la reflexión múltiple desde la superficie interna del caparazón, la radiación se almacenará dentro de la cavidad del espejo y será parcialmente absorbida por el cuerpo A. En tales condiciones, la cavidad del sistema B - cuerpo A no perderá energía, sino que solo Habrá un intercambio continuo de energía entre el cuerpo A y la radiación que llena la cavidad B.

Figura 1. Reflexión múltiple de ondas térmicas de las paredes de espejo de la cavidad B

Si la distribución de energía permanece sin cambios para cada longitud de onda, entonces el estado de dicho sistema será de equilibrio y la radiación también será de equilibrio. El único tipo de radiación en equilibrio es la térmica. Si por alguna razón el equilibrio entre la radiación y el cuerpo cambia, entonces comienzan a ocurrir procesos termodinámicos que devolverán el sistema a un estado de equilibrio. Si el cuerpo A comienza a emitir más de lo que absorbe, entonces el cuerpo comienza a perder energía interna y la temperatura corporal (como medida de la energía interna) comenzará a bajar, lo que reducirá la cantidad de energía emitida. La temperatura del cuerpo descenderá hasta que la cantidad de energía emitida sea igual a la cantidad de energía absorbida por el cuerpo. Por tanto, se producirá un estado de equilibrio.

La radiación térmica de equilibrio tiene las siguientes propiedades: homogénea (la misma densidad de flujo de energía en todos los puntos de la cavidad), isotrópica (las posibles direcciones de propagación son igualmente probables), no polarizada (las direcciones y valores de los vectores de intensidad del campo eléctrico y magnético en todos los puntos de la cavidad cambian caóticamente).

Las principales características cuantitativas de la radiación térmica son:

- luminosidad energética es la cantidad de energía de radiación electromagnética en todo el rango de longitudes de onda de radiación térmica que emite un cuerpo en todas direcciones desde una unidad de superficie por unidad de tiempo: R = E/(S t), [J/(m 2 s)] = [W /m 2 ] La luminosidad de la energía depende de la naturaleza del cuerpo, la temperatura del cuerpo, el estado de la superficie del cuerpo y la longitud de onda de la radiación.

- densidad de luminosidad espectral - luminosidad energética de un cuerpo para longitudes de onda dadas (λ + dλ) a una temperatura dada (T + dT): R λ,T = f(λ, T).

La luminosidad energética de un cuerpo dentro de ciertas longitudes de onda se calcula integrando R λ,T = f(λ, T) para T = const:

- coeficiente de absorción - la relación entre la energía absorbida por el cuerpo y la energía incidente. Entonces, si la radiación del flujo dФ inc cae sobre un cuerpo, entonces una parte se refleja desde la superficie del cuerpo - dФ neg, la otra parte pasa al cuerpo y parcialmente se convierte en calor dФ abs, y la tercera parte , después de varias reflexiones internas, atraviesa el cuerpo hacia afuera dФ inc : α = dФ abs./dФ abajo.

El coeficiente de absorción α depende de la naturaleza del cuerpo absorbente, la longitud de onda de la radiación absorbida, la temperatura y el estado de la superficie del cuerpo.

- coeficiente de absorción monocromático- coeficiente de absorción de la radiación térmica de una longitud de onda dada a una temperatura dada: α λ,T = f(λ,T)

Entre los cuerpos hay cuerpos que pueden absorber toda la radiación térmica de cualquier longitud de onda que incide sobre ellos. Estos cuerpos idealmente absorbentes se denominan cuerpos absolutamente negros. Para ellos α =1.

También hay cuerpos grises para los cuales α<1, но одинаковый для всех длин волн инфракрасного диапазона.

El modelo de cuerpo negro es una pequeña cavidad con una carcasa resistente al calor. El diámetro del orificio no supera el 0,1 del diámetro de la cavidad. A temperatura constante, el agujero emite algo de energía, correspondiente a la luminosidad energética de un cuerpo completamente negro. Pero el agujero negro es una idealización. Pero las leyes de la radiación térmica del cuerpo negro ayudan a acercarse a los patrones reales.

2. Leyes de la radiación térmica.

1. Ley de Kirchhoff. La radiación térmica es equilibrio: la cantidad de energía emitida por un cuerpo es la cantidad que absorbe. Para tres cuerpos situados en una cavidad cerrada podemos escribir:

La relación indicada también será cierta cuando uno de los cuerpos sea AC:

Porque para el cuerpo negro α λT .
Ésta es la ley de Kirchhoff: la relación entre la densidad espectral de la luminosidad energética de un cuerpo y su coeficiente de absorción monocromática (a una determinada temperatura y para una determinada longitud de onda) no depende de la naturaleza del cuerpo y es igual para todos los cuerpos. la densidad espectral de la luminosidad energética a la misma temperatura y longitud de onda.

Corolarios de la ley de Kirchhoff:
1. La luminosidad energética espectral del cuerpo negro es una función universal de la longitud de onda y la temperatura corporal.
2. La luminosidad energética espectral del cuerpo negro es máxima.
3. La luminosidad de la energía espectral de un cuerpo arbitrario es igual al producto de su coeficiente de absorción por la luminosidad de la energía espectral de un cuerpo absolutamente negro.
4. Cualquier cuerpo a una temperatura determinada emite ondas de la misma longitud de onda que emite a una temperatura determinada.

Un estudio sistemático de los espectros de varios elementos permitió a Kirchhoff y Bunsen establecer una conexión inequívoca entre los espectros de absorción y emisión de gases y la individualidad de los átomos correspondientes. Así se propuso análisis espectral, con el que se pueden identificar sustancias cuya concentración sea de 0,1 nm.

Distribución de la densidad espectral de la luminosidad energética para un cuerpo absolutamente negro, un cuerpo gris, un cuerpo arbitrario. La última curva tiene varios máximos y mínimos, lo que indica la selectividad de emisión y absorción de dichos cuerpos.

2. Ley de Stefan-Boltzmann.
En 1879, los científicos austriacos Joseph Stefan (experimentalmente para un cuerpo arbitrario) y Ludwig Boltzmann (teóricamente para un cuerpo negro) establecieron que la luminosidad energética total en todo el rango de longitudes de onda es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo:

3. Ley del Vino.
El físico alemán Wilhelm Wien formuló en 1893 una ley que determina la posición de la densidad espectral máxima de la luminosidad energética de un cuerpo en el espectro de radiación del cuerpo negro en función de la temperatura. Según la ley, la longitud de onda λ max, que representa la densidad espectral máxima de la luminosidad energética del cuerpo negro, es inversamente proporcional a su temperatura absoluta T: λ max = в/t, donde в = 2,9*10 -3 m·K es la constante de Wien.

Por lo tanto, al aumentar la temperatura, no solo cambia la energía de radiación total, sino también la forma misma de la curva de distribución de la densidad espectral de la luminosidad de la energía. Al aumentar la temperatura, la densidad espectral máxima se desplaza hacia longitudes de onda más cortas. Por tanto, la ley de Wien se llama ley de desplazamiento.

Se aplica la ley del vino en pirometría óptica- un método para determinar la temperatura a partir del espectro de radiación de cuerpos muy calientes que se encuentran lejos del observador. Fue este método el que determinó por primera vez la temperatura del Sol (para 470 nm T = 6160 K).

Las leyes presentadas no nos permitieron encontrar teóricamente ecuaciones para la distribución de la densidad espectral de la luminosidad energética en longitudes de onda. Los trabajos de Rayleigh y Jeans, en los que los científicos estudiaron la composición espectral de la radiación del cuerpo negro basándose en las leyes de la física clásica, llevaron a dificultades fundamentales llamadas la catástrofe ultravioleta. En el rango de ondas ultravioleta, la luminosidad energética del cuerpo negro debería haber llegado al infinito, aunque en experimentos disminuyó a cero. Estos resultados contradecían la ley de conservación de la energía.

4. La teoría de Planck. Un científico alemán propuso en 1900 la hipótesis de que los cuerpos no emiten continuamente, sino en porciones separadas: cuantos. La energía cuántica es proporcional a la frecuencia de radiación: E = hν = h·c/λ, donde h = 6,63*10 -34 J·s Constante de Planck.

Guiado por ideas sobre la radiación cuántica del cuerpo negro, obtuvo una ecuación para la densidad espectral de la luminosidad energética del cuerpo negro:

Esta fórmula está de acuerdo con datos experimentales en todo el rango de longitudes de onda a todas las temperaturas.

El sol es la principal fuente de radiación térmica en la naturaleza. La radiación solar ocupa una amplia gama de longitudes de onda: desde 0,1 nm hasta 10 mo más. El 99% de la energía solar se produce en el rango de 280 a 6000 Nuevo Méjico. Por unidad de superficie de la superficie terrestre, en las montañas hay de 800 a 1000 W/m2. Una dos milmillonésima parte del calor llega a la superficie terrestre: 9,23 J/cm2. Para el rango de radiación térmica de 6000 a 500000 Nuevo Méjico Representa el 0,4% de la energía del sol. En la atmósfera terrestre, la mayor parte de la radiación infrarroja es absorbida por moléculas de agua, oxígeno, nitrógeno y dióxido de carbono. El alcance de la radio también es absorbido en su mayor parte por la atmósfera.

La cantidad de energía que los rayos del sol aportan por 1 s a un área de 1 m2 ubicada fuera de la atmósfera terrestre a una altitud de 82 km perpendicular a los rayos del sol se llama constante solar. Es igual a 1,4 * 10 3 W/m 2.

La distribución espectral de la densidad de flujo normal de la radiación solar coincide con la del cuerpo negro a una temperatura de 6.000 grados. Por tanto, el Sol en relación con la radiación térmica es un cuerpo negro.

3. Radiación de cuerpos reales y del cuerpo humano.

La radiación térmica de la superficie del cuerpo humano juega un papel importante en la transferencia de calor. Existen tales métodos de transferencia de calor: conductividad térmica (conducción), convección, radiación, evaporación. Dependiendo de las condiciones en las que se encuentre una persona, cada uno de estos métodos puede tener un papel dominante (por ejemplo, a temperaturas ambientales muy altas, el papel principal pertenece a la evaporación, y en agua fría, a la conducción, y una temperatura del agua de 15 grados es un ambiente letal para una persona desnuda, y después de 2 a 4 horas se produce desmayo y muerte debido a hipotermia del cerebro). La proporción de radiación en la transferencia total de calor puede oscilar entre el 75 y el 25%. En condiciones normales, alrededor del 50% en reposo fisiológico.

La radiación térmica, que desempeña un papel en la vida de los organismos vivos, se divide en longitudes de onda cortas (de 0,3 a 3 µm) y longitud de onda larga (de 5 a 100 µm). La fuente de radiación de onda corta es el Sol y las llamas abiertas, y los organismos vivos son exclusivamente receptores de dicha radiación. Los organismos vivos emiten y absorben la radiación de onda larga.

El valor del coeficiente de absorción depende de la relación entre las temperaturas del medio y del cuerpo, el área de su interacción, la orientación de estas áreas y, para la radiación de onda corta, del color de la superficie. Así, en los negros solo se refleja el 18% de la radiación de onda corta, mientras que en las personas de raza blanca es alrededor del 40% (lo más probable es que el color de la piel de los negros en la evolución no haya tenido nada que ver con la transferencia de calor). Para la radiación de onda larga, el coeficiente de absorción es cercano a 1.

Calcular la transferencia de calor por radiación es una tarea muy difícil. La ley de Stefan-Boltzmann no se puede utilizar para cuerpos reales, ya que tienen una dependencia más compleja de la luminosidad energética de la temperatura. Resulta que depende de la temperatura, la naturaleza del cuerpo, la forma del cuerpo y el estado de su superficie. Con un cambio de temperatura, el coeficiente σ y el exponente de temperatura cambian. La superficie del cuerpo humano tiene una configuración compleja, la persona usa ropa que cambia la radiación y el proceso se ve afectado por la postura en la que se encuentra.

Para un cuerpo gris, la potencia de radiación en todo el rango está determinada por la fórmula: P = α d.t. σ·T 4 ·S Considerando, con ciertas aproximaciones, que los cuerpos reales (piel humana, tejidos de ropa) están próximos a los cuerpos grises, podemos encontrar una fórmula para calcular la potencia de radiación de los cuerpos reales a una determinada temperatura: P = α· σ·T 4 ·S En diferentes condiciones temperaturas del cuerpo radiante y del ambiente: P = α·σ·(T 1 4 - T 2 4)·S
Hay características de la densidad espectral de la luminosidad energética de los cuerpos reales: en 310 A, que corresponde a la temperatura media del cuerpo humano, la radiación térmica máxima se produce a 9700 Nuevo Méjico. Cualquier cambio en la temperatura corporal provoca un cambio en la potencia de la radiación térmica de la superficie del cuerpo (0,1 grados es suficiente). Por lo tanto, el estudio de las áreas de la piel conectadas a través del sistema nervioso central a ciertos órganos ayuda a identificar enfermedades, como resultado de las cuales la temperatura cambia de manera bastante significativa ( termografía de las zonas de Zakharyin-Ged).

Un método interesante de masaje sin contacto con el biocampo humano (Juna Davitashvili). Potencia de radiación térmica de la palma 0,1 W., y la sensibilidad térmica de la piel es 0,0001 W/cm 2 . Si actúa sobre las zonas mencionadas anteriormente, puede estimular reflexivamente el trabajo de estos órganos.

4. Efectos biológicos y terapéuticos del calor y el frío.

El cuerpo humano emite y absorbe constantemente radiación térmica. Este proceso depende de la temperatura del cuerpo humano y del medio ambiente. La radiación infrarroja máxima del cuerpo humano se sitúa en 9300 nm.

Con dosis pequeñas y medianas de irradiación IR, se potencian los procesos metabólicos y se aceleran las reacciones enzimáticas, los procesos de regeneración y reparación.

Como resultado de la acción de los rayos infrarrojos y la radiación visible, se forman en los tejidos sustancias biológicamente activas (bradicinina, kalidina, histamina, acetilcolina, principalmente sustancias vasomotoras, que desempeñan un papel en la implementación y regulación del flujo sanguíneo local).

Como resultado de la acción de los rayos infrarrojos, se activan los termorreceptores de la piel, cuya información se envía al hipotálamo, como resultado de lo cual los vasos sanguíneos de la piel se dilatan, aumenta el volumen de sangre que circula en ellos y aumenta la sudoración. aumenta.

La profundidad de penetración de los rayos infrarrojos depende de la longitud de onda, la humedad de la piel, su llenado de sangre, el grado de pigmentación, etc.

El eritema rojo aparece en la piel humana bajo la influencia de los rayos infrarrojos.

Se utiliza en la práctica clínica para influir en la hemodinámica local y general, aumentar la sudoración, relajar los músculos, reducir el dolor, acelerar la reabsorción de hematomas, infiltrados, etc.

En condiciones de hipertermia, el efecto antitumoral de la radioterapia (termorradioterapia) aumenta.

Las principales indicaciones para el uso de la terapia IR: procesos inflamatorios agudos no purulentos, quemaduras y congelaciones, procesos inflamatorios crónicos, úlceras, contracturas, adherencias, lesiones de articulaciones, ligamentos y músculos, miositis, mialgias, neuralgias. Principales contraindicaciones: tumores, inflamaciones purulentas, hemorragias, insuficiencia circulatoria.

El frío se utiliza para detener hemorragias, aliviar el dolor y tratar determinadas enfermedades de la piel. El endurecimiento conduce a la longevidad.

Bajo la influencia del frío, la frecuencia cardíaca y la presión arterial disminuyen y se inhiben las reacciones reflejas.

En determinadas dosis, el frío estimula la curación de quemaduras, heridas purulentas, úlceras tróficas, erosiones y conjuntivitis.

criobiología- estudia los procesos que ocurren en células, tejidos, órganos y el cuerpo bajo la influencia de temperaturas bajas y no fisiológicas.

Utilizado en medicina crioterapia Y hipertermia. La crioterapia incluye métodos basados ​​​​en el enfriamiento dosificado de tejidos y órganos. La criocirugía (parte de la crioterapia) utiliza la congelación local de tejidos con el fin de extirparlos (parte de la amígdala. En todo caso, crioamigdalectomía. Se pueden extirpar tumores, por ejemplo, piel, cuello uterino, etc.) Crioextracción basada en crioadhesión (adherencia de cuerpos mojados a un bisturí congelado ) - separación de una parte de un órgano.

Con la hipertermia, es posible preservar las funciones de los órganos in vivo durante algún tiempo. La hipotermia con anestesia se utiliza para preservar la función de los órganos en ausencia de suministro de sangre, ya que el metabolismo de los tejidos se ralentiza. Los tejidos se vuelven resistentes a la hipoxia. Se utiliza anestesia fría.

La acción del calor se realiza mediante lámparas incandescentes (lámpara Minin, Solux, baño termoluminoso, lámpara de rayos IR) utilizando medios físicos que tienen una alta capacidad calorífica, mala conductividad térmica y buena capacidad de retención de calor: lodo, parafina, ozoquerita, naftaleno, etc.

5. Fundamentos físicos de la termografía.

La termografía, o imagen térmica, es un método de diagnóstico funcional basado en el registro de la radiación infrarroja del cuerpo humano.

Hay 2 tipos de termografía:

- termografía colestérica de contacto: El método utiliza las propiedades ópticas de los cristales líquidos colestéricos (mezclas multicomponentes de ésteres y otros derivados del colesterol). Estas sustancias reflejan selectivamente diferentes longitudes de onda, lo que permite obtener imágenes del campo térmico de la superficie del cuerpo humano en películas de estas sustancias. Se dirige un chorro de luz blanca sobre la película. Las diferentes longitudes de onda se reflejan de manera diferente en la película dependiendo de la temperatura de la superficie sobre la que se aplica el colestérico.

Bajo la influencia de la temperatura, los colestéricos pueden cambiar de color de rojo a violeta. Como resultado, se forma una imagen en color del campo térmico del cuerpo humano, que es fácil de descifrar conociendo la relación temperatura-color. Hay colestéricos que permiten registrar una diferencia de temperatura de 0,1 grados. Por lo tanto, es posible determinar los límites del proceso inflamatorio, focos de infiltración inflamatoria en diferentes etapas de su desarrollo.

En oncología, la termografía permite identificar ganglios metastásicos con un diámetro de 1,5-2 milímetros en la glándula mamaria, piel, glándula tiroides; en ortopedia y traumatología, evaluar el riego sanguíneo de cada segmento de la extremidad, por ejemplo, antes de la amputación, anticipar la profundidad de la quemadura, etc.; en cardiología y angiología, identificar alteraciones en el funcionamiento normal del sistema cardiovascular, trastornos circulatorios debido a enfermedades vibratorias, inflamación y obstrucción de los vasos sanguíneos; venas varicosas, etc.; en neurocirugía, determinar la ubicación de los focos de daño de la conducción nerviosa, confirmar la ubicación de la neuroparálisis causada por la apoplejía; en obstetricia y ginecología, determinar el embarazo, localización del lugar del niño; diagnosticar una amplia gama de procesos inflamatorios.

- Teletermografía - se basa en la conversión de la radiación infrarroja del cuerpo humano en señales eléctricas que se registran en la pantalla de una cámara termográfica u otro dispositivo de grabación. El método es sin contacto.

La radiación IR se percibe mediante un sistema de espejos, después de lo cual los rayos IR se dirigen al receptor de ondas IR, cuya parte principal es un detector (fotorresistor, bolómetro metálico o semiconductor, termoelemento, indicador fotoquímico, convertidor electrón-óptico, piezoeléctrico). detectores, etc.).

Las señales eléctricas del receptor se transmiten a un amplificador y luego a un dispositivo de control, que sirve para mover espejos (escanear un objeto), calentar una fuente de luz puntual TIS (proporcional a la radiación térmica) y mover una película fotográfica. Cada vez la película se ilumina con TIS según la temperatura corporal en el sitio de estudio.

Después del dispositivo de control, la señal se puede transmitir a un sistema informático con pantalla. Esto le permite almacenar termogramas y procesarlos mediante programas analíticos. Las cámaras termográficas en color proporcionan capacidades adicionales (los colores similares en temperatura se indican en colores contrastantes) y se pueden dibujar isotermas.

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