ENERGIJOS IŠSKYRIMAS IR ĮVERTINIMAS

ATOMAI IR MOLEKULĖS

KLAUSIMAI KLASEI TEMA:

1. Šiluminė spinduliuotė. Pagrindinės jo charakteristikos: spinduliuotės srautas F, energetinis šviesumas(intensity) R, spektrinio šviesumo tankis r λ ; sugerties koeficientas α, monochromatinis sugerties koeficientas α λ. Visiškai juodas kūnas. Kirchhoffo dėsnis.

2. Spektrai šiluminė spinduliuotė a.ch.t. (tvarkaraštis). Kvantinė šiluminės spinduliuotės prigimtis (Plancko hipotezė; nereikia prisiminti ε λ formulės). A.ch.t spektro priklausomybė. apie temperatūrą (grafikas). Vyno dėsnis. Stefano-Boltzmanno įstatymas dėl a.ch.t. (be išvesties) ir kitiems korpusams.

3. Atomų elektroninių apvalkalų sandara. Energijos lygiai. Energijos emisija pereinant tarp energijos lygių. Boro formulė ( dažniui ir bangos ilgiui). Atomų spektrai. Vandenilio atomo spektras. Spektrinė serija. Bendra koncepcija apie molekulių ir kondensuotų medžiagų (skysčių, kietųjų medžiagų) spektrus. Koncepcija spektrinė analizė ir jo naudojimas medicinoje.

4. Liuminescencija. Liuminescencijos tipai. Fluorescencija ir fosforescencija. Metastabilių lygių vaidmuo. Liuminescencijos spektrai. Stokso taisyklė. Liuminescencinė analizė ir jos panaudojimas medicinoje.

5. Šviesos sugerties dėsnis (Bouguer dėsnis; išvada). Pralaidumas τ ir optinis tankis D. Tirpalų koncentracijos nustatymas šviesos sugerties būdu.

Laboratorinis darbas: „absorbcijos spektro registravimas ir tirpalo koncentracijos nustatymas naudojant fotoelektrokolorimetrą“.

LITERATŪRA:

Privaloma: A.N. Remizovas. „Medicinos ir biologinė fizika", M.", absolventų mokykla“, 1996, sk. 27, 1–3 punktai; 29 skyriaus 1,2 punktai

• papildoma: Energijos emisija ir absorbcija atomais ir molekulėmis, paskaita, rizografas, red. skyrius, 2002 m

PAGRINDINĖS APIBRĖŽTYS IR FORMULĖS

1. Šiluminė spinduliuotė

Visi kūnai net be jokių išorinis poveikis skleisti elektromagnetines bangas. Šios spinduliuotės energijos šaltinis yra kūną sudarančių dalelių šiluminis judėjimas, todėl jis vadinamas šiluminė spinduliuotė. Esant aukštai temperatūrai (apie 1000 K ir daugiau), ši spinduliuotė iš dalies patenka į matomos šviesos diapazoną, žemos temperatūros Skleidžiami infraraudonieji spinduliai, o esant labai žemam lygiui – radijo bangos.

Radiacijos srautas F - Tai šaltinio skleidžiama spinduliuotės galia, arba spinduliuotės energija, išskiriama per laiko vienetą: Ф = Р = ; srauto vienetas - vatų.

Energingas šviesumas R - Tai spinduliuotės srautas, skleidžiamas iš vienetinio kūno paviršiaus: ; energetinio šviesumo vienetas – W.m –2 .

Energetinio šviesumo spektrinis tankis r λ - Tai kūno energetinio šviesumo santykis mažame bangos ilgio intervale (ΔR λ ) iki šio intervalo reikšmės Δ λ:

Matmenys r λ – W.m - 3

Visiškai juodas kūnas (a.b.t.) vadinamas t valgė kurįpilnai sugeria krintančią spinduliuotę. Gamtoje tokių kūnų nėra, bet geras a.ch.t modelis. yra maža skylė uždaroje ertmėje.

Monochromatinis sugerties koeficientas yra absorbcijos koeficiento vertė, išmatuota siaurame spektriniame diapazone aplink tam tikrą reikšmę λ.

Kirchhoffo dėsnis: adresu pastovi temperatūra požiūris spektrinis tankis energetinis šviesumas esant tam tikram bangos ilgiui iki monochromatinės sugerties koeficiento esant tam pačiam bangos ilgiui vienodas visiems kūnams ir yra lygus a.b.t. energijos šviesumo spektriniam tankiui. šiuo bangos ilgiu:

(kartais r λ A.Ch.T reiškia ε λ)

Visiškai juodas kūnas sugeria ir skleidžia spinduliuotę visi bangos ilgiai,Štai kodėl a.h.t spektras. visada tvirtas.Šio spektro tipas priklauso nuo kūno temperatūros. Kylant temperatūrai, pirma, žymiai padidėja energetinis šviesumas; antra, bangos ilgis, atitinkanti didžiausią spinduliuotę(λ maks ) , pasislenka link trumpesnių bangų ilgių :, kur b ≈ 29090 µm.K -1 ( Vieno dėsnis).

Stefano-Boltzmanno įstatymas: energetinis šviesumas a.h.t. proporcinga ketvirtajai kūno temperatūros laipsniai Kelvino skalėje: R = σT 4

2. Atomų ir molekulių energijos emisija

Kaip žinoma, atomo elektronų apvalkale elektrono energija gali įgyti tik griežtai apibrėžtas reikšmes, būdingas tam tikram atomui. Kitaip tariant, jie taip sako elektronas gali būti lokalizuotas tik tam tikruoseenergijos lygiai. Kai elektronas yra tam tikrame energijos lygyje, jis nekeičia savo energijos, tai yra, jis nesugeria ir neišskiria šviesos. Pereinant iš vieno lygio į kitą keičiasi elektrono energija, o kartu absorbuojamas arba išmetamasšviesos kvantas (fotonas).Kvanto energija lygi lygių, tarp kurių vyksta perėjimas, energijų skirtumui: E KVANTAS = hν = E n – E m čia n ir m yra lygių skaičiai (Boro formulė).

Elektronų perėjimai tarp skirtingų lygiųatsirasti su skirtinga tikimybe. Kai kuriais atvejais perėjimo tikimybė yra labai artima nuliui; atitinkamos spektro linijos normaliomis sąlygomis nepastebimos. Tokie perėjimai vadinami draudžiama.

Daugeliu atvejų elektrono energija negali būti paversta kvantine energija, o paverčiama atomų ar molekulių šiluminio judėjimo energija. Tokie perėjimai vadinami nespinduliuojantis.

Be perėjimo tikimybės, spektro linijų ryškumas yra tiesiogiai proporcingas skleidžiančios medžiagos atomų skaičiui. Šios priklausomybės pagrindas kiekybinė spektrinė analizė.
3. Liuminescencija

Liuminescencija skambinti bet kuriuo ne šiluminė spinduliuotė.Šios spinduliuotės energijos šaltiniai atitinkamai gali būti skirtingi skirtingų tipų liuminescencija. Svarbiausi iš jų yra: chemiliuminescencija- švytėjimas, kuris atsiranda tam tikru metu cheminės reakcijos; bioliuminescencija– tai chemiliuminescencija gyvuose organizmuose; katodoliuminescencija -švyti veikiant elektronų srautui, kuris naudojamas televizoriaus vaizdo kineskopuose, katodinių spindulių kineskopuose, dujinėse šviesos lempose ir kt.; elektroliuminescencija– švytėjimas, atsirandantis elektriniame lauke (dažniausiai puslaidininkiuose). Įdomiausias liuminescencijos tipas yra fotoliuminescencija. Tai procesas, kurio metu atomai ar molekulės sugeria šviesą (arba UV spinduliuotę) viename bangos ilgio diapazone, o išspinduliuoja kitame (pavyzdžiui, sugeria mėlynus spindulius, o skleidžia geltonus). Šiuo atveju medžiaga santykinai sugeria kvantus puiki energija hν 0 (su trumpu bangos ilgiu). Tada elektronas gali ne iš karto grįžti į žemės lygį, o pirmiausia pereiti į tarpinį lygį, o po to į žemės lygį (gali būti keli tarpiniai lygiai). Daugeliu atvejų kai kurie perėjimai yra nespinduliuojantys, tai yra, elektronų energija paverčiama šiluminio judėjimo energija. Todėl liuminescencijos metu skleidžiamų kvantų energija bus mažesnė už sugerto kvanto energiją. Skleidžiamos šviesos bangos ilgiai turi būti didesni už sugertos šviesos bangos ilgį. Jei tai, kas buvo pasakyta, yra suformuluota bendras vaizdas, gauname įstatymas Stoksas : liuminescencijos spektras pasislenka link daugiau ilgos bangos lyginant su liuminescenciją sukeliančios spinduliuotės spektru.

Yra dviejų tipų liuminescencinės medžiagos. Kai kuriuose, išjungus jaudinančią šviesą, švytėjimas nutrūksta beveik akimirksniu. Tai trumpalaikiaišvytėjimas vadinamas fluorescencija.

Kitos rūšies medžiagose, išjungus jaudinančią šviesą, švytėjimas išnyksta palaipsniui(Pagal eksponentinė teisė). Tai ilgalaikėsšvytėjimas vadinamas fosforescencija. Ilgo švytėjimo priežastis yra ta, kad tokių medžiagų atomuose ar molekulėse yra metastabilūs lygiai.Metastabilus Šis energijos lygis vadinamas kuriame elektronai gali išlikti daug ilgiau nei esant normaliam lygiui. Todėl fosforescencijos trukmė gali būti minutės, valandos ir net dienos.
4. Šviesos sugerties dėsnis (Bouguer dėsnis)

Kai spinduliuotės srautas praeina pro medžiagą, ji praranda dalį savo energijos (sugerta energija virsta šiluma). Šviesos sugerties dėsnis vadinamas Bouguer dėsnis: Ф = Ф 0 ∙ e – κ λ · L ,

čia Ф 0 – krintantis srautas, Ф – srautas, einantis per L storio medžiagos sluoksnį; vadinamas koeficientas κ λ natūralus absorbcijos greitis ( jo dydis priklauso nuo bangos ilgio) . Praktiniams skaičiavimams jie teikia pirmenybę natūralūs logaritmai naudokite dešimtaines dalis. Tada Bouguer dėsnis įgauna tokią formą: Ф = Ф 0 ∙ 10 – k λ ∙ L ,

kur k λ – dešimtainis absorbcijos greitis.

Pralaidumas nurodykite kiekį

Optinis tankis D - tai lygybe apibrėžtas kiekis: . Galima sakyti ir kitaip: optinis tankis D yra Bouguer dėsnio formulės eksponente: D = k λ ∙ L

koeficientas χ λ vadinamas molinės absorbcijos greitis(jei koncentracija nurodyta moliais) arba savitasis absorbcijos greitis(jei koncentracija nurodyta gramais). Iš paskutinės formulės gauname: Ф = Ф 0 ∙10 - χ λ ∙ C ∙ L(įstatymas Bugera – Bera)

Šios formulės yra labiausiai paplitusios klinikinėse ir biocheminėse laboratorijose ištirpusių medžiagų koncentracijų nustatymo šviesos sugerties būdu metodas.

MOKYMO TIPO PROBLEMOS SU SPRENDIMAIS

(Ateityje, dėl trumpumo, tiesiog parašysime „mokymo užduotys“)

Elektrinis šildytuvas (radiatorius) skleidžia 500 W infraraudonųjų spindulių srautą. Radiatoriaus paviršiaus plotas 3300 cm2. Raskite radiatoriaus skleidžiamą energiją per 1 valandą ir radiatoriaus energetinį šviesumą.

Duota: Rasti

Ф = 500 W W ir R

t = 1 valanda = 3600 s

S = 3300 cm 2 = 0,33 m 2

Sprendimas:

Radiacijos srautas Ф yra spinduliuotės galia arba energija, išspinduliuota per laiko vienetą: . Iš čia

W = F t = 500 W 3 600 s = 18 10 5 J = 1 800 kJ

2 mokymosi tikslas

Kokio bangos ilgio žmogaus odos šiluminė spinduliuotė yra didžiausia (tai yra r λ = max)? Atvirų kūno dalių (veido, rankų) odos temperatūra yra apie 30 o C.

Duota: Rasti:

Т = 30 о С = 303 К λ maks

Sprendimas:

Mes pakeičiame duomenis į Wien formulę: ,

tai yra, beveik visa spinduliuotė yra IR spektro diapazone.

3 mokymosi tikslas

Elektronas yra energijos lygyje, kurio energija yra 4,7,10–19 J

Kai buvo apšvitintas 600 nm bangos ilgio šviesa, jis perėjo į aukštesnį energijos lygį. Raskite šio lygio energiją.

Sprendimas:

4 mokymosi tikslas

Dešimtainė vandens sugerties vertė saulės šviesa lygus 0,09 m –1. Kokia radiacijos dalis pasieks gylį L = 100 m?

Duota Rasti:

k = 0,09 m – 1

Sprendimas:

Užrašykime Bouguer dėsnį: . Akivaizdu, kad spinduliuotės dalis, pasiekianti gylį L, yra

tai yra viena milijardoji saulės šviesos dalis pasieks 100 m gylį.
5 mokymosi tikslas

Šviesa nuosekliai praeina per du filtrus. Pirmasis turi optinį tankį D 1 = 0,6; antrasis turi D 2 = 0,4. Kiek procentų spinduliuotės srauto praeis per šią sistemą?

Duota: Rasti:

D 1 = 0,6 (% %)

Sprendimas:

Sprendimą pradedame nuo šios sistemos brėžinio

SF-1 SF-2

Raskite Ф 1: Ф 1 = Ф 0 10 – D 1

Panašiai srautas, einantis per antrąjį šviesos filtrą, yra lygus:

Ф 2 = Ф 1 10 – D 2 = Ф 0 10 – D 1 10 – D 2 = Ф 0 10 – (D 1 + D 2)

Gautas rezultatas turi bendrą reikšmę: jei šviesa nuosekliai praeina per kelių objektų sistemą,bendras optinis tankis bus lygus šių objektų optinių tankių sumai .

Mūsų uždavinio sąlygomis srautas F 2 = 100 %∙10 – (0,6 + 0,4) = 100 %∙10 – 1 = 10 % praeis per dviejų šviesos filtrų sistemą.

Pagal Bouguer-Baer įstatymą galima visų pirma nustatyti DNR koncentraciją. Matomame regione sprendimai nukleino rūgštys skaidrūs, tačiau jie stipriai sugeria UV spektro dalį; Sugerties maksimumas yra apie 260 nm. Akivaizdu, kad būtent šioje spektro srityje turi būti matuojama spinduliuotės sugertis; šiuo atveju matavimo jautrumas ir tikslumas bus geriausias.

Probleminės sąlygos: matuojant UV spindulių, kurių bangos ilgis 260 nm, sugertį DNR tirpalu, perduodamas spinduliuotės srautas susilpnėjo 15 proc. Spindulio kelio ilgis kiuvetėje su tirpalu „x“ yra 2 cm DNR molinės absorbcijos indeksas (dešimtainis) esant 260 nm bangos ilgiui yra 1,3,10 5 mol – 1,cm 2 Raskite DNR koncentraciją. sprendimas.

Duota:

Ф 0 = 100 %; F = 100 % – 15 % = 85 % Rasti: Su DNR

x = 2 cm; λ = 260 nm

χ 260 = 1.3.10 5 mol –1 .cm 2

Sprendimas:

(norėdami atsikratyti, mes „apvertėme“ trupmeną neigiamas rodiklis laipsnių). . Dabar logaritmas: , ir ; mes pakeičiame:

0,07 ir C = 2,7,10 – 7 mol/cm3

Atkreipkite dėmesį į didelį metodo jautrumą!

b = 2900 µm.K; σ = 5,7,10 – 8 W.K 4; h = 6,6,10 – 34 J.s; c = 3,10 8 m.s –1

2. Dviejų lempučių konstrukcija yra lygiai tokia pati, išskyrus tai, kad vienos siūlelis pagamintas iš gryno volframo (α = 0,3), o kitoje jis padengtas platinos juoda spalva (α = 0,93). Kuri lemputė spinduliuoja daugiau? Kiek kartų?

3. Kokiose spektro srityse yra didžiausią energijos šviesumo spektrinį tankį atitinkantys bangų ilgiai, jei spinduliavimo šaltinis yra: a) elektros lemputės spiralė (T = 2 300 K); b) Saulės paviršius (T = 5 800 K); c) paviršius ugnies kamuolys branduolinis sprogimas tuo metu, kai jo temperatūra yra apie 30 000 K? Šių spinduliuotės šaltinių savybių skirtumas nuo a.ch.t. nepriežiūra.

4. Įkaitusi metalinis korpusas, kurio paviršius yra 2,10 - 3 m 2, esant 1000 K paviršiaus temperatūrai skleidžia 45,6 srautą. antradienis Koks šio kūno paviršiaus sugerties koeficientas?

5. Lemputės galia 100 W. Kaitinamojo siūlelio paviršiaus plotas 0,5,10 - 4 m 2. Kaitinamojo siūlelio temperatūra 2400 K. Koks yra siūlelio paviršiaus sugerties koeficientas?

6. Esant kiekvienos odos temperatūrai 27 0 C kvadratinis centimetras Iš kūno paviršiaus išsiskiria 0,454 W. Ar galima (ne blogesniu nei 2 proc. tikslumu) odą laikyti absoliučiai juodu kūnu?

7. Mėlynos žvaigždės spektre didžiausia emisija atitinka 0,3 mikrono bangos ilgį. Kokia šios žvaigždės paviršiaus temperatūra?

8. Kokią energiją išspinduliuoja 4000 cm 2 paviršiaus plotas per vieną valandą?

esant 400 K temperatūrai, jei kūno sugerties koeficientas yra 0,6?

9. Plokštelės (A) paviršiaus plotas yra 400 cm 2 ; jo absorbcijos koeficientas yra 0,4. Kitos plokštės (B), kurios plotas 200 cm 2, sugerties koeficientas yra 0,2. Plokščių temperatūra yra tokia pati. Kuri plokštė išskiria daugiau energijos ir kiek?

10 – 16. Kokybinė spektrinė analizė. Remiantis vieno iš organinių junginių sugerties spektru, kurio spektras

parodyta paveikslėlyje, nustatykite, kuri funkcines grupes yra šios medžiagos dalis, naudokite lentelės duomenis:

10 – grafikas a); 11 – grafikas b); 12 – grafikas c); 13 – grafikas d);

14 – grafikas d); 15 – grafikas f); 16 – grafikas g).

Atkreipkite dėmesį į tai, kokia vertė jūsų grafike pavaizduota vertikalioje ašyje!

17. Šviesa nuosekliai praeina per du šviesos filtrus, kurių pralaidumo koeficientai yra 0,2 ir 0,5. Kiek procentų radiacijos išeis iš tokios sistemos?

18. Šviesa nuosekliai praeina per du filtrus, kurių optinis tankis yra 0,7 ir 0,4. Kiek procentų spinduliuotės praeis per tokią sistemą?

19. Norint apsisaugoti nuo branduolinio sprogimo šviesos spinduliuotės, reikia akinių, kurie silpnina šviesą bent milijoną kartų. Stiklo, iš kurio norima pagaminti tokius stiklus, optinis tankis yra 3, kurio storis 1 mm. Kokio storio stiklą reikia paimti norint pasiekti reikiamą rezultatą?

20 Norint apsaugoti akis dirbant lazeriu, būtina, kad į akį patektų spinduliuotės srautas, ne didesnis kaip 0,0001 % lazerio sukuriamo srauto. Koks turėtų būti akinių optinis tankis, kad būtų užtikrintas jų saugumas?

Bendra 21 – 28 uždavinių užduotis (kiekybinė analizė):

Paveiksle pavaizduoti kai kurių medžiagų spalvotų tirpalų sugerties spektrai. Be to, problemos rodo D reikšmes (tirpalo optinis tankis, esant bangos ilgiui, atitinkančiam didžiausią šviesos sugertį) ir X(kiuvetės storis). Raskite tirpalo koncentraciją.

Atkreipkite dėmesį į vienetus, kuriais jūsų grafike nurodytas absorbcijos greitis.

21. Grafikas a). D = 0,8 x = 2 cm

22. Grafikas b). D = 1,2 x = 1 cm

... 23. Grafikas c). D = 0,5 x = 4 cm

24. Grafikas d). D = 0,25 x = 2 cm

25 Tvarkaraštis d). D = 0,4 x = 3 cm

26. Grafikas e) D = 0,9 x = 1 cm

27. Grafikas g). D = 0,2 x = 2 cm

1. Šiluminės spinduliuotės charakteristikos.

2. Kirchhoffo dėsnis.

3. Juodojo kūno spinduliavimo dėsniai.

4. Saulės spinduliavimas.

5. Fiziniai pagrindai termografija.

6. Fototerapija. Terapinis ultravioletinių spindulių naudojimas.

7. Pagrindinės sąvokos ir formulės.

8. Užduotys.

Iš visos žmogaus akiai matomos ar nematomos elektromagnetinės spinduliuotės įvairovės galima išskirti tą, kuri būdinga visiems kūnams - tai šiluminė spinduliuotė.

Šiluminė spinduliuotė- elektromagnetinė spinduliuotė, kurią skleidžia medžiaga ir atsiranda dėl jos vidinės energijos.

Šiluminę spinduliuotę sukelia medžiagos dalelių sužadinimas susidūrimų metu šiluminio judėjimo metu arba pagreitėjus krūvių judėjimui (kristalinės gardelės jonų virpesiai, terminis laisvųjų elektronų judėjimas ir kt.). Jis atsiranda bet kokioje temperatūroje ir būdingas visiems kūnams. Būdinga šiluminės spinduliuotės savybė yra nuolatinis spektras.

Radiacijos intensyvumas ir spektrinė kompozicija priklauso nuo kūno temperatūros, todėl šiluminę spinduliuotę akis ne visada suvokia kaip švytėjimą. Pavyzdžiui, iki aukštos temperatūros įkaitinti kūnai išskiria nemažą dalį energijos matomame diapazone, o kambario temperatūroje beveik visa energija išspinduliuojama infraraudonojoje spektro dalyje.

26.1. Šiluminės spinduliuotės charakteristikos

Energija, kurią kūnas praranda dėl šiluminės spinduliuotės, apibūdinama šiais dydžiais.

Radiacijos srautas(F) – per laiko vienetą iš viso kūno paviršiaus išskiriama energija.

Tiesą sakant, tai yra šiluminės spinduliuotės galia. Spinduliuotės srauto matmuo yra [J/s = W].

Energingas šviesumas(Re) yra šiluminės spinduliuotės energija, skleidžiama per laiko vienetą iš šildomo kūno paviršiaus vieneto:

Šios charakteristikos matmuo yra [W/m2].

Ir spinduliuotės srautas, ir energetinis šviesumas priklauso nuo medžiagos struktūros ir jos temperatūros: Ф = Ф(Т), Re = Re(T).

Jį apibūdina energetinio šviesumo pasiskirstymas per šiluminės spinduliuotės spektrą spektrinis tankis. Pažymime šiluminės spinduliuotės energiją, skleidžiamą vienetinio paviršiaus per 1 s siaurame bangos ilgių diapazone nuo λ į λ + d λ, per dRe.

Energetinio šviesumo spektrinis tankis(r) arba spinduliuotė vadinamas energetinio šviesumo siauroje spektro dalyje (dRe) ir šios dalies pločio santykiu (dλ):

Apytikslė spektrinio tankio ir energetinio šviesumo (dRe) forma bangos ilgių diapazone nuo λ į λ + d λ, parodyta pav. 26.1.

Ryžiai. 26.1. Energetinio šviesumo spektrinis tankis

Energetinio šviesumo spektrinio tankio priklausomybė nuo bangos ilgio vadinama kūno spinduliuotės spektras.Šios priklausomybės žinojimas leidžia apskaičiuoti kūno energinį šviesumą bet kuriame bangos ilgio diapazone:

Kūnai ne tik skleidžia, bet ir sugeria šiluminę spinduliuotę. Kūno gebėjimas sugerti spinduliuotės energiją priklauso nuo jo medžiagos, temperatūros ir spinduliuotės bangos ilgio. Organizmo sugeriamumas pasižymi monochromatinis sugerties koeficientasα.

Tegul srovelė nukrenta ant kūno paviršiaus vienspalvis spinduliuotė Φ λ su bangos ilgiu λ. Dalis šio srauto atsispindi, o dalį absorbuoja kūnas. Pažymime sugerto srauto dydį Φ λ abs.

Monochromatinis sugerties koeficientas α λ yra tam tikro kūno sugerto spinduliuotės srauto ir krentančio vienspalvio srauto dydžio santykis:

Monochromatinis sugerties koeficientas yra bematis dydis. Jo reikšmės yra tarp nulio ir vieneto: 0 ≤ α ≤ 1.

Funkcija α = α(λ,T), išreiškianti monochromatinės sugerties koeficiento priklausomybę nuo bangos ilgio ir temperatūros, vadinama absorbcijos pajėgumas kūnai. Jo išvaizda gali būti gana sudėtinga. Toliau aptariami paprasčiausi absorbcijos tipai.

absoliučiai juodas kūnas - kūnas, kurio absorbcijos koeficientas lygus vienam visiems bangos ilgiams: α = 1. Jis sugeria visą į jį patenkančią spinduliuotę.

Pagal savo sugeriamąsias savybes suodžiai, juodas aksomas ir platinos juodos spalvos yra artimos absoliučiai juodam korpusui. Labai geras juodo korpuso modelis – uždara ertmė su maža skylute (O). Ertmės sienelės pajuodusios (pav. 26.2.

Spindulys, patenkantis į šią skylę, po pasikartojančių atspindžių nuo sienų beveik visiškai sugeriamas. Panašūs įrenginiai

Ryžiai. 26.2. Juodos spalvos korpuso modelis

naudojamas kaip šviesos standartas, naudojamas aukštai temperatūrai matuoti ir kt.

Absoliučiai juodo kūno energijos šviesumo spektrinis tankis žymimas ε(λ,Τ). Ši funkcija groja gyvybiškai svarbus vaidmuošiluminės spinduliuotės teorijoje.

Jo forma iš pradžių buvo nustatyta eksperimentiškai, o vėliau gauta teoriškai (Plancko formulė). Visiškai baltas kūnas - kūnas, kurio absorbcijos koeficientas lygus nuliui

visiems bangos ilgiams: α = 0.

Gamtoje tikrai baltų kūnų nėra, tačiau yra kūnų, kurie savo savybėmis yra artimi jiems gana plačiame temperatūrų ir bangų ilgių diapazone. Pavyzdžiui, optinėje spektro dalyje esantis veidrodis atspindi beveik visą krintantį šviesą. Pilkas kūnas< 1.

yra kūnas, kurio sugerties koeficientas nepriklauso nuo bangos ilgio: α = const Kai kurie tikrų kūnų

turėti šią savybę tam tikrame bangos ilgių ir temperatūrų diapazone. Pavyzdžiui, žmogaus oda infraraudonųjų spindulių srityje gali būti laikoma „pilka“ (α = 0,9).

26.2. Kirchhoffo dėsnis

Kiekybinį ryšį tarp spinduliuotės ir sugerties nustatė G. Kirchhoff (1859). Kirchhoffo dėsnis - požiūris spinduliuotė kūnas jam absorbcijos pajėgumas

Pažymėkime kai kurias šio įstatymo pasekmes.

1. Jei kūnas tam tikroje temperatūroje nesugeria jokios spinduliuotės, vadinasi, jis jos ir neišskiria. Tikrai, jei už

26.3. Juodojo kūno spinduliavimo dėsniai

Juodojo kūno spinduliuotės dėsniai buvo nustatyti tokia seka.

1879 metais eksperimentiškai J. Stefanas, o 1884 metais L. Boltzmannas teoriškai nustatė energetinis šviesumas visiškai juodas kūnas.

Stefano-Boltzmanno įstatymas - Visiškai juodo kūno energetinis šviesumas yra proporcingas jo absoliučios temperatūros ketvirtajai galiai:

Kai kurių medžiagų sugerties koeficientų reikšmės pateiktos lentelėje. 26.1.

26.1 lentelė. Absorbcijos koeficientai

Vokiečių fizikas W. Wienas (1893 m.) sukūrė bangos ilgio, kuriam esant didžiausias, formulę. - požiūris visiškai juodas kūnas. Jo gautas santykis buvo pavadintas jo vardu.

Kylant temperatūrai, didžiausia spinduliuotė pamainomisį kairę (26.3 pav.).

Ryžiai. 26.3. Wien poslinkio įstatymo iliustracija

Lentelėje 26.2 rodo spalvas matomoje spektro dalyje, atitinkančią kūnų spinduliuotę esant skirtingoms temperatūroms.

26.2 lentelė. Įkaitusių kūnų spalvos

Naudojant Stefan-Boltzmann ir Wien dėsnius, galima nustatyti kūnų temperatūras matuojant šių kūnų spinduliuotę. Pavyzdžiui, taip nustatoma Saulės paviršiaus temperatūra (~6000 K), temperatūra sprogimo epicentre (~10 6 K) ir kt. Bendras pavadinimasšie metodai - pirometrija.

1900 metais M. Planckas gavo skaičiavimo formulę - požiūris absoliučiai juodas kūnas teoriškai. Norėdami tai padaryti, jis turėjo atsisakyti klasikinių idėjų apie tęstinumą radiacijos procesas elektromagnetines bangas. Plancko teigimu, spinduliuotės srautas susideda iš atskirų dalių – kvantai, kurių energijos yra proporcingos šviesos dažniams:

Iš (26.11) formulės teoriškai galima gauti Stefano-Boltzmanno ir Vieno dėsnius.

26.4. Saulės spinduliavimas

Viduje saulės sistema Saulė yra galingiausias šiluminės spinduliuotės šaltinis, lemiantis gyvybę Žemėje. Saulės spinduliuotė turi gydomųjų savybių (helioterapija) ir naudojama kaip grūdinimo priemonė. Taip pat gali suteikti neigiamas poveikis ant kūno (nudegimas, karštis

Saulės spinduliuotės spektrai ties riba žemės atmosfera ir netoli Žemės paviršiaus yra skirtingi (26.4 pav.).

Ryžiai. 26.4. Saulės spinduliuotės spektras: 1 - ties atmosferos riba, 2 - prie Žemės paviršiaus

Ties atmosferos riba Saulės spektras yra artimas visiškai juodo kūno spektrui. Didžiausia spinduliuotė atsiranda esant λ 1max= 470 nm (mėlyna spalva).

Žemės paviršiuje saulės spinduliuotės spektras turi sudėtingesnę formą, kuri yra susijusi su absorbcija atmosferoje. Visų pirma, jame nėra aukšto dažnio ultravioletinės spinduliuotės dalies, kuri yra kenksminga gyviems organizmams. Šiuos spindulius beveik visiškai sugeria ozono sluoksnis. Didžiausia spinduliuotė atsiranda esant λ 2max= 555 nm (žalia-geltona), o tai atitinka geriausią akių jautrumą.

Saulės šiluminės spinduliuotės srautas ties Žemės atmosferos riba lemia saulės konstanta aš.

Srauto pasiekiantis žemės paviršiaus, žymiai mažiau dėl absorbcijos atmosferoje. Daugiausia palankiomis sąlygomis(saulė yra savo zenite) neviršija 1120 W/m2. Šiuo metu Maskvoje vasaros saulėgrįža(birželis) - 930 W/m2.

Tiek saulės spinduliuotės galia žemės paviršiuje, tiek jos spektrinė sudėtis labiausiai priklauso nuo Saulės aukščio virš horizonto. Fig. 26.5 paveiksle pavaizduotos išlygintos saulės energijos pasiskirstymo kreivės: I - už atmosferos ribų; II – kai Saulė yra savo zenite; III - 30° aukštyje virš horizonto; IV – saulėtekio ir saulėlydžio sąlygomis (10° virš horizonto).

Ryžiai. 26.5. Energijos pasiskirstymas saulės spektre skirtinguose aukščiuose virš horizonto

Skirtingi saulės spektro komponentai per žemės atmosferą praeina skirtingai. 26.6 paveiksle parodytas atmosferos skaidrumas dideliame Saulės aukštyje.

26.5. Fiziniai termografijos pagrindai

Žmogaus šiluminė spinduliuotė sudaro didelę jo šiluminių nuostolių dalį. Asmens radiaciniai nuostoliai lygūs skirtumui skleidžiama srautas ir absorbuojamas spinduliuotės srautas aplinką. Spinduliavimo nuostolių galia apskaičiuojama pagal formulę

čia S yra paviršiaus plotas; δ - sumažėjęs odos (drabužių) absorbcijos koeficientas, laikomas pilkas kūnas; T 1 - kūno paviršiaus temperatūra (drabužiai); T 0 – aplinkos temperatūra.

Apsvarstykite toliau pateiktą pavyzdį.

Apskaičiuokime spinduliuotės nuostolių galią nuogas vyras esant 18°C ​​(291 K) aplinkos temperatūrai. Tarkime: kūno paviršiaus plotas S = 1,5 m2; odos temperatūra T 1 = 306 K (33°C). Pateiktą odos sugerties koeficientą galima rasti lentelėje. 26.1 (δ = 5,1*10 -8 W/m 2 K 4). Pakeitę šias reikšmes į formulę (26.11), gauname

P = 1,5*5,1*10 -8 * (306 4–291 4) ≈122 W.

Ryžiai. 26.6.Žemės atmosferos skaidrumas (procentais) skirtingoms spektro dalims esant didelis aukštis Saulės stotis.

Žmogaus šiluminė spinduliuotė gali būti naudojama kaip diagnostinis parametras.

Termografija - diagnostinis metodas, pagrįstas žmogaus kūno paviršiaus ar atskirų jo dalių šiluminės spinduliuotės matavimu ir registravimu.

Temperatūros pasiskirstymą nedideliame kūno paviršiaus plote galima nustatyti naudojant specialias skystųjų kristalų plėveles. Tokie filmai jautrūs nedideli pokyčiai temperatūros (pakeisti spalvą). Todėl ant plėvelės atsiranda spalvotas kūno srities, ant kurios jis dedamas, terminis „portretas“.

Pažangesnis metodas yra naudoti termovizorius, kurie infraraudonąją spinduliuotę paverčia į matoma šviesa. Kūno spinduliuotė yra projektuojama ant termovizoriaus matricos naudojant specialų objektyvą. Po konvertavimo ekrane susidaro detalus termoportretas. Skirtingos temperatūros sritys skiriasi spalva arba intensyvumu. Šiuolaikiniai metodai leidžia užfiksuoti iki 0,2 laipsnių temperatūros skirtumus.

Funkcinėje diagnostikoje naudojami termoportretai. Įvairios patologijos vidaus organai odos paviršiuje gali susidaryti pakitusios temperatūros zonos. Tokių zonų aptikimas rodo patologijos buvimą. Termografinis metodas palengvina diferencinę diagnozę tarp gerybinių ir piktybiniai navikai. Šis metodas yra objektyvi terapinio gydymo efektyvumo stebėjimo priemonė. Taigi, atliekant termografinį psoriaze sergančių pacientų tyrimą, buvo nustatyta, kad esant ryškiai infiltracijai ir hiperemijai plokštelėse, pastebimas temperatūros padidėjimas. Daugeliu atvejų tai rodo temperatūros sumažėjimą iki aplinkinių vietovių lygio regresija procesas ant odos.

Padidėjusi temperatūra dažnai yra infekcijos požymis. Norėdami nustatyti žmogaus temperatūrą, tiesiog pažiūrėkite per infraraudonųjų spindulių prietaisą į jo veidą ir kaklą. Už sveikų žmonių kaktos temperatūros ir temperatūros santykis miego arterijoje svyruoja nuo 0,98 iki 1,03. Šis santykis gali būti naudojamas greitajai diagnostikai epidemijų metu, atliekant karantino priemones.

26.6. Fototerapija. Terapinis ultravioletinių spindulių naudojimas

Medicinoje plačiai naudojami infraraudonieji spinduliai, matoma šviesa ir ultravioletinė spinduliuotė. Prisiminkime jų bangų ilgių diapazonus:

Fototerapija vadinamas infraraudonosios ir matomos spinduliuotės panaudojimu medicininiais tikslais.

Į audinius prasiskverbę infraraudonieji spinduliai (kaip ir matomi) absorbcijos vietoje sukelia šilumos išsiskyrimą. Infraraudonųjų ir matomų spindulių įsiskverbimo į odą gylis parodytas fig. 26.7.

Ryžiai. 26.7. Radiacijos prasiskverbimo į odą gylis

Medicinos praktikoje specialūs švitintuvai naudojami kaip infraraudonosios spinduliuotės šaltiniai (26.8 pav.).

Minino lempa Tai kaitrinė lempa su reflektoriumi, kuris lokalizuoja spinduliuotę reikiama kryptimi. Spinduliuotės šaltinis – 20-60 W kaitrinė lempa iš bespalvio arba mėlyno stiklo.

Šviesi-terminė vonia Tai pusiau cilindrinis rėmas, susidedantis iš dviejų pusių, judamai sujungtų viena su kita. Įjungta vidinis paviršiusĮ pacientą nukreiptas rėmas sustiprintas 40 W kaitrinėmis lempomis. Tokiose voniose biologinis objektas Veikia infraraudonoji ir matoma spinduliuotė, taip pat įkaitintas oras, kurio temperatūra gali siekti 70°C.

Sollux lempa Tai galinga kaitrinė lempa, įdėta į specialų atšvaitą ant trikojo. Spinduliuotės šaltinis yra 500 W galios kaitrinė lempa (volframo siūlelio temperatūra 2800°C, didžiausia spinduliuotė atsiranda esant 2 μm bangos ilgiui).

Ryžiai. 26.8. Švitintuvai: Minin lempa (a), šviesos karšta vonia (b), Sollux lempa (c)

Terapinis ultravioletinių spindulių naudojimas

Medicininiais tikslais naudojama ultravioletinė spinduliuotė skirstoma į tris diapazonus:

Kai ultravioletiniai spinduliai absorbuojami audiniuose (odoje), vyksta įvairios fotocheminės ir fotobiologinės reakcijos.

Naudojami spinduliuotės šaltiniai aukšto slėgio lempos(lankas, gyvsidabris, vamzdinis), liuminescencinė lempos, dujų išlydžio žemo slėgio lempos, Viena iš jų veislių yra baktericidinės lempos.

A spinduliuotė turi eriteminį ir įdegio efektą. Jis naudojamas daugelio dermatologinių ligų gydymui. Kai kurie furokumarinų serijos cheminiai junginiai (pavyzdžiui, psoralenas) gali įjautrinti šių pacientų odą ilgųjų bangų ultravioletiniams spinduliams ir paskatinti melanino pigmento susidarymą melanocituose. Šių vaistų derinys su A spinduliuote yra gydymo metodo, vadinamo, pagrindas fotochemoterapija arba PUVA terapija(PUVA: P – psoralenas; UVA – A zonos ultravioletinė spinduliuotė). Dalis arba visas kūnas yra veikiamas radiacijos.

B spinduliuotė turi vatimino formavimo, antirachito poveikį.

C spinduliuotė turi baktericidinį poveikį. Švitinant sunaikinama mikroorganizmų ir grybų struktūra. C spinduliuotė sukuriama specialiomis baktericidinėmis lempomis (26.9 pav.).

Kai kurie gydymo metodai kraujui apšvitinti naudoja C spinduliuotę.

Ultravioletinis badavimas. Ultravioletinė spinduliuotė yra būtina normaliam organizmo vystymuisi ir funkcionavimui. Jo trūkumas sukelia daugybę rimtų ligų. Ekstremalių sąlygų gyventojai susiduria su ultravioletiniu badu

Ryžiai. 26.9. Baktericidinis švitintuvas (a), nosiaryklės apšvitintuvas (b)

Šiaurė, kalnakasybos pramonės darbuotojai, metro, didžiųjų miestų gyventojai. Miestuose ultravioletinės spinduliuotės trūkumas siejamas su atmosferos oro užterštumu dulkėmis, dūmais ir dujomis, kurios sulaiko UV saulės spektro dalį. Patalpų langai nepraleidžia UV spindulių, kurių bangos ilgis λ< 310 нм. Значительно снижают УФ-поток загрязненные стекла и занавеси (тюлевые занавески снижают УФ-излучение на 20 %). Поэтому на многих производствах и в быту наблюдается так называемая «биологическая полутьма». В первую очередь страдают дети (возрастает вероятность заболевания рахитом).

Žalingumas ultravioletinis švitinimas

Poveikis pertekliui ultravioletinės spinduliuotės dozės visam kūnui ir atskiriems jo organams sukelia daugybę patologijų. Visų pirma, tai taikoma nekontroliuojamo saulės vonių pasekmėms: nudegimams, amžiaus dėmėms, akių pažeidimams - fotooftalmijos vystymuisi. Ultravioletinės spinduliuotės poveikis akiai yra panašus į eritemą, nes jis yra susijęs su baltymų skilimu akies ragenos ir gleivinės ląstelėse. Gyvos žmogaus odos ląstelės yra apsaugotos nuo žalingo UV spindulių poveikio „negyvos-

mi" odos raginio sluoksnio ląstelės. Akims ši apsauga netenka, todėl, esant didelei spinduliuotės dozei akims, po latentinio periodo išsivysto ragenos (keratitas) ir gleivinės uždegimai (konjunktyvitas). Šį efektą sukelia spinduliai, kurių bangos ilgis mažesnis nei 310 nm. Būtina apsaugoti akį nuo tokių spindulių. Ypatingas dėmesys turėtų būti skiriamas blastomogeniniam UV spindulių poveikiui, dėl kurio gali išsivystyti odos vėžys.

26.7. Pagrindinės sąvokos ir formulės

Lentelės tęsinys

Stalo pabaiga

26.8. Užduotys

2. Nustatykite, kiek kartų skiriasi žmogaus kūno paviršiaus sričių, kurių temperatūra yra atitinkamai 34 ir 33 °C, energetiniai šviesumai?

3. Diagnozuojant krūties naviką naudojant termografiją, pacientei duodama gerti gliukozės tirpalo. Po kurio laiko užfiksuojama kūno paviršiaus šiluminė spinduliuotė. Auglio audinio ląstelės intensyviai pasisavina gliukozę, dėl to padidėja jų šilumos gamyba. Kiek laipsnių pakinta odos ploto temperatūra virš naviko, jei spinduliuotė iš paviršiaus padidėja 1% (1,01 karto)? Pradinė kūno srities temperatūra yra 37°C.

6. Kiek padidėjo žmogaus kūno temperatūra, jei spinduliuotės srautas iš kūno paviršiaus padidėjo 4%? Pradinė kūno temperatūra yra 35 ° C.

7. Kambaryje yra du vienodi arbatinukai, kuriuose yra vienodos masės vanduo 90°C. Vienas iš jų nikeliuotas, o kitas tamsus. Kuris virdulys greičiau atvės? Kodėl?

Sprendimas

Pagal Kirchhoffo dėsnį visų kūnų emisijos ir absorbcijos gebėjimų santykis yra vienodas. Nikeliuotas arbatinukas atspindi beveik visą šviesą. Todėl jo sugeriamumas yra mažas. Emisija yra atitinkamai maža.

Atsakymas: Tamsus virdulys greičiau atvės.

8. Norėdami sunaikinti kenkėjus, grūdai yra veikiami infraraudonųjų spindulių. Kodėl vabzdžiai miršta, o grūdai ne?

Atsakymas: turi klaidų juodas spalvos, todėl jie intensyviai įsigeria infraraudonoji spinduliuotė ir mirti.

9. Kaitinant plieno gabalą, 800°C temperatūroje stebėsime ryškiai vyšniškai raudoną kaitrą, tačiau tokios pat temperatūros permatomas lydyto kvarco strypas visiškai nešviečia. Kodėl?

Sprendimas

Žiūrėkite 7 problemą. skaidrus korpusas sugeria nedidelę šviesos dalį. Todėl jo spinduliavimo koeficientas yra mažas.

Atsakymas: skaidrus korpusas praktiškai nespinduliuoja, net ir labai įkaitus.

10. Kodėl į šaltas oras Kiek gyvūnų miega susisupę į kamuolį?

Atsakymas: kartu mažėja atviras kūno paviršius ir atitinkamai mažėja radiacijos nuostoliai.

Energijos šviesumo (ryškumo) spektrinis tankis yra funkcija, parodanti energijos šviesumo (ryškumo) pasiskirstymą spinduliavimo spektre.
Tai reiškia:
Energijos šviesumas yra paviršiaus tankis paviršiaus skleidžiamos energijos srautas
Energijos ryškumas yra srauto kiekis, išmestas ploto vienetui, vienam erdvės kampo vienetui šia kryptimi

Visiškai juodas kūnas- fizinis idealizavimas, naudojamas termodinamikoje, kūnas, kuris sugeria visą elektromagnetinę spinduliuotę, patenkančią į jį visuose diapazonuose ir nieko neatspindi. Nepaisant pavadinimo, visiškai juodas kūnas pats gali skleisti bet kokio dažnio elektromagnetinę spinduliuotę ir vizualiai turėti spalvą. Absoliučiai juodo kūno spinduliuotės spektrą lemia tik jo temperatūra.

Grynas juodas korpusas

Grynas juodas korpusas- tai fizinė abstrakcija (modelis), kuri suprantama kaip kūnas, kuris visiškai sugeria visą ant jo patenkančią elektromagnetinę spinduliuotę

Visiškai juodam kūnui

Gamtoje tikrai baltų kūnų nėra, tačiau yra kūnų, kurie savo savybėmis yra artimi jiems gana plačiame temperatūrų ir bangų ilgių diapazone. Pavyzdžiui, optinėje spektro dalyje esantis veidrodis atspindi beveik visą krintantį šviesą.

Gamtoje tikrai baltų kūnų nėra, tačiau yra kūnų, kurie savo savybėmis yra artimi jiems gana plačiame temperatūrų ir bangų ilgių diapazone. Pavyzdžiui, optinėje spektro dalyje esantis veidrodis atspindi beveik visą krintantį šviesą.- tai kūnas, kurio absorbcijos koeficientas nepriklauso nuo dažnio, o priklauso tik nuo temperatūros

Pilkam kūnui

Kirchhoffo šiluminės spinduliuotės dėsnis

Bet kurio kūno spinduliuotės ir jo sugerties gebos santykis yra vienodas visiems kūnams tam tikroje temperatūroje tam tikru dažniu ir nepriklauso nuo jų formos ir cheminės prigimties.

Absoliučiai juodo kūno energijos šviesumo spektrinio tankio priklausomybė nuo temperatūros

Juodo kūno spektrinės spinduliuotės energijos tankio L (T) priklausomybė nuo temperatūros T mikrobangų spinduliuotės diapazone nustatyta temperatūrų intervalui nuo 6300 iki 100000 K.

Vieno poslinkio įstatymas suteikia bangos ilgio, kuriam esant juodojo kūno energijos spinduliuotės srautas pasiekia maksimumą, priklausomybę nuo juodojo kūno temperatūros.

B=2,90* m*K

Stefano-Boltzmanno įstatymas

Rayleigh-jeans formulė

Plancko formulė

nuolatinis baras

Foto efektas- yra medžiagos elektronų emisija veikiant šviesai (ir, apskritai, bet kokiai elektromagnetinė spinduliuotė). Kondensuotose medžiagose (kietose ir skystose) atsiranda išorinis ir vidinis fotoelektrinis efektas.

Fotoelektrinio efekto dėsniai:

Formulė 1-asis fotoelektrinio efekto dėsnis: elektronų, skleidžiamų šviesos iš metalo paviršiaus per laiko vienetą tam tikru dažniu, skaičius yra tiesiogiai proporcingas metalą apšviečiančiam šviesos srautui.

Pagal 2-asis fotoelektrinio efekto dėsnis, didžiausia šviesos išmestų elektronų kinetinė energija didėja tiesiškai su šviesos dažniu ir nepriklauso nuo jos intensyvumo.

3-asis fotoelektrinio efekto dėsnis: kiekvienai medžiagai yra nustatyta raudona fotoelektrinio efekto riba, ty mažiausias šviesos dažnis (arba didžiausias bangos ilgis λ 0), kuriam esant fotoelektrinis efektas vis dar įmanomas, o jei , tai fotoelektrinis efektas nebepasireiškia..

Fotonas- elementarioji dalelė, elektromagnetinės spinduliuotės kvantas (siaurąja šviesos prasme). Tai bemasė dalelė, kuri gali egzistuoti tik judant šviesos greičiu. Elektros krūvis fotonas taip pat yra nulis.

Einšteino lygtis išoriniam fotoelektriniam efektui

Fotoelementas - elektroninis prietaisas, kuris paverčia fotonų energiją į elektros energija. Pirmąjį fotoelementą, pagrįstą išoriniu fotoelektriniu efektu, sukūrė Aleksandras Stoletovas m pabaigos XIX amžiaus.

fotono energija, masė ir impulsas

Lengvas spaudimas- tai elektromagnetinis slėgis šviesos bangos krentant ant kūno paviršiaus.

Slėgis p, kurį banga daro ant metalo paviršiaus, gali būti apskaičiuojamas kaip gaunamų Lorenco jėgų, veikiančių laisvųjų elektronų metalo paviršiaus sluoksnyje iki metalo paviršiaus ploto:

Kvantinė teorija Sveta paaiškina lengvas spaudimas fotonams perduodant savo impulsą medžiagos atomams ar molekulėms.

Komptono efektas(Compton efektas) - elektromagnetinės spinduliuotės bangos ilgio keitimo reiškinys dėl elastingos elektronų sklaidos

Komptono bangos ilgis

De Broglie spėjimas ar tai prancūzų fizikas Louis de Broglie iškėlė idėją priskirti elektronui bangines savybes. Rašydamas analogiją tarp kvanto, de Broglie pasiūlė, kad elektrono ar bet kurios kitos dalelės, turinčios ramybės masę, judėjimas yra susijęs su bangų procesu.

De Broglie spėjimas nustato, kad judanti dalelė, kurios energija E ir impulsas p atitinka bangų procesas, kurio dažnis lygus:

ir bangos ilgis:

čia p yra judančios dalelės impulsas.

Davisson-Germer eksperimentas - fizinis eksperimentas apie elektronų difrakciją, kurią 1927 metais atliko amerikiečių mokslininkai Clinton Davisson ir Lesteris Germeris.

Buvo atliktas elektronų atspindžio iš nikelio monokristalo tyrimas. Į komplektaciją įeina vienas nikelio kristalas, įžemintas kampu ir sumontuotas ant laikiklio. Monochromatinių elektronų spindulys buvo nukreiptas statmenai poliruoto pjūvio plokštumai. Elektronų greitis buvo nustatytas pagal elektronų pistoleto įtampą:

Faradėjaus puodelis buvo sumontuotas kampu į krintantį elektronų pluoštą, prijungtas prie jautraus galvanometro. Pagal galvanometro rodmenis buvo nustatytas nuo kristalo atsispindinčio elektronų pluošto intensyvumas. Visa instaliacija buvo vakuume.

Eksperimentų metu buvo matuojamas kristalo išsklaidyto elektronų pluošto intensyvumas, priklausomai nuo sklaidos kampo, azimutinio kampo ir elektronų greičio pluošte.

Eksperimentai parodė, kad elektronų sklaidoje yra ryškus selektyvumas. At skirtingos reikšmės atsispindėjusiuose spinduliuose stebimi kampai ir greičiai, intensyvumo maksimumai ir minimumai. Maksimali sąlyga:

Čia yra tarpplaninis atstumas.

Taigi elektronų difrakcija pagal kristalinė gardelė monokristalinis. Eksperimentas buvo puikus patvirtinimas, kad mikrodalelėse egzistuoja bangos savybės.

Bangos funkcija, arba psi funkcija- sudėtingos reikšmės funkcija, naudojama kvantinėje mechanikoje grynai sistemos būsenai apibūdinti. Ar būsenos vektoriaus plėtimosi koeficientas per bazę (dažniausiai koordinatės):

kur yra koordinačių bazinis vektorius ir banginė funkcija koordinačių vaizde.

Fizinė prasmė bangos funkcija ar tai pagal Kopenhagos interpretacija kvantinė mechanika tikimybės tankis rasti dalelę tam tikrame erdvės taške šiuo metu laikosi laiko lygus kvadratui absoliuti vertėšios būsenos banginė funkcija koordinačių vaizde.

Heisenbergo neapibrėžtumo principas(arba Heisenbergas) kvantinėje mechanikoje – esminė nelygybė (neapibrėžtumo santykis), kuri nustato tikslumo ribą, kad vienu metu būtų galima nustatyti porą fizinių stebimų dalykų, apibūdinančių kvantinę sistemą (žr. fizinį kiekį), aprašytą nejudančių operatorių (pavyzdžiui, koordinatės ir impulsas, srovė ir įtampa, elektrinis ir magnetinis laukas). Neapibrėžtumo ryšys [* 1] nustato apatinę kvantinių stebimų objektų poros standartinių nuokrypių sandaugos ribą. Neapibrėžtumo principas, kurį 1927 m. atrado Werneris Heisenbergas, yra vienas iš kertiniai akmenys kvantinė mechanika.

Apibrėžimas Jei tam tikroje būsenoje yra keletas (daug) identiškų sistemos kopijų, tada išmatuotos koordinatės ir impulso vertės paklus tam tikram tikimybių pasiskirstymui - tai yra pagrindinis kvantinės mechanikos postulatas. Išmatavę koordinatės standartinio nuokrypio vertę ir impulso standartinį nuokrypį, pamatysime, kad:

Šriodingerio lygtis

Potencialas šulinys– erdvės plotas, kuriame yra vietinis minimumas potenciali energija dalelių.

Tunelio efektas, tuneliavimas- potencialo barjero įveikimas mikrodalele tuo atveju, kai jos bendra energija (kuri tuneliavimo metu išlieka nepakitusi) yra mažesnė už barjero aukštį. Tunelio efektas yra išskirtinis reiškinys kvantinė gamta, neįmanoma ir net visiškai prieštarauja klasikinei mechanikai. Analoginis tunelio efektas V bangų optika gali pasitarnauti kaip šviesos bangos prasiskverbimas į atspindinčią terpę (atstumais, atitinkančiais šviesos bangos ilgį) tokiomis sąlygomis, kai iš požiūrio taško geometrinė optika, pilnas vidinis atspindys. Tuneliavimo reiškinys yra daugelio pagrindas svarbius procesus branduolinėje ir molekulinė fizika, branduolinėje fizikoje, kietas ir tt

Harmoninis osciliatorius kvantinėje mechanikoje yra paprasto kvantinis analogas harmoninis osciliatorius, šiuo atveju atsižvelgiama ne į dalelę veikiančias jėgas, o į Hamiltono, tai yra, harmoninio osciliatoriaus suminę energiją, ir manoma, kad potenciali energija kvadratiškai priklauso nuo koordinačių. Atsižvelgiant į šiuos terminus, susijusius su potencialios energijos išplėtimu išilgai koordinatės, atsiranda anharmoninio osciliatoriaus koncepcija.

Atomų sandaros tyrimas parodė, kad atomai susideda iš teigiamai įkrauto branduolio, kuriame sutelkta beveik visa masė. h atomo, o aplink branduolį juda neigiamo krūvio elektronai.

Bohr-Rutherford planetinis atomo modelis. 1911 m. Ernestas Rutherfordas, atlikęs daugybę eksperimentų, padarė išvadą, kad atomas yra panašumas planetų sistema, kuriame elektronai juda orbitomis aplink sunkų, teigiamai įkrautą branduolį, esantį atomo centre ("Rutherfordo atomo modelis"). Tačiau toks atomo aprašymas prieštarauja klasikinei elektrodinamikai. Faktas yra tas, kad pagal klasikinę elektrodinamiką elektronas juda kartu įcentrinis pagreitis turi skleisti elektromagnetines bangas ir dėl to prarasti energiją. Skaičiavimai parodė, kad laikas, per kurį elektronas tokiame atome patenka į branduolį, yra visiškai nereikšmingas. Atomų stabilumui paaiškinti Nielsas Bohras turėjo įvesti postulatus, kurie susivedė į tai, kad elektronas atome, būdamas tam tikrose energijos būsenose, neišskiria energijos („Bohr-Rutherfordo atomo modelis“). Bohro postulatai parodė, kad klasikinė mechanika atomui apibūdinti netaikoma. Tolesnis atominės spinduliuotės tyrimas paskatino sukurti kvantinę mechaniką, kuri leido paaiškinti didžiąją daugumą pastebėtų faktų.

Atomų emisijos spektrai paprastai gaunamas esant aukštai šviesos šaltinio (plazmos, lanko ar kibirkšties) temperatūrai, kurioje medžiaga išgaruoja, jos molekulės skyla į atskiri atomai ir atomų sužadinimas švyti. Atominė analizė gali būti arba emisija – emisijos spektrų tyrimas, arba sugertis – sugerties spektrų tyrimas.
Atomo emisijos spektras yra spektro linijų rinkinys. Spektrinė linija atsiranda dėl monochromatinės šviesos spinduliuotės elektronui pereinant iš vieno elektroninio polygio, leidžiamo Bohro postulato į kitą polygį. skirtingi lygiai. Šią spinduliuotę apibūdina bangos ilgis K, dažnis v arba bangos skaičius co.
Atomo emisijos spektras yra spektro linijų rinkinys. Spektrinė linija atsiranda dėl monochromatinės šviesos spinduliuotės elektronui pereinant iš vieno elektroninio polygio, kurį leidžia Bohro postulatas, į kitą skirtingų lygių polygį.

Bohro atomo modelis (Boro modelis)- pusiau klasikinis atomo modelis, kurį 1913 m. pasiūlė Nielsas Bohras. planetinis modelis atomas, pasiūlė Rutherfordas. Tačiau žiūrint iš taško klasikinė elektrodinamika, elektronas Rutherfordo modelyje, judantis aplink branduolį, turėtų skleisti nuolatos ir labai greitai, praradęs energiją, nukristi ant branduolio. Norėdamas įveikti šią problemą, Bohras pateikė prielaidą, kurios esmė yra ta, kad elektronai atome gali judėti tik tam tikromis (stacionariomis) orbitomis, kuriose jie neišspinduliuoja, o emisija arba sugertis įvyksta tik perėjimo iš vieno momentu. skrieja į kitą. Be to, stacionarios yra tik tos orbitos, išilgai kurių elektrono kampinis impulsas yra lygus sveikajam Plancko konstantų skaičiui: .

Naudodamiesi šia prielaida ir dėsniais klasikinė mechanika, būtent elektrono traukos jėgos iš branduolio pusės ir išcentrinės jėgos, veikiančios besisukantį elektroną, lygybę, jis gavo šias vertes stacionarios orbitos spinduliui ir šioje orbitoje esančio elektrono energijai:

Čia yra elektrono masė, Z yra protonų skaičius branduolyje, yra dielektrinė konstanta, e yra elektrono krūvis.

Būtent šią energijos išraišką galima gauti taikant Schrödingerio lygtį, išsprendžiant elektrono judėjimo centriniame Kulono lauke problemą.

Pirmosios orbitos spindulys vandenilio atome R 0 =5,2917720859(36)·10 −11 m, dabar vadinamas Boro spinduliu, arba atominis vienetas ilgio ir plačiai naudojamas šiuolaikinėje fizikoje. Pirmosios orbitos energija eV yra vandenilio atomo jonizacijos energija.

Boro postulatai

§ Atomas gali būti tik specialiose stacionariose, arba kvantinėse, būsenose, kurių kiekviena turi tam tikrą energiją. IN stacionari būsena atomas neskleidžia elektromagnetinių bangų.

§ Elektronas atome, neprarasdamas energijos, juda tam tikromis diskrečiomis apskritimo orbitomis, kurių kampinis momentas yra kvantuojamas: , kur yra natūralūs skaičiai ir yra Planko konstanta. Elektrono buvimas orbitoje lemia šių nejudančių būsenų energiją.

§ Kai elektronas juda iš orbitos (energijos lygio) į orbitą, išspinduliuojamas arba sugeriamas energijos kvantas, kur yra energijos lygiai, tarp kurių vyksta perėjimas. Pereinant iš aukščiausio lygio energija išspinduliuojama į apatinę, o judant iš apatinės į viršutinę sugeriama.

Naudodamas šiuos postulatus ir klasikinės mechanikos dėsnius, Bohras pasiūlė atomo modelį, dabar vadinamą Bohro atomo modeliu. Vėliau Sommerfeldas išplėtė Bohro teoriją į elipsinių orbitų atvejį. Jis vadinamas Bohr-Sommerfeld modeliu.

Franko ir Hertzo eksperimentai

patirtis tai parodė elektronai dalimis perduoda savo energiją gyvsidabrio atomams , o 4,86 ​​eV yra mažiausia įmanoma dalis, kurią gali sugerti gyvsidabrio atomas, esantis antžeminės energijos būsenoje

Balmerio formulė

Keturių matomų vandenilio spektro linijų bangos ilgiams λ apibūdinti I. Balmeris pasiūlė formulę

kur n = 3, 4, 5, 6; b = 3645,6 Å.

Šiuo metu naudojamas Balmer serijai ypatingas atvejis Rydbergo formulės:

kur λ yra bangos ilgis,

R≈ 1,0974 10 7 m -1 - Rydbergo konstanta,

n- pagrindinis kvantinis skaičius pradinė linija - natūralusis skaičius, didesnis arba lygus 3.

Į vandenilį panašus atomas- atomas, kurio elektronų apvalkale yra vienas ir tik vienas elektronas.

Rentgeno spinduliuotė- elektromagnetinės bangos, kurių fotonų energija yra elektromagnetinių bangų skalėje tarp ultravioletinės spinduliuotės ir gama spinduliuotės, kuri atitinka bangų ilgį nuo 10 -2 iki 10 3 Å (nuo 10 -12 iki 10 -7 m)

Rentgeno vamzdelis- elektrinis vakuuminis prietaisas, skirtas rentgeno spinduliuotei generuoti.

Bremsstrahlung- elektromagnetinė spinduliuotė, kurią skleidžia įkrauta dalelė, kai ji yra išsklaidyta (stabdoma) elektriniame lauke. Kartais sąvoka " bremsstrahlung» taip pat apima spinduliuotę iš reliatyvistinių įkrautų dalelių, judančių makroskopiškai magnetiniai laukai(greitintuvuose, in kosminė erdvė), ir jie tai vadina magnetiniu stabdymu; tačiau šiuo atveju dažniau vartojamas terminas yra „sinchrotroninė spinduliuotė“.

CHARAKTERISTINĖ EMISIJA- Rentgenas radiacija linijų spektras. Kiekvieno elemento atomų charakteristika.

Cheminis ryšys - atomų sąveikos reiškinys, atsirandantis dėl jungiamųjų dalelių elektronų debesų persidengimo, kurį lydi mažėjimas visos energijos sistemos.

molekulinis spektras- emisijos (absorbcijos) spektras, atsirandantis per kvantinius perėjimus tarp molekulių energijos lygių

Energijos lygis - savąsias reikšmes energijos kvantinės sistemos, tai yra sistemos, susidedančios iš mikrodalelių (elektronų, protonų ir kitų elementariųjų dalelių) ir kurioms galioja kvantinės mechanikos dėsniai.

Kvantinis skaičius n – Pagrindinis dalykas . Jis nustato elektrono energiją vandenilio atomo ir vieno elektrono sistemose (He +, Li 2+ ir kt.). Šiuo atveju elektronų energija

Kur n paima reikšmes nuo 1 iki ∞. Kuo mažiau n, tuo didesnė elektrono ir branduolio sąveikos energija. At n= 1 vandenilio atomas yra pagrindinėje būsenoje, at n> 1 – susijaudinęs.

Atrankos taisyklės spektroskopijoje jie vadina perėjimų tarp kvantinės mechaninės sistemos lygių su fotono absorbcija arba emisija apribojimais ir draudimais, kuriuos nustato išsaugojimo dėsniai ir simetrija.

Daugiaelektroniniai atomai vadinami atomai, turintys du ar daugiau elektronų.

Zeeman efektas- linijos padalijimas atomų spektrai magnetiniame lauke.

1896 m. Zeeman atrado natrio emisijos linijas.

Elektronų paramagnetinio rezonanso reiškinio esmė yra neporinių elektronų elektromagnetinės spinduliuotės rezonansinė absorbcija. Elektronas turi sukimąsi ir su juo susijusį magnetinį momentą.

Problemų sprendimo pavyzdžiai. 1 pavyzdys. Saulės energijos šviesumo didžiausias spektrinis tankis yra esant bangos ilgiui = 0,48 mikronai

1 pavyzdys. Didžiausias saulės energijos šviesumo spektrinis tankis atsiranda esant bangos ilgiui = 0,48 mikrono. Darant prielaidą, kad Saulė spinduliuoja kaip juodas kūnas, nustatykite: 1) jos paviršiaus temperatūrą; 2) jo paviršiaus skleidžiama galia.

Pagal Wien poslinkio dėsnį norima saulės paviršiaus temperatūra yra:

kur b= yra Wieno konstanta.

Saulės paviršiaus skleidžiama galia:

kur yra juodo kūno (Saulės) energetinis šviesumas, yra saulės paviršiaus plotas, yra saulės spindulys.

Pagal Stefano-Boltzmanno įstatymą:

kur = W/ yra Stefano-Boltzmanno konstanta.

Pakeiskime užrašytus posakius į (2) formulę ir suraskime reikiamą Saulės paviršiaus skleidžiamą galią:

Skaičiuodami gauname: T=6,04 kK; P=W.

2 pavyzdys. Nustatykite fotono, kurio energija = 1 MeV, bangos ilgį, masę ir impulsą.

Fotono energija yra susijusi su šviesos bangos ilgiu: ,

kur h yra Planko konstanta, c yra šviesos greitis vakuume. Iš čia.

Pakeičiant skaitinės reikšmės, gauname: m.

Nustatykime fotono masę naudodami Einšteino formulę. Fotono masė = kg.

Fotono impulsas = kg m/s.

3 pavyzdys. Vakuuminio fotoelemento natrio katodas yra apšviestas monochromatinė šviesa kurių bangos ilgis = 40 nm. Nustatykite vėlinimo įtampą, kuriai esant foto srovė sustoja. Natrio fotoelektrinio efekto „raudonoji riba“ = 584 nm.

Elektrinis laukas, kuris neleidžia elektronams judėti nuo katodo iki anodo, vadinamas atvirkštiniu. Įtampa, kuriai esant fotosrovė visiškai sustoja, vadinama stabdymo įtampa. Esant tokiai stabdančiajai įtampai, nė vienas elektronas, net ir tie, kurių greitis išeina iš katodo didžiausiu greičiu, negali įveikti lėtinančio lauko ir pasiekti anodo. Šiuo atveju pradinė fotoelektronų () kinetinė energija virsta potencialia energija (, kur e = Cl – elementarus krūvis, a yra mažiausia vėlinimo įtampa). Pagal energijos tvermės dėsnį

Elektronų kinetinę energiją randame naudodami Einšteino lygtį išoriniam fotoelektriniam efektui:

Iš čia (3)

Elektronų darbo funkciją A in lemia raudona fotoelektrinio efekto riba:

Pakeitę (4) išraišką į (3) lygtį, gauname:

Tada iš (1) lygties.

Apskaičiavę gauname V.

4 pavyzdys. Protono kinetinė energija yra keturis kartus mažesnė už ramybės energiją. Apskaičiuokite protono de Broglie bangos ilgį.

De Broglie bangos ilgis nustatomas pagal formulę: , (1)

kur h yra Planko konstanta ir yra dalelės impulsas.

Pagal uždavinio sąlygas protono kinetinė energija savo dydžiu yra palyginama su jo ramybės energija E 0 . Vadinasi, impulsas ir kinetinė energija yra tarpusavyje susiję reliatyvistiniu ryšiu:

kur c yra šviesos greitis vakuume.

Naudodamiesi problemos sąlyga, gauname: . Pakeisdami gautą išraišką į formulę (1), randame de Broglie bangos ilgį:

Elektrono ramybės energiją rasime naudodami Einšteino formulę, kur m 0 – likusioji elektrono masė, c – šviesos greitis vakuume.

Pakeitę skaitines reikšmes, gauname: m.

5 pavyzdys. Elektronų pluoštas pagreitinamas katodinių spindulių vamzdyje potencialų skirtumu U=0,5 kV. Darant prielaidą, kad elektrono impulso neapibrėžtis yra 0,1% jo skaitinė reikšmė, nustatykite elektronų koordinatės neapibrėžtį. Ar tokiomis sąlygomis elektronas yra kvantinė ar klasikinė dalelė?

Elektronų pluošto judėjimo kryptimi (X ašis) neapibrėžtumo santykis turi tokią formą:

kur elektronų koordinatės neapibrėžtis; - jo impulso neapibrėžtumas; - Planko konstanta.

Praėjęs greitėjančio potencialo skirtumą, elektronas įgyja kinetinę energiją, lygus darbui elektrinio lauko stiprumas:

Skaičiuojant gaunama reikšmė E k = 500 eV, kuri yra daug mažesnė už likusią elektrono energiją (E 0 = 0,51 MeV). Vadinasi, tokiomis sąlygomis elektronas yra nereliatyvistinė dalelė, kurios impulsas yra susijęs su kinetinė energija formulę

Pagal uždavinio sąlygas impulso neapibrėžtis = 0,001 = , t.y.<< .

Tai reiškia, kad bangos savybės tokiomis sąlygomis yra nereikšmingos ir elektronas gali būti laikomas klasikine dalele. Iš (1) išraiškos išplaukia, kad ieškoma elektronų koordinatės neapibrėžtis

Suskaičiavę gauname 8,51 nm.

6 pavyzdys. Dėl perėjimo iš vienos stacionarios būsenos į kitą vandenilio atomas išspinduliavo kvantą, kurio dažnis yra . Sužinokite, kaip pasikeitė orbitos spindulys ir elektrono greitis, naudodami Bohro teoriją.

Spinduliuotė, kurios dažnis atitinka bangos ilgį = = 102,6 nm (c – šviesos greitis vakuume), esantis ultravioletinėje srityje. Vadinasi, spektrinė linija priklauso Lyman serijai, kuri atsiranda elektronui pereinant į pirmąjį energijos lygį (n=1).

Naudojame apibendrintą Balmerio formulę, norėdami nustatyti energijos lygio (k), iš kurio buvo atliktas perėjimas, skaičių: .

Iš šios formulės išreikškime k:

Pakeitę turimus duomenis, gauname k=3. Vadinasi, spinduliuotė atsirado dėl elektrono perėjimo iš trečiosios orbitos į pirmąją.

Orbitų spindulių ir elektronų greičių šiose orbitose reikšmes rasime iš toliau pateiktų svarstymų.

Elektroną, esantį nejudančioje orbitoje vandenilio atome, veikia Kulono jėga iš branduolio.

kuris suteikia jam normalų pagreitį. Todėl pagal pagrindinį dinamikos dėsnį:

Be to, pagal Bohro postulatą, elektrono kampinis impulsas stacionarioje orbitoje turi būti Planko konstantos kartotinis, t.y.

kur n = 1, 2, 3… – stacionarios orbitos skaičius.

Iš (2) lygties greitis . Pakeitę šią išraišką į (1) lygtį, gauname

Taigi elektrono stacionarios orbitos spindulys vandenilio atome: .

Tada elektrono greitis šioje orbitoje yra:

Darant prielaidą, kad prieš kvanto spinduliavimą elektronas turėjo charakteristikas r 3, v 3, o po spinduliavimo r 1, v 1 lengva gauti:

tai yra, orbitos spindulys sumažėjo 9 kartus, elektrono greitis padidėjo 3 kartus.

7 pavyzdys. Elektronas vienmačio stačiakampio „potencialų šulinyje“, kurio plotis =200 pm su be galo aukštomis „sienomis“, yra sužadintoje būsenoje (n=2). Nustatykite: 1) tikimybę W aptikti elektroną „šulinėlio“ viduriniame trečdalyje; 2) nurodyto intervalo taškai, kuriuose elektrono aptikimo tikimybės tankis yra didžiausias ir mažiausias.

1. Tikimybė aptikti dalelę intervale

Sužadinimo būsena (n=2) atitinka jos pačios bangos funkciją:

Pakeiskime (2) į (1) ir atsižvelgsime į tai ir:

Išreikšdami per dvigubo kampo kosinusą naudodami trigonometrinę lygybę, gauname norimos tikimybės išraišką: = = = = = 0,195.

2. Dalelės egzistavimo tam tikroje erdvės srityje tikimybės tankis nustatomas pagal jos banginės funkcijos modulio kvadratą. Naudodami išraišką (2), gauname:

Dalelės banginės funkcijos kvadratinio modulio priklausomybė nuo jos koordinatės, nustatoma pagal (3) išraišką, parodyta paveikslėlyje.

Akivaizdu, kad minimalus tikimybės tankis w=0 atitinka x reikšmes, kurioms .

Tai yra, ,

kur k = 0, 1, 2…

Tikimybės tankis w pasiekia didžiausią vertę šulinyje esant sąlygai: . Atitinkamos reikšmės.

Kaip matyti iš w= w(x) grafiko, parodyto paveiksle, intervale

Kaip matome, elektrono aptikimo tam tikro intervalo ribose tikimybės tankis yra toks pat. Taigi, ,.

8 pavyzdys. Nustatykite šilumos kiekį, reikalingą NaCl kristalui, sveriančiam m = 20 g, pašildyti, esant temperatūrai T 1 = 2 K. Paimta, kad NaCl būdinga Debye temperatūra yra 320 K.

Šilumos kiekį, reikalingą m masės kūnui pašildyti nuo temperatūros T 1 iki temperatūros T 2, galima apskaičiuoti pagal formulę:

kur C – medžiagos molinė šiluminė talpa, M – molinė masė.

Pagal Debye teoriją, esant temperatūrai, kristalinių kietųjų medžiagų molinė šiluminė talpa apskaičiuojama taip:

Pakeitę išraišką (2) į (1) ir integruodami, gauname:

Pakeitus skaitines reikšmes ir atlikus skaičiavimus, gauname Q = 1,22 mJ.

9 pavyzdys. Apskaičiuokite branduolio masės defektą, surišimo energiją ir specifinę rišimo energiją.

Pagrindinis masės defektas nustatomas pagal formulę:

Šerdies atveju: Z=5; A=11.

Masės defektą skaičiuosime nesisteminiais vienetais – atominės masės vienetais (a.m.u.). Reikiamus duomenis paimsime iš lentelės (3 priedas):

1,00783 a.m.u., =1,00867 a.m.u., = 11,00931 a.m.u.

Skaičiuodami pagal (1) formulę, gauname: =0,08186 a.m.u.

Taip pat rasime branduolio surišimo energiją ekstrasisteminiuose vienetuose (MeV), naudodami formulę:

Proporcingumo koeficientas = 931,4 MeV/amu, t.y.

Pakeitę skaitines reikšmes gauname:

Specifinė surišimo energija pagal apibrėžimą yra lygi:

Nustatykite antrojo branduolio atominį ir masės skaičių, simboliškai pažymėkite branduolinę reakciją ir nustatykite jos energetinį poveikį.

Energija, kurią kūnas praranda dėl šiluminės spinduliuotės, apibūdinama šiais dydžiais.

Radiacijos srautas (F) – energijos, išskiriamos per laiko vienetą nuo viso kūno paviršiaus.

Tiesą sakant, tai yra šiluminės spinduliuotės galia. Spinduliuotės srauto matmuo yra [J/s = W].

Energijos šviesumas (Re) –šiluminės spinduliuotės energija, skleidžiama per laiko vienetą iš šildomo kūno paviršiaus vieneto:

SI sistemoje matuojamas energinis šviesumas - [W/m 2 ].

Spinduliuotės srautas ir energetinis šviesumas priklauso nuo medžiagos struktūros ir jos temperatūros: Ф = Ф(Т),

Jį apibūdina energetinio šviesumo pasiskirstymas per šiluminės spinduliuotės spektrą spektrinis tankis. Pažymime šiluminės spinduliuotės energiją, skleidžiamą vienetinio paviršiaus per 1 s siaurame bangos ilgių diapazone nuo λ į λ + d λ, per dRe.

Spektrinio šviesumo tankis (r) arba spinduliuotė Energetinio šviesumo siauroje spektro dalyje (dRe) ir šios dalies pločio (dλ) santykis vadinamas:

Apytikslė spektrinio tankio ir energetinio šviesumo (dRe) forma bangos ilgių diapazone nuo λ į λ + d λ, parodyta pav. 13.1.

Ryžiai. 13.1. Energetinio šviesumo spektrinis tankis

Energetinio šviesumo spektrinio tankio priklausomybė nuo bangos ilgio vadinama kūno spinduliuotės spektras. Šios priklausomybės žinojimas leidžia apskaičiuoti kūno energinį šviesumą bet kuriame bangos ilgio diapazone. Kūno energetinio šviesumo apskaičiavimo įvairiuose bangos ilgiuose formulė yra tokia:

Bendras šviesumas yra:

Kūnai ne tik skleidžia, bet ir sugeria šiluminę spinduliuotę. Kūno gebėjimas sugerti spinduliuotės energiją priklauso nuo jo medžiagos, temperatūros ir spinduliuotės bangos ilgio. Organizmo sugeriamumas pasižymi monochromatinės absorbcijos koeficientas α.

Tegul srovelė nukrenta ant kūno paviršiaus vienspalvis spinduliuotė Φ λ su bangos ilgiu λ. Dalis šio srauto atsispindi, o dalį absorbuoja kūnas. Pažymime sugerto srauto dydį Φ λ abs.

Monochromatinės sugerties koeficientas α λ yra tam tikro kūno sugerto spinduliuotės srauto ir krintančio vienspalvio srauto dydžio santykis:

Monochromatinis sugerties koeficientas yra bematis dydis. Jo reikšmės yra tarp nulio ir vieneto: 0 ≤ α ≤ 1.

Funkcija α = α(λ,Τ) , išreiškiantis monochromatinės sugerties koeficiento priklausomybę nuo bangos ilgio ir temperatūros, vadinamas absorbcijos pajėgumas kūnai. Jo išvaizda gali būti gana sudėtinga. Toliau aptariami paprasčiausi absorbcijos tipai.

Grynas juodas korpusas yra kūnas, kurio sugerties koeficientas yra lygus visų bangos ilgių vienetui: α = 1.

Gamtoje tikrai baltų kūnų nėra, tačiau yra kūnų, kurie savo savybėmis yra artimi jiems gana plačiame temperatūrų ir bangų ilgių diapazone. Pavyzdžiui, optinėje spektro dalyje esantis veidrodis atspindi beveik visą krintantį šviesą. Pilkas kūnas< 1.

Jo forma iš pradžių buvo nustatyta eksperimentiškai, o vėliau gauta teoriškai (Plancko formulė). yra kūnas, kurio visų bangų ilgių sugerties koeficientas lygus nuliui: α = 0.

Kiekybinį ryšį tarp spinduliuotės ir sugerties nustatė G. Kirchhoff (1859).

Kiekybinį ryšį tarp spinduliuotės ir sugerties nustatė G. Kirchhoff (1859).- kūno spinduliuotės ir jo sugerties galios santykis yra vienodas visiems kūnams ir yra lygus absoliučiai juodo kūno energijos šviesumo spektriniam tankiui:

= /

Įstatymo pasekmė:

1. Jei kūnas tam tikroje temperatūroje nesugeria jokios spinduliuotės, vadinasi, jis jos ir neišskiria. Iš tiesų, jei tam tikram bangos ilgiui absorbcijos koeficientas α = 0, tada r = α∙ε(λT) = 0

1. Esant tokiai pat temperatūrai juodas kūnas spinduliuoja daugiau nei bet kuris kitas. Iš tiesų, visiems kūnams, išskyrus juoda,α < 1, поэтому для них r = α∙ε(λT) < ε

2. Jei tam tikram kūnui eksperimentiškai nustatome monochromatinės sugerties koeficiento priklausomybę nuo bangos ilgio ir temperatūros - α = r = α(λT), tai galime apskaičiuoti jo spinduliavimo spektrą.