Kūnų šiluminė spinduliuotė yra elektromagnetinė spinduliuotė, kylanti iš tos vidinės dalies kūno energijos, kuri yra susijusi su terminiu jo dalelių judėjimu.
Pagrindinės iki temperatūros įkaitintų kūnų šiluminės spinduliuotės charakteristikos T yra:
1. Energija šviesumoR (T ) -energijos kiekis, išspinduliuotas per laiko vienetą iš vienetinio kūno paviršiaus visame bangų ilgių diapazone. Priklauso nuo temperatūros, gamtos ir paviršiaus būklės spinduliuojantis kūnas. SI sistemoje R ( T ) turi matmenis [W/m2].
2. Energetinio šviesumo spektrinis tankisr ( ,T) =dW/ d - energijos kiekis, kurį išspinduliuoja kūno paviršiaus vienetas per laiko vienetą vienetinio bangos ilgio intervale (arti atitinkamo bangos ilgio ). Tie. šis dydis skaitine tvarka lygus energijos santykiui dW, skleidžiamas iš ploto vieneto per laiko vienetą siaurame bangos ilgių diapazone nuo į +d , iki šio intervalo pločio. Tai priklauso nuo kūno temperatūros, bangos ilgio, taip pat nuo spinduliuojančio kūno paviršiaus pobūdžio ir būklės. SI sistemoje r( , T) turi matmenis [W/m 3 ].
Energingas šviesumas R(T) susiję su energetinio šviesumo spektriniu tankiu r( , T) taip:
(1) [W/m2]
3. Visi kūnai ne tik skleidžia, bet ir sugeria į jų paviršių krentančias elektromagnetines bangas. Norint nustatyti kūnų sugerties gebą tam tikro bangos ilgio elektromagnetinių bangų atžvilgiu, pristatoma koncepcija. monochromatinis sugerties koeficientas-kūno paviršiaus sugertos monochromatinės bangos energijos dydžio ir krintančios monochromatinės bangos energijos dydžio santykis:
Monochromatinės sugerties koeficientas yra bematis dydis, priklausantis nuo temperatūros ir bangos ilgio. Tai parodo, kokią krintančios monochromatinės bangos energijos dalį sugeria kūno paviršius. Vertė ( , T) gali gauti reikšmes nuo 0 iki 1.
Radiacija adiabatiškai uždara sistema(nekeičiama šilumos su išorine aplinka) vadinama pusiausvyra. Jei ertmės sienelėje sukursite nedidelę skylutę, pusiausvyros būsena šiek tiek pasikeis ir iš ertmės sklindanti spinduliuotė atitiks pusiausvyros spinduliuotę.
Jei spindulys nukreipiamas į tokią skylę, po pakartotinių atspindžių ir sugerties ant ertmės sienelių jis nebegalės išeiti. Tai reiškia, kad tokiai skylei absorbcijos koeficientas ( , T) = 1.
Manoma, kad uždara ertmė su maža skyle yra vienas iš modelių visiškai juodas kūnas.
Visiškai juodas kūnasyra kūnas, kuris sugeria visą į jį patenkančią spinduliuotę, nepriklausomai nuo krintančios spinduliuotės krypties, spektrinės sudėties ir poliarizacijos (nieko neatspindėdamas ir neperduodamas).
Visiškai juodam kūnui spektrinis šviesumo tankis yra universali bangos ilgio ir temperatūros funkcija. f( , T) ir nepriklauso nuo jo prigimties.
Visi kūnai gamtoje iš dalies atspindi ant jų paviršių patenkančią spinduliuotę, todėl nėra klasifikuojami kaip absoliučiai juodi kūnai. Jei kūno monochromatinės sugerties koeficientas yra toks pat visų bangų ilgių ir mažiauvienetų(( , T) = Т =konst<1),tada toks kūnas vadinamas pilka. Pilko kūno monochromatinės sugerties koeficientas priklauso tik nuo kūno temperatūros, jo prigimties ir paviršiaus būklės.
Kirchhoffas parodė, kad visiems kūnams, nepaisant jų prigimties, energijos šviesumo spektrinio tankio ir monochromatinės sugerties koeficiento santykis yra ta pati universali bangos ilgio ir temperatūros funkcija. f( , T) , kaip spektrinis tankis energetinis juodo kūno šviesumas :
(3) lygtis atspindi Kirchhoffo dėsnį.
Kirchhoffo dėsnis galima suformuluoti taip: visiems sistemos kūnams, kurie yra termodinaminėje pusiausvyroje, energijos šviesumo spektrinio tankio ir koeficiento santykis monochromatinė absorbcija nepriklauso nuo kūno prigimties, yra ta pati funkcija visiems kūnams, priklausomai nuo bangos ilgio ir temperatūra T.
Iš to, kas išdėstyta pirmiau, ir (3) formulę, aišku, kad tam tikroje temperatūroje stipriau spinduliuoja tie pilki kūnai, kurie turi didelį sugerties koeficientą, o absoliučiai juodi – stipriausiai. Kadangi visiškai juodam kūnui( , T)=1, tada iš (3) formulės išplaukia, kad universalioji funkcija f( , T) reiškia juodo kūno spektrinį šviesumo tankį
Taigi, kas yra šiluminė spinduliuotė?
Šiluminė spinduliuotė yra elektromagnetinė spinduliuotė, atsirandanti dėl atomų ir molekulių sukimosi ir vibracinio judėjimo energijos medžiagoje. Šiluminė spinduliuotė būdinga visiems kūnams, kurių temperatūra aukštesnė už absoliutų nulį.
Žmogaus kūno šiluminė spinduliuotė priklauso elektromagnetinių bangų infraraudonųjų spindulių diapazonui. Tokią spinduliuotę pirmasis atrado anglų astronomas Williamas Herschelis. 1865 metais anglų fizikas J. Maxwellas įrodė, kad infraraudonoji spinduliuotė yra elektromagnetinio pobūdžio ir susideda iš 760 ilgio bangų. nm iki 1-2 mm. Dažniausiai visas IR spinduliuotės diapazonas yra padalintas į sritis: šalia (750 nm-2.500nm), vidutinis (2 500 nm - 50.000nm) ir tolimojo nuotolio (50 000 nm-2.000.000nm).
Panagrinėkime atvejį, kai kūnas A yra ertmėje B, kurią riboja idealus atspindintis (nepralaidus spinduliuotei) apvalkalas C (1 pav.). Dėl daugybinio atspindžio nuo vidinio apvalkalo paviršiaus spinduliuotė bus kaupiama veidrodžio ertmėje ir iš dalies ją sugers kūnas A. Tokiomis sąlygomis sistemos ertmė B – kūnas A nepraras energijos, o tik liks. yra nuolatinis energijos mainas tarp kūno A ir spinduliuotės, užpildančios ertmę B.
1 pav. Daugkartinis šiluminių bangų atspindys nuo veidrodinių ertmės B sienelių
Jei energijos pasiskirstymas išlieka nepakitęs kiekvienam bangos ilgiui, tada tokios sistemos būsena bus pusiausvyra, o spinduliuotė taip pat bus pusiausvyra. Vienintelė pusiausvyros spinduliuotės rūšis yra šiluminė. Jei dėl kokių nors priežasčių pasislenka pusiausvyra tarp spinduliuotės ir kūno, tada pradeda vykti termodinaminiai procesai, kurie grąžins sistemą į pusiausvyros būseną. Jei kūnas A pradeda daugiau išspinduliuoti nei sugeria, tai kūnas pradeda prarasti vidinę energiją ir kūno temperatūra (kaip vidinės energijos matas) pradės kristi, o tai sumažins išskiriamos energijos kiekį. Kūno temperatūra kris tol, kol išskiriamos energijos kiekis prilygs organizmo sugertos energijos kiekiui. Taigi atsiras pusiausvyros būsena.
Pusiausvyrinė šiluminė spinduliuotė pasižymi šiomis savybėmis: vienalytė (vienodas energijos srauto tankis visuose ertmės taškuose), izotropinė (galimos sklidimo kryptys yra vienodai tikėtinos), nepoliarizuota (elektrinio ir magnetinio lauko stiprumo vektorių kryptys ir reikšmės). visuose ertmės taškuose chaotiškai keičiasi).
Pagrindinės šiluminės spinduliuotės kiekybinės charakteristikos yra šios:
- energetinis šviesumas yra elektromagnetinės spinduliuotės energijos kiekis visame šiluminės spinduliuotės bangų ilgių diapazone, kurį kūnas skleidžia visomis kryptimis iš paviršiaus vieneto per laiko vienetą: R = E/(S t), [J/(m 2) s)] = [W /m 2 ] Energijos šviesumas priklauso nuo kūno prigimties, kūno temperatūros, kūno paviršiaus būklės ir spinduliuotės bangos ilgio.
- spektrinio šviesumo tankis - energetinis kūno šviesumas tam tikriems bangos ilgiams (λ + dλ) tam tikroje temperatūroje (T + dT): R λ,T = f(λ, T).
Kūno energetinis šviesumas tam tikruose bangos ilgiuose apskaičiuojamas integruojant R λ,T = f(λ, T), kai T = const:
- absorbcijos koeficientas
- kūno sugertos energijos ir krentančios energijos santykis. Taigi, jei spinduliuotė iš srauto dФ inc patenka ant kūno, tai viena jo dalis atsispindi nuo kūno paviršiaus - dФ neg, kita dalis pereina į kūną ir iš dalies virsta šiluma dФ abs, o trečioji dalis. , po kelių vidinių atspindžių, praeina per kūną į išorę dФ inc : α = dФ abs./dФ žemyn.
Sugerties koeficientas α priklauso nuo sugeriančio kūno pobūdžio, sugertos spinduliuotės bangos ilgio, kūno paviršiaus temperatūros ir būklės.
- monochromatinis sugerties koeficientas- tam tikro bangos ilgio šiluminės spinduliuotės sugerties koeficientas tam tikroje temperatūroje: α λ,T = f(λ,T)
Tarp kūnų yra kūnų, kurie gali sugerti visą bet kokio bangos ilgio šiluminę spinduliuotę, kuri patenka į juos. Tokie idealiai sugeriantys kūnai vadinami visiškai juodi kūnai. Jiems α =1.
Taip pat yra pilkų kūnų, kuriems α<1, но одинаковый для всех длин волн инфракрасного диапазона.
Blackbody modelis yra maža ertmė su karščiui atspariu apvalkalu. Skylės skersmuo yra ne didesnis kaip 0,1 ertmės skersmens. Esant pastoviai temperatūrai, iš skylės išsiskiria tam tikra energija, atitinkanti visiškai juodo kūno energetinį šviesumą. Tačiau juodoji skylė yra idealizacija. Tačiau juodo kūno šiluminės spinduliuotės dėsniai padeda priartėti prie tikrų modelių.
2. Šiluminės spinduliuotės dėsniai
1. Kirchhoffo dėsnis. Šiluminė spinduliuotė yra pusiausvyra – kūno skleidžiamos energijos kiekis yra toks, kiek jis sugeria. Ant trijų kūnų, esančių uždaroje ertmėje, galime parašyti:
Nurodytas ryšys taip pat bus teisingas, kai vienas iš kūnų yra AC:
Nes juodam kūnui α λT .
Tai yra Kirchhoffo dėsnis: kūno energetinio šviesumo spektrinio tankio ir jo monochromatinės sugerties koeficiento santykis (tam tikroje temperatūroje ir tam tikram bangos ilgiui) nepriklauso nuo kūno prigimties ir yra lygus visiems kūnams energetinio šviesumo spektrinis tankis esant tokiai pačiai temperatūrai ir bangos ilgiui.
Išvados iš Kirchhoffo dėsnio:
1. Juodojo kūno spektrinis energetinis šviesumas yra universali bangos ilgio ir kūno temperatūros funkcija.
2. Juodojo kūno spektrinės energijos šviesumas yra didžiausias.
3. Savavališko kūno spektrinės energijos šviesumas yra lygus jo absorbcijos koeficiento ir absoliučiai juodo kūno spektrinės energijos šviesumo sandaugai.
4. Bet kuris kūnas tam tikroje temperatūroje skleidžia tokio pat bangos ilgio bangas, kokias skleidžia esant tam tikrai temperatūrai.
Sistemingas daugelio elementų spektrų tyrimas leido Kirchhoffui ir Bunsenui nustatyti nedviprasmišką ryšį tarp dujų absorbcijos ir emisijos spektrų bei atitinkamų atomų individualumo. Taigi buvo pasiūlyta spektrinė analizė, su kuria galite identifikuoti medžiagas, kurių koncentracija yra 0,1 nm.
Energijos šviesumo spektrinio tankio pasiskirstymas absoliučiai juodam, pilkam kūnui, savavališkam kūnui. Paskutinė kreivė turi keletą maksimumų ir minimumų, kurie rodo tokių kūnų emisijos ir sugerties selektyvumą.
2. Stefano-Boltzmanno dėsnis.
1879 m. austrų mokslininkai Josephas Stefanas (eksperimentiškai savavališkam kūnui) ir Ludwigas Boltzmannas (teoriškai juodam kūnui) nustatė, kad bendras energetinis šviesumas visame bangų ilgių diapazone yra proporcingas ketvirtajai absoliučios kūno temperatūros laipsniai:
3. Vyno dėsnis.
Vokiečių fizikas Wilhelmas Wienas 1893 metais suformulavo dėsnį, kuris nustato kūno energetinio šviesumo didžiausio spektrinio tankio padėtį juodojo kūno spinduliavimo spektre priklausomai nuo temperatūros. Pagal įstatymą bangos ilgis λ max, kuris sudaro didžiausią juodo kūno energijos šviesumo spektrinį tankį, yra atvirkščiai proporcingas jo absoliučiai temperatūrai T: λ max = в/t, kur в = 2,9*10 -3 m·K yra Wien konstanta.
Taigi, kylant temperatūrai, keičiasi ne tik visa spinduliuotės energija, bet ir pati energijos šviesumo spektrinio tankio pasiskirstymo kreivės forma. Didėjant temperatūrai, didžiausias spektrinis tankis pasislenka link trumpesnių bangų ilgių. Todėl Wieno dėsnis vadinamas poslinkio dėsniu.
Taikomas vyno įstatymas optinėje pirometrijoje- temperatūros nustatymo metodas iš labai įkaitusių kūnų, nutolusių nuo stebėtojo, spinduliavimo spektro. Būtent šiuo metodu pirmą kartą buvo nustatyta Saulės temperatūra (470 nm T = 6160 K).
Pateikti dėsniai neleido teoriškai rasti energetinio šviesumo spektrinio tankio pasiskirstymo bangos ilgiais lygčių. Rayleigh ir Jeans darbai, kuriuose mokslininkai, remdamiesi klasikinės fizikos dėsniais, tyrė juodojo kūno spinduliuotės spektrinę sudėtį, sukėlė esminių sunkumų, vadinamų ultravioletine katastrofa. UV bangų diapazone juodo kūno energetinis šviesumas turėjo pasiekti begalybę, nors eksperimentų metu sumažėjo iki nulio. Šie rezultatai prieštaravo energijos tvermės dėsniui.
4. Planko teorija. Vokiečių mokslininkas 1900 metais iškėlė hipotezę, kad kūnai spinduliuoja ne nuolat, o atskiromis porcijomis – kvantais. Kvantinė energija proporcinga spinduliavimo dažniui: E = hν = h·c/λ, kur h = 6,63*10 -34 J·s Planko konstanta.
Vadovaudamasis idėjomis apie juodojo kūno kvantinę spinduliuotę, jis gavo juodojo kūno energijos šviesumo spektrinio tankio lygtį:
Ši formulė atitinka eksperimentinius duomenis visame bangos ilgio diapazone esant visoms temperatūroms.
Saulė yra pagrindinis šiluminės spinduliuotės šaltinis gamtoje. Saulės spinduliuotė užima platų bangų ilgių diapazoną: nuo 0,1 nm iki 10 m ar daugiau. 99% saulės energijos gaunama nuo 280 iki 6000 nm. Žemės paviršiaus ploto vienetui kalnuose yra nuo 800 iki 1000 W/m2. Žemės paviršių pasiekia viena dviejų milijardų dalis šilumos – 9,23 J/cm 2. Šiluminės spinduliuotės diapazonui nuo 6000 iki 500000 nm sudaro 0,4% saulės energijos. Žemės atmosferoje didžiąją dalį infraraudonosios spinduliuotės sugeria vandens, deguonies, azoto ir anglies dioksido molekulės. Radijo diapazoną taip pat daugiausia sugeria atmosfera.
Energijos kiekis, kurį saulės spinduliai atneša per 1 s į 1 kv.m plotą, esantį už žemės atmosferos ribų, 82 km aukštyje statmenai saulės spinduliams, vadinamas saulės konstanta. Jis lygus 1,4 * 10 3 W/m 2.
Normalaus saulės spinduliuotės srauto tankio spektrinis pasiskirstymas sutampa su juodojo kūno 6000 laipsnių temperatūroje. Todėl Saulė šiluminės spinduliuotės atžvilgiu yra juodas kūnas.
3. Realių kūnų ir žmogaus kūno spinduliuotė
Šiluminė spinduliuotė iš žmogaus kūno paviršiaus vaidina svarbų vaidmenį perduodant šilumą. Yra tokie šilumos perdavimo būdai: šilumos laidumas (laidumas), konvekcija, spinduliavimas, garavimas. Priklausomai nuo to, kokiomis sąlygomis žmogus atsiduria, kiekvienas iš šių būdų gali turėti dominuojantį vaidmenį (pavyzdžiui, esant labai aukštai aplinkos temperatūrai, pagrindinis vaidmuo tenka garavimui, o šaltame vandenyje – laidumui, o vandens temperatūra 15 laipsnių laipsnių yra mirtina aplinka nuogam žmogui, o po 2-4 valandų alpsta ir miršta dėl smegenų hipotermijos). Radiacijos dalis bendrame šilumos perdavimui gali svyruoti nuo 75 iki 25%. Normaliomis sąlygomis fiziologinio poilsio metu apie 50 proc.
Šiluminė spinduliuotė, kuri vaidina svarbų vaidmenį gyvų organizmų gyvenime, skirstoma į trumpus bangos ilgius (nuo 0,3 iki 3). µm) ir ilgas bangos ilgis (nuo 5 iki 100 µm). Trumpųjų bangų spinduliuotės šaltinis yra Saulė ir atvira liepsna, o gyvi organizmai yra išskirtinai tokios spinduliuotės gavėjai. Ilgųjų bangų spinduliuotę skleidžia ir sugeria gyvi organizmai.
Sugerties koeficiento reikšmė priklauso nuo terpės ir kūno temperatūrų santykio, jų sąveikos ploto, šių sričių orientacijos, o trumpųjų bangų spinduliuotei – nuo paviršiaus spalvos. Taigi, juodaodžiams atsispindi tik 18% trumpųjų bangų spinduliuotės, o baltosios rasės žmonėms – apie 40% (greičiausiai juodaodžių odos spalva evoliucijoje neturėjo nieko bendra su šilumos perdavimu). Ilgųjų bangų spinduliuotės sugerties koeficientas yra artimas 1.
Apskaičiuoti šilumos perdavimą spinduliuote yra labai sudėtinga užduotis. Stefano-Boltzmanno dėsnis negali būti naudojamas tikriems kūnams, nes jie turi sudėtingesnę energetinio šviesumo priklausomybę nuo temperatūros. Pasirodo, tai priklauso nuo temperatūros, kūno prigimties, kūno formos ir jo paviršiaus būklės. Keičiantis temperatūrai, keičiasi koeficientas σ ir temperatūros rodiklis. Žmogaus kūno paviršius yra sudėtingos konfigūracijos, žmogus dėvi radiaciją keičiančius drabužius, o procesui įtakos turi žmogaus laikysena.
Pilko kūno spinduliavimo galia visame diapazone nustatoma pagal formulę: P = α d.t. σ·T 4 ·S Turint tam tikrų aproksimacijų, kad tikrieji kūnai (žmogaus oda, drabužių audiniai) yra arti pilkų kūnų, galime rasti formulę realių kūnų spinduliavimo galiai tam tikroje temperatūroje apskaičiuoti: P = α· σ·T 4 ·S Skirtingomis sąlygomis spinduliuojančio kūno ir aplinkos temperatūros: P = α·σ·(T 1 4 - T 2 4)·S
Yra realių kūnų energijos šviesumo spektrinio tankio ypatybės: ties 310 KAM, kuri atitinka vidutinę žmogaus kūno temperatūrą, maksimali šiluminė spinduliuotė būna 9700 nm. Bet koks kūno temperatūros pokytis lemia šiluminės spinduliuotės iš kūno paviršiaus galios pasikeitimą (pakanka 0,1 laipsnio). Todėl odos sričių, per centrinę nervų sistemą susietų su tam tikrais organais, tyrimas padeda nustatyti ligas, dėl kurių gana ženkliai keičiasi temperatūra ( Zacharyin-Ged zonų termografija).
Įdomus nekontaktinio masažo su žmogaus biolauku metodas (Juna Davitashvili). Delno šiluminės spinduliuotės galia 0,1 W, o odos šiluminis jautrumas yra 0,0001 W/cm 2 . Jei veikiate minėtas zonas, galite refleksiškai stimuliuoti šių organų darbą.
4. Biologinis ir gydomasis karščio ir šalčio poveikis
Žmogaus kūnas nuolat skleidžia ir sugeria šiluminę spinduliuotę. Šis procesas priklauso nuo žmogaus kūno temperatūros ir aplinkos. Didžiausia žmogaus kūno infraraudonoji spinduliuotė yra 9300 nm.
Naudojant mažas ir vidutines IR švitinimo dozes, sustiprėja medžiagų apykaitos procesai ir pagreitėja fermentinės reakcijos, regeneracijos ir atstatymo procesai.
Dėl infraraudonųjų spindulių ir matomos spinduliuotės poveikio audiniuose susidaro biologiškai aktyvios medžiagos (bradikininas, kalidinas, histaminas, acetilcholinas, daugiausia vazomotorinės medžiagos, kurios atlieka svarbų vaidmenį įgyvendinant ir reguliuojant vietinę kraujotaką).
Veikiant infraraudoniesiems spinduliams, odoje suaktyvinami termoreceptoriai, iš kurių informacija siunčiama į pagumburį, dėl to plečiasi odos kraujagyslės, padidėja jose cirkuliuojančio kraujo tūris, atsiranda prakaitavimas. didėja.
Infraraudonųjų spindulių prasiskverbimo gylis priklauso nuo bangos ilgio, odos drėgmės, jos pripildymo krauju, pigmentacijos laipsnio ir kt.
Raudona eritema atsiranda ant žmogaus odos, veikiant infraraudoniesiems spinduliams.
Klinikinėje praktikoje naudojamas vietinei ir bendrai hemodinamikai paveikti, padidinti prakaitavimą, atpalaiduoti raumenis, sumažinti skausmą, pagreitinti hematomų, infiltratų rezorbciją ir kt.
Hipertermijos sąlygomis sustiprėja priešnavikinis spindulinės terapijos – termoradioterapijos – poveikis.
Pagrindinės IR terapijos naudojimo indikacijos: ūmūs nepūlingi uždegiminiai procesai, nudegimai ir nušalimai, lėtiniai uždegiminiai procesai, opos, kontraktūros, sąaugos, sąnarių, raiščių ir raumenų traumos, miozitas, mialgija, neuralgija. Pagrindinės kontraindikacijos: navikai, pūlingi uždegimai, kraujavimas, kraujotakos nepakankamumas.
Šaltis vartojama kraujavimui stabdyti, skausmui malšinti, tam tikroms odos ligoms gydyti. Grūdinimas lemia ilgaamžiškumą.
Veikiant šalčiui, sumažėja širdies ritmas, kraujospūdis, slopinamos refleksinės reakcijos.
Tam tikromis dozėmis šaltis skatina nudegimų, pūlingų žaizdų, trofinių opų, erozijų ir konjunktyvito gijimą.
Kriobiologija- tiria procesus, vykstančius ląstelėse, audiniuose, organuose ir organizme veikiant žemai, nefiziologinei temperatūrai.
Naudojamas medicinoje krioterapija Ir hipertermija. Krioterapija apima metodus, pagrįstus dozuotu audinių ir organų vėsinimu. Kriochirurgijoje (krioterapijos dalyje) naudojamas vietinis audinių užšaldymas, siekiant juos pašalinti (dalies tonzilių. Jei viskas – kriotonzilektomija. Gali būti pašalinti navikai, pvz., oda, gimdos kaklelis ir kt.) Krioekstrakcija, pagrįsta krioadhezija (adhezija šlapi kūnai iki sušalusio skalpelio ) – dalies atskyrimas nuo organo.
Sergant hipertermija, kurį laiką galima išsaugoti organų funkcijas in vivo. Hipotermija naudojant anesteziją naudojama siekiant išsaugoti organų funkciją, kai nėra kraujo tiekimo, nes audinių metabolizmas sulėtėja. Audiniai tampa atsparūs hipoksijai. Naudojama šalta anestezija.
Šilumos poveikis pasiekiamas naudojant kaitrines lempas (Minin lempa, Solux, šviesos-terminė vonia, IR spindulių lempa), naudojant fizines terpes, kurios turi didelę šiluminę talpą, prastą šilumos laidumą ir gerą šilumą sulaiko: purvas, parafinas, ozokeritas, naftalenas ir kt.
5. Termografijos fiziniai pagrindai
Termografija arba terminis vaizdavimas yra funkcinės diagnostikos metodas, pagrįstas žmogaus kūno infraraudonosios spinduliuotės registravimu.
Yra 2 termografijos tipai:
- kontaktinė cholesterinė termografija: Metodu naudojamos cholesterinių skystųjų kristalų (daugiakomponenčių esterių ir kitų cholesterolio darinių mišinių) optinės savybės. Tokios medžiagos selektyviai atspindi skirtingus bangos ilgius, todėl ant šių medžiagų plėvelių galima gauti žmogaus kūno paviršiaus šiluminio lauko vaizdus. Į plėvelę nukreipiamas baltos šviesos srautas. Skirtingi bangos ilgiai nuo plėvelės atsispindi skirtingai, priklausomai nuo paviršiaus, ant kurio užtepamas cholesterikas, temperatūros.
Temperatūros įtakoje cholesterikai gali pakeisti spalvą iš raudonos į violetinę. Dėl to susidaro spalvinis žmogaus kūno šiluminio lauko vaizdas, kurį nesunku iššifruoti, žinant temperatūros ir spalvos santykį. Yra cholesterikų, leidžiančių užfiksuoti 0,1 laipsnio temperatūros skirtumą. Taigi galima nustatyti uždegiminio proceso ribas, uždegiminės infiltracijos židinius įvairiuose jo vystymosi etapuose.
Onkologijoje termografija leidžia nustatyti metastazavusius mazgus, kurių skersmuo 1,5-2 mm pieno liaukoje, odoje, skydliaukėje; ortopedijoje ir traumatologijoje įvertinti kiekvieno galūnės segmento aprūpinimą krauju, pavyzdžiui, prieš amputaciją, numatyti nudegimo gylį ir pan.; kardiologijoje ir angiologijoje nustatyti normalios širdies ir kraujagyslių sistemos veiklos sutrikimus, kraujotakos sutrikimus dėl vibracinės ligos, kraujagyslių uždegimus ir užsikimšimus; venų varikozė ir kt.; neurochirurgijoje nustatyti nervų laidumo pažeidimo židinių vietą, patvirtinti apopleksijos sukelto neuroparalyžiaus vietą; akušerijoje ir ginekologijoje nustatyti nėštumą, vaiko vietos lokalizaciją; diagnozuoti įvairius uždegiminius procesus.
- Teletermografija - pagrįsta žmogaus kūno infraraudonųjų spindulių pavertimu elektriniais signalais, kurie įrašomi termovizoriaus ar kito įrašymo įrenginio ekrane. Metodas yra nekontaktinis.
IR spinduliuotė suvokiama veidrodžių sistema, po kurios IR spinduliai nukreipiami į IR bangų imtuvą, kurio pagrindinė dalis yra detektorius (fotorezistorius, metalinis ar puslaidininkinis bolometras, termoelementas, fotocheminis indikatorius, elektronų optinis keitiklis, pjezoelektrinis detektoriai ir kt.).
Elektriniai signalai iš imtuvo perduodami į stiprintuvą, o po to į valdymo įrenginį, kuris yra skirtas veidrodžių judėjimui (objekto nuskaitymui), TIS taškinio šviesos šaltinio šildymui (proporcingai šiluminei spinduliuotei) ir fotojuostai. Kiekvieną kartą plėvelė apšviečiama TIS pagal kūno temperatūrą tyrimo vietoje.
Po valdymo įrenginio signalas gali būti perduodamas į kompiuterinę sistemą su ekranu. Tai leidžia saugoti termogramas ir jas apdoroti naudojant analitines programas. Papildomas galimybes suteikia spalvoti termovizoriai (panašios temperatūros spalvos nurodomos kontrastingomis spalvomis), galima nubrėžti izotermas.
Daugelis įmonių pastaruoju metu pripažino, kad „pasiekti“ potencialų klientą kartais būna gana sunku, jų informacinis laukas yra taip perkrautas įvairiausių reklaminių pranešimų, kad jie tiesiog nustoja būti suvokiami.
Aktyvūs pardavimai telefonu tampa vienu efektyviausių būdų padidinti pardavimus per trumpą laiką. Šaltu skambučiu siekiama pritraukti klientus, kurie anksčiau nesikreipė dėl prekės ar paslaugos, tačiau dėl daugelio veiksnių yra potencialūs klientai. Surinkęs telefono numerį, aktyvus pardavimo vadovas turi aiškiai suprasti šaltojo skambučio tikslą. Juk pokalbiai telefonu iš pardavimų vadybininko reikalauja ypatingų įgūdžių ir kantrybės, taip pat derybų technikų ir technikų išmanymo.
Kūno energetinis šviesumas- - fizinis dydis, kuris yra temperatūros funkcija ir yra skaitiniu požiūriu lygus energijai, kurią kūnas skleidžia per laiko vienetą iš paviršiaus vieneto visomis kryptimis ir visame dažnių spektre. J/s m²=W/m²
Energetinio šviesumo spektrinis tankis- dažnio ir temperatūros funkcija, apibūdinanti spinduliuotės energijos pasiskirstymą visame dažnių (arba bangos ilgių) spektre. , Panašią funkciją galima parašyti pagal bangos ilgį
Galima įrodyti, kad energijos šviesumo spektrinis tankis, išreikštas dažniu ir bangos ilgiu, yra susijęs ryšiu:
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.
Absoliučiai juodo kūno svarba sprendžiant bet kokių (pilkų ir spalvotų) kūnų šiluminės spinduliuotės spektro klausimą apskritai, be to, kad jis reprezentuoja paprasčiausią nebanalų atvejį, taip pat slypi tame, kad klausimas bet kokios spalvos kūnų pusiausvyrinės šiluminės spinduliuotės spektro ir atspindžio koeficiento, klasikinės termodinamikos metodais redukuojama iki absoliučiai juodo kūno spinduliavimo klausimo (ir istoriškai tai buvo padaryta jau XIX a. pabaigoje, kai iškilo absoliučiai juodo kūno spinduliavimo problema).
Gamtoje absoliučiai juodų kūnų nėra, todėl fizikoje eksperimentams naudojamas modelis. Tai uždara ertmė su maža skylute. Pro šią angą patekusi šviesa po pakartotinių atspindžių bus visiškai sugerta, o iš išorės skylė atrodys visiškai juoda. Tačiau kai ši ertmė bus šildoma, ji sukurs savo matomą spinduliuotę. Kadangi spinduliuotė, kurią skleidžia vidinės ertmės sienelės, prieš jai išeinant (juk skylė yra labai maža), didžiąja dalimi atvejų bus sugerta ir spinduliuojama labai daug, galime drąsiai teigti, kad spinduliuotė ertmės viduje yra termodinaminėje pusiausvyroje su sienomis. (Tiesą sakant, skylė šiam modeliui visai nesvarbi, ji reikalinga tik norint pabrėžti esminį viduje esančios spinduliuotės stebėjimą; pavyzdžiui, skylę galima visiškai uždaryti ir greitai atidaryti tik tada, kai jau yra pusiausvyra nustatytas ir atliekamas matavimas).
2. Kirchhoffo radiacijos dėsnis- fizikos dėsnis, kurį 1859 m. nustatė vokiečių fizikas Kirchhoffas. Šiuolaikinėje formuluotėje dėsnis skamba taip: Bet kurio kūno spinduliuotės ir jo sugerties gebos santykis yra vienodas visiems kūnams tam tikroje temperatūroje tam tikru dažniu ir nepriklauso nuo jų formos, cheminės sudėties ir pan.
Yra žinoma, kad elektromagnetinei spinduliuotei krentant ant tam tikro kūno dalis jos atsispindi, dalis sugeriama, o dalis gali būti perduodama. Tam tikru dažniu sugertos spinduliuotės dalis vadinama absorbcijos pajėgumas kūno. Kita vertus, kiekvienas įkaitęs kūnas skleidžia energiją pagal tam tikrą dėsnį, vadinamą kūno emisijos koeficientas.
Perkeliant iš vieno kūno į kitą reikšmės ir gali labai skirtis, tačiau pagal Kirchhoffo spinduliuotės dėsnį spinduliavimo ir sugerties gebėjimų santykis nepriklauso nuo kūno prigimties ir yra universali dažnio funkcija ( bangos ilgis) ir temperatūra:
Pagal apibrėžimą absoliučiai juodas kūnas sugeria visą ant jo, tai yra, jam patenkančią spinduliuotę. Todėl funkcija sutampa su absoliučiai juodo kūno spinduliuote, aprašyta Stefano-Boltzmanno dėsniu, dėl ko bet kurio kūno spinduliuotė gali būti nustatyta remiantis tik jo sugerties geba.
Stefano-Boltzmanno įstatymas- juodojo kūno spinduliavimo dėsnis. Nustato absoliučiai juodo kūno spinduliuotės galios priklausomybę nuo jo temperatūros. Dėsnio teiginys: Absoliučiai juodo kūno spinduliuotės galia yra tiesiogiai proporcinga paviršiaus plotui ir ketvirtajai kūno temperatūros galiai: P = Sεσ T 4, kur ε yra spinduliavimo laipsnis (visoms medžiagoms ε< 1, для абсолютно черного тела ε = 1).
Naudojant Plancko dėsnį spinduliuotei, konstanta σ gali būti apibrėžta kaip kur yra Planko konstanta, k- Boltzmanno konstanta, c- šviesos greitis.
Skaitinė reikšmė J s −1 m −2 K −4.
Vokiečių fizikas W. Wienas (1864-1928), remdamasis termo- ir elektrodinamikos dėsniais, nustatė bangos ilgio l max priklausomybę, atitinkančią funkcijos maksimumą. r l , T , ant temperatūros T. Pagal Vieno poslinkio įstatymas,l max =b/T
t.y. bangos ilgis l max atitinka didžiausią energijos šviesumo spektrinio tankio vertę r l , T juodas kūnas yra atvirkščiai proporcingas jo termodinaminei temperatūrai, b- Vieno konstanta: jos eksperimentinė vertė yra 2,9 10 -3 m K. Todėl išraiška (199,2) vadinama dėsniu kompensacijos Bėda ta, kad rodo funkcijos maksimumo padėties poslinkį r l , T temperatūrai kylant į trumpųjų bangų ilgių sritį. Wieno dėsnis paaiškina, kodėl, mažėjant įkaitusių kūnų temperatūrai, jų spektre vis labiau dominuoja ilgųjų bangų spinduliuotė (pavyzdžiui, metalui vėsstant baltos šilumos perėjimas į raudoną šilumą).
Nepaisant to, kad Stefano-Boltzmanno ir Wieno dėsniai vaidina svarbų vaidmenį šiluminės spinduliuotės teorijoje, jie yra ypatingi dėsniai, nes jie nesuteikia bendro vaizdo apie energijos pasiskirstymą skirtingomis temperatūromis.
3. Tegul šios ertmės sienos visiškai atspindi ant jų krintantį šviesą. Į ertmę įdėkime kokį nors kūną, kuris skleis šviesos energiją. Ertmės viduje atsiras elektromagnetinis laukas ir galiausiai ji bus užpildyta spinduliuote, kuri yra šiluminės pusiausvyros su kūnu būsenoje. Pusiausvyra atsiras ir tuo atveju, kai kokiu nors būdu bus visiškai pašalintas tiriamo kūno šilumos apykaita su jį supančia aplinka (pvz., šį mentalinį eksperimentą atliksime vakuume, kai nėra šilumos laidumo ir šilumos laidumo reiškinių). konvekcija). Tik per šviesos emisijos ir sugerties procesus bus pasiekta pusiausvyra: spinduliuojančio kūno temperatūra bus lygi elektromagnetinės spinduliuotės temperatūrai, izotropiškai užpildančios erdvę ertmės viduje, o kiekviena pasirinkta kūno paviršiaus dalis skleis kaip daug energijos per laiko vienetą, nes ji sugeria. Šiuo atveju pusiausvyra turi įvykti nepriklausomai nuo kūno, esančio uždaroje ertmėje, savybių, kurios vis dėlto įtakoja laiką, per kurį susidaro pusiausvyra. Elektromagnetinio lauko energijos tankį ertmėje, kaip bus parodyta žemiau, pusiausvyros būsenoje lemia tik temperatūra.
Pusiausvyros šiluminės spinduliuotės apibūdinimui svarbus ne tik tūrinis energijos tankis, bet ir šios energijos pasiskirstymas spektre. Todėl pusiausvyros spinduliuotę, izotropiškai užpildančią erdvę ertmės viduje, apibūdinsime naudodami funkciją u ω - spektrinės spinduliuotės tankis, y., vidutinė elektromagnetinio lauko tūrio vieneto energija, paskirstyta dažnių intervale nuo ω iki ω + δω ir susijusi su šio intervalo reikšme. Aišku prasmė uω turėtų labai priklausyti nuo temperatūros, todėl mes jį žymime u(ω, T). Bendras energijos tankis U(T) yra susijęs su u(ω, T) formulę.
Griežtai tariant, temperatūros sąvoka taikoma tik pusiausvyrinei šiluminei spinduliuotei. Pusiausvyros sąlygomis temperatūra turi išlikti pastovi. Tačiau temperatūros sąvoka dažnai taip pat naudojama apibūdinti kaitinamiesiems kūnams, kurie nėra pusiausvyroje su spinduliuote. Be to, lėtai keičiantis sistemos parametrams, bet kuriuo tam tikru laikotarpiu galima apibūdinti jos temperatūrą, kuri keisis lėtai. Taigi, pavyzdžiui, jei nėra šilumos antplūdžio, o spinduliuotė atsiranda dėl šviesos kūno energijos sumažėjimo, tada jo temperatūra taip pat sumažės.
Nustatykime ryšį tarp visiškai juodo kūno spinduliuotės ir pusiausvyros spinduliuotės spektrinio tankio. Norėdami tai padaryti, apskaičiuojame energijos srautą, patenkantį į vieną plotą, esantį uždaroje ertmėje, užpildytoje vidutinio tankio elektromagnetine energija U ω . Tegul spinduliuotė patenka į ploto vienetą kampų θ ir ϕ nustatyta kryptimi (6a pav.) erdvės kampe dΩ:
Kadangi pusiausvyrinė spinduliuotė yra izotropinė, tam tikru kampu sklindanti dalis yra lygi bendrai ertmę užpildančiai energijai. Elektromagnetinės energijos srautas, einantis per ploto vienetą per laiko vienetą
Keičiama dΩ išraiška ir integruojant per ϕ ribas (0, 2π) ir virš θ ribose (0, π/2), gauname bendrą energijos srautą, patenkantį į ploto vienetą:
Akivaizdu, kad pusiausvyros sąlygomis būtina sulyginti absoliučiai juodo kūno spinduliavimo koeficiento išraišką (13). rω, apibūdinantis platformos skleidžiamą energijos srautą vieneto dažnio intervale, netoli ω:
Taigi parodyta, kad visiškai juodo kūno spinduliuotė iki koeficiento c/4 sutampa su pusiausvyros spinduliuotės spektriniu tankiu. Kiekvienai spinduliuotės spektrinei komponentei turi būti tenkinama lygybė (14), todėl iš to išplaukia, kad f(ω, T)= u(ω, T) (15)
Baigdami pažymime, kad absoliutaus juodo kūno spinduliuotė (pavyzdžiui, šviesa, kurią skleidžia maža skylė ertmėje) nebebus pusiausvyros. Visų pirma, ši spinduliuotė nėra izotropinė, nes ji sklinda ne visomis kryptimis. Tačiau tokios spinduliuotės energijos pasiskirstymas spektre sutaps su pusiausvyros spinduliuotės spektriniu tankiu, kuris izotropiškai užpildo erdvę ertmės viduje. Tai leidžia mums naudoti ryšį (14), kuris galioja bet kurioje temperatūroje. Joks kitas šviesos šaltinis neturi panašaus energijos pasiskirstymo visame spektre. Pavyzdžiui, elektros iškrova dujose arba švytėjimas, veikiamas cheminių reakcijų, turi spektrus, kurie žymiai skiriasi nuo absoliučiai juodo kūno švytėjimo. Energijos pasiskirstymas kaitinamųjų kūnų spektre taip pat ženkliai skiriasi nuo absoliučiai juodo kūno švytėjimo, kuris buvo didesnis lyginant bendro šviesos šaltinio (kaitinamųjų lempų su volframo siūleliu) ir absoliučiai juodo kūno spektrus.
4. Remiantis tolygaus energijos pasiskirstymo pagal laisvės laipsnius dėsniu: kiekvienam elektromagnetiniam virpesiui vidutiniškai tenka energija, kuri yra dviejų kT dalių suma. Vieną pusę sudaro elektrinis bangos komponentas, o antrasis - magnetinis komponentas. Pati pusiausvyros spinduliuotę ertmėje galima pavaizduoti kaip stovinčių bangų sistemą. Stovėjusių bangų skaičius trimatėje erdvėje apskaičiuojamas taip:
Mūsų atveju greitis v turėtų būti nustatytas lygus c, be to, dvi elektromagnetinės bangos, kurių dažnis yra toks pat, bet su viena kitai statmenomis poliarizacijomis, gali judėti ta pačia kryptimi, tada (1) papildomai turėtų būti padauginta iš dviejų:
Taigi, Rayleigh ir Jeans, kiekvienai vibracijai buvo skirta energija. Padauginus (2) iš , gauname energijos tankį, kuris patenka į dažnio intervalą dω:
Žinodami ryšį tarp visiškai juodo kūno spinduliavimo f(ω, T) su pusiausvyriniu šiluminės spinduliuotės energijos tankiu, už f(ω, T) randame: Išraiškos (3) ir (4) vadinamos Rayleigh-Jeans formulė.
Formulės (3) ir (4) patenkinamai sutampa su eksperimentiniais duomenimis tik ilgiems bangos ilgiams, sutapimas su eksperimentu smarkiai skiriasi. Be to, integracija (3) virš ω intervale nuo 0 iki pusiausvyros energijos tankio u(T) suteikia be galo didelę reikšmę. Šis rezultatas vadinamas ultravioletinė katastrofa, akivaizdžiai prieštarauja eksperimentui: pusiausvyra tarp spinduliuotės ir spinduliuojančio kūno turi būti nustatyta baigtinėmis vertėmis u(T).
Ultravioletinė nelaimė- fizinis terminas, apibūdinantis klasikinės fizikos paradoksą, kuris susideda iš to, kad bet kurio šildomo kūno bendra šiluminės spinduliuotės galia turi būti begalinė. Paradoksas gavo savo pavadinimą dėl to, kad sutrumpėjus bangos ilgiui, spinduliuotės spektrinės galios tankis turėjo didėti neribotai. Iš esmės šis paradoksas parodė jei ne vidinį klasikinės fizikos nenuoseklumą, tai bent itin aštrų (absurdišką) neatitikimą su elementariais stebėjimais ir eksperimentu.
5. Plancko hipotezė- 1900 m. gruodžio 14 d. Maxo Plancko iškelta hipotezė, kuri teigia, kad šiluminės spinduliuotės metu energija išspinduliuojama ir sugeriama ne nuolat, o atskirais kvantais (porcijomis). Kiekviena tokia kvantinė dalis turi energijos , proporcingas dažniui ν spinduliuotė:
Kur h arba - proporcingumo koeficientas, vėliau vadinamas Planko konstanta. Remdamasis šia hipoteze, jis pasiūlė teorinį kūno temperatūros ir šio kūno skleidžiamos spinduliuotės ryšio išvedimą – Planko formulę.
Plancko formulė- juodojo kūno spinduliuotės spektrinės galios tankio išraiška, kurią gavo Maxas Planckas. Dėl spinduliuotės energijos tankio u(ω, T):
Plancko formulė buvo gauta po to, kai paaiškėjo, kad Rayleigh-Jeans formulė patenkinamai apibūdina spinduliuotę tik ilgųjų bangų srityje. Norėdamas išvesti formulę, Planckas 1900 m. padarė prielaidą, kad elektromagnetinė spinduliuotė skleidžiama atskirų energijos dalių (kvantų) pavidalu, kurių dydis yra susijęs su spinduliuotės dažniu pagal išraišką:
Proporcingumo koeficientas vėliau buvo vadinamas Planko konstanta, = 1,054 · 10 −27 erg s.
Norint paaiškinti šiluminės spinduliuotės savybes, reikėjo įvesti elektromagnetinės spinduliuotės emisijos porcijomis (kvantais) sampratą. Kvantinį spinduliuotės pobūdį taip pat patvirtina trumpojo bangos ilgio riba bremsstrahlung rentgeno spindulių spektre.
Rentgeno spinduliuotė atsiranda, kai kietieji taikiniai yra bombarduojami greitųjų elektronų Čia anodas pagamintas iš W, Mo, Cu, Pt – sunkiųjų ugniai atsparių arba didelio šilumos laidumo metalų. Tik 1–3% elektronų energijos sunaudojama spinduliuotei, likusi dalis išsiskiria prie anodo šilumos pavidalu, todėl anodai aušinami vandeniu. Patekę į anodo medžiagą, elektronai patiria stiprų slopinimą ir tampa elektromagnetinių bangų (rentgeno spindulių) šaltiniu.
Pradinis elektrono greitis, kai jis atsitrenkia į anodą, nustatomas pagal formulę:
Kur U– greitėjimo įtampa.
>Pastebima emisija stebima tik staigiai sulėtėjus greitiems elektronams, pradedant nuo U~ 50 kV, o ( Su– šviesos greitis). Indukciniuose elektronų greitintuvuose - betatronuose elektronai įgyja energijos iki 50 MeV, = 0,99995 Su. Nukreipdami tokius elektronus į kietą taikinį, gauname trumpo bangos ilgio rentgeno spinduliuotę. Ši spinduliuotė turi didelę prasiskverbimo galią. Pagal klasikinę elektrodinamiką, lėtėjant elektronui, turėtų kilti visų bangų ilgių spinduliuotė nuo nulio iki begalybės. Bangos ilgis, kuriam esant atsiranda didžiausia spinduliuotės galia, turėtų mažėti didėjant elektronų greičiui. Tačiau yra esminis skirtumas nuo klasikinės teorijos: nulinės galios paskirstymai neeina į koordinačių pradžią, o nutrūksta esant baigtinėms vertėms - tai yra trumpo bangos ilgio rentgeno spindulių spektro galas.
Eksperimentiškai buvo nustatyta, kad
Trumpųjų bangų ribos egzistavimas tiesiogiai išplaukia iš kvantinės spinduliuotės prigimties. Iš tiesų, jei spinduliuotė atsiranda dėl energijos, kurią elektronas praranda stabdant, tada kvanto energija negali viršyti elektrono energijos eU, t.y. , iš čia arba .
Šiame eksperimente galime nustatyti Planko konstantą h. Iš visų Planko konstantos nustatymo metodų tiksliausias yra metodas, pagrįstas rentgeno spinduliuotės spinduliuotės spektro trumpųjų bangų ilgio ribos matavimu.
7. Foto efektas- tai elektronų emisija iš medžiagos, veikiant šviesai (ir apskritai bet kokiai elektromagnetinei spinduliuotei). 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, tai yra mažiausias šviesos dažnis ν 0 (arba didžiausias bangos ilgis λ 0), kuriam esant fotoelektrinis efektas vis dar įmanomas, o jei ν 0, fotoelektrinis efektas nebebus. atsiranda.
Teorinį šių dėsnių paaiškinimą 1905 metais pateikė Einšteinas. Pagal ją elektromagnetinė spinduliuotė yra atskirų kvantų (fotonų), kurių kiekvieno energija yra hν, srautas, kur h yra Planko konstanta. Esant fotoelektriniam efektui, dalis krentančios elektromagnetinės spinduliuotės atsispindi nuo metalo paviršiaus, o dalis prasiskverbia į paviršinį metalo sluoksnį ir ten absorbuojama. Sugėręs fotoną, elektronas iš jo gauna energiją ir, atlikdamas darbo funkciją, palieka metalą: hν = A out + W e, Kur W e- maksimali kinetinė energija, kurią gali turėti elektronas, paliekant metalą.
Iš energijos tvermės dėsnio, vaizduojant šviesą dalelių (fotonų) pavidalu, Einšteino fotoelektrinio efekto formulė seka: hν = A out + Ek
Kur A out- vadinamasis darbo funkcija (minimali energija, reikalinga elektronui pašalinti iš medžiagos), Ek – skleidžiamo elektrono kinetinė energija (priklausomai nuo greičio, arba galima apskaičiuoti reliatyvistinės dalelės kinetinę energiją, arba ne), ν – dažnis krintančio fotono su energija hν, h- Planko konstanta.
Darbo funkcija- skirtumas tarp minimalios energijos (paprastai matuojamos elektronų voltais), kuri turi būti perduodama elektronui, kad jis būtų „tiesiogiai“ pašalintas iš kieto kūno tūrio, ir Fermio energijos.
„Raudona“ nuotraukos efekto kraštinė- mažiausias dažnis arba didžiausias bangos ilgis λ maksšviesa, kuriai esant dar galimas išorinis fotoelektrinis efektas, tai yra pradinė fotoelektronų kinetinė energija yra didesnė už nulį. Dažnis priklauso tik nuo išvesties funkcijos A out elektronas: , kur A out- darbo funkcija konkrečiam fotokatodui, h yra Planko konstanta, ir Su- šviesos greitis. Darbo funkcija A out priklauso nuo fotokatodo medžiagos ir jo paviršiaus būklės. Fotoelektronų emisija prasideda iškart, kai į fotokatodą patenka λ dažnio arba bangos ilgio šviesa.
ŠILUMINIS SPINDULIAVIMAS Stefano Boltzmanno dėsnis Ryšys tarp energijos šviesumo R e ir juodo kūno energijos šviesumo spektrinio tankio Pilko kūno energetinis šviesumas Wieno poslinkio dėsnis (1-asis dėsnis) Juodo kūno energijos šviesumo maksimalaus spektrinio tankio priklausomybė kūno temperatūros (2-asis dėsnis) Plancko formulė
TERMINĖ SPINDULIACIJA 1. Saulės energijos šviesumo didžiausias 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, Saulės paviršiaus skleidžiama galia Pagal Stefano Boltzmanno dėsnį,
ŠILUMINIS SPINDULIAVIMAS 2. Nustatykite šilumos kiekį, kuris per 1 minutę praranda 50 cm 2 nuo išlydytos platinos paviršiaus, jei platinos sugeriamoji geba A T = 0,8. Platinos lydymosi temperatūra yra 1770 °C. Platinos prarastos šilumos kiekis yra lygus jos karšto paviršiaus skleidžiamai energijai pagal Stefano Boltzmanno dėsnį.
ŠILUMINIS SPINDULIAVIMAS 3. Elektrinė krosnis suvartoja galią P = 500 W. Jo vidinio paviršiaus su atvira maža skylute, kurios skersmuo d = 5,0 cm, temperatūra yra 700 °C. Kiek suvartojamos elektros energijos išsklaido sienos? Bendra galia nustatoma pagal jėgų, išleistų per skylę, sumą. Galia, kurią išsklaido sienos. Pagal Stefano Boltzmanno dėsnį,
ŠILUMINIS SPINDULIAVIMAS 4 Volframo siūlas kaitinamas vakuume I = 1 A jėgos srove iki temperatūros T 1 = 1000 K. Kokio stiprumo srove siūlas įkaista iki temperatūros T 2 = 3000 K? Volframo sugerties koeficientai ir jo savitoji varža, atitinkanti temperatūras T 1, T 2, yra lygūs: a 1 = 0,115 ir a 2 = 0,334; 1 = 25, Ohm m, 2 = 96, Ohm m Išspinduliuojama galia lygi galiai, suvartojamai iš elektros grandinės pastovioje būsenoje. Elektros galia, išsiskirianti laidininke Pagal Stefano Boltzmanno dėsnį,
ŠILUMINIS SPINDULIAVIMAS 5. Saulės spektre didžiausias energijos šviesumo spektrinis tankis atsiranda, kai bangos ilgis yra .0 = 0,47 mikrono. Darant prielaidą, kad Saulė spinduliuoja kaip visiškai juodas kūnas, suraskite saulės spinduliuotės intensyvumą (ty spinduliuotės srauto tankį) šalia Žemės už jos atmosferos ribų. Šviesos intensyvumas (spinduliavimo intensyvumas) Šviesos srautas Pagal Stefano Boltzmanno ir Wieno įstatymus
TERMINĖ SPINDULIACIJA 6. Bangos ilgis 0, kuris atspindi didžiausią energiją juodojo kūno spinduliuotės spektre, yra 0,58 mikrono. Nustatykite maksimalų energijos šviesumo spektrinį tankį (r,T) max, apskaičiuotą bangos ilgio intervalui = 1 nm, netoli 0. Didžiausias energijos šviesumo spektrinis tankis yra proporcingas temperatūros penktajai galiai ir išreiškiamas 2-uoju Wieno dėsniu. Temperatūra T išreiškiama iš Wieno poslinkio dėsnio reikšmė C pateikiama SI vienetais, kuriuose vieneto bangos ilgio intervalas = 1 m Pagal uždavinio sąlygas reikia apskaičiuoti spektrinį šviesumo tankį, apskaičiuotą bangos ilgio intervalui 1. nm, todėl išrašome C reikšmę SI vienetais ir perskaičiuojame tam tikram bangos ilgio intervalui:
ŠILUMĖS SPINDULIAVIMAS 7. Saulės spinduliuotės spektro tyrimas rodo, kad energijos šviesumo didžiausias spektrinis tankis atitinka bangos ilgį = 500 nm. Laikydami Saulę juodu kūnu, nustatykite: 1) Saulės energetinį šviesumą R e; 2) Saulės skleidžiamas energijos srautas F e; 3) per 1 s Saulės skleidžiamų elektromagnetinių bangų (visų ilgių) masė. 1. Pagal Stefano Boltzmanno ir Wieno dėsnius 2. Šviesos srautas 3. Saulės skleidžiamų elektromagnetinių bangų (visų ilgių) masę per laiką t = 1 s, nustatome taikydami masės ir energijos proporcingumo dėsnį. E = ms 2. Elektromagnetinių bangų, sklindančių per laiką t, energija lygi energijos srauto sandaugai Ф e ((spinduliavimo galia) pagal laiką: E=Ф e t. Todėl Ф e =ms 2, iš kur m= Ф e /с 2.
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 temperatūros: Ф = Ф(Т),
Jį apibūdina energetinio šviesumo pasiskirstymas per šiluminės spinduliuotės spektrą spektrinis tankis. Pažymime šiluminės spinduliuotės energiją, kurią skleidžia vienas paviršius 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 energetinį 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.
Pilkas kūnas yra kūnas, kurio sugerties koeficientas nepriklauso nuo bangos ilgio: α = const< 1.
Visiškai baltas kūnas yra kūnas, kurio visų bangų ilgių sugerties koeficientas lygus nuliui: α = 0.
Kirchhoffo dėsnis
Kirchhoffo dėsnis- 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.
