Kūno energetinis šviesumas - - fizinis kiekis, kuri yra temperatūros funkcija ir skaitinė lygus energijai, skleidžiamas kūno per laiko vienetą iš paviršiaus ploto vieneto visomis kryptimis ir per visą dažnių spektrą. J/s m²=W/m²
Spektrinis tankis energetinis šviesumas - dažnio ir temperatūros funkcija, apibūdinanti spinduliuotės energijos pasiskirstymą visame dažnių (arba bangos ilgių) spektre. , Panašią funkciją galima parašyti pagal bangos ilgį
Tai galima įrodyti spektrinis tankis energetinis šviesumas, išreikštas dažniu ir bangos ilgiu, yra susijęs su ryšiu:
absoliučiai 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 pusiausvyros šiluminės spinduliuotės spektras ir atspindžio koeficientas priklauso nuo metodų klasikinė termodinamikaį klausimą apie absoliučiai juodos spalvos spinduliavimą (ir istoriškai tai jau buvo padaryta pabaigos 19 a amžiuje, kai išryškėjo juodojo kūno spinduliuotės 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 turės savo matoma spinduliuotė. Kadangi spinduliuotė, kurią skleidžia vidinės ertmės sienelės, prieš jai išeinant (juk skylė labai maža), daugeliu atvejų bus didžiulė suma naujų sugerčių ir emisijų, tuomet 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 - fizinis įstatymas 1859 m. įsteigė vokiečių fizikas Kirchhoffas. IN moderni formuluotė dėsnis yra toks: bet kurio kūno spinduliuotės ir jo sugerties gebos santykis yra vienodas visiems kūnams tam tikroje temperatūroje tam tikru dažniu ir nepriklauso nuo jų formos, cheminė sudėtis ir taip toliau.
Yra žinoma, kad krintant elektromagnetinė spinduliuotė ant kai kurių kūno dalių jis atsispindi, dalis yra absorbuojama ir 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.
Kiekiai ir gali labai skirtis judant iš vieno kūno į kitą, tačiau pagal Kirchhoffo radiacijos dėsnį emisijos ir sugerties gebėjimų santykis nepriklauso nuo kūno prigimties ir yra universali funkcija dažnis (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
y. bangos ilgį l max atitinka maksimali vertė energetinio šviesumo spektrinis tankis r l , T juodas kūnas yra atvirkščiai proporcingas jo termodinaminė temperatūra, b- nuolatinė Kaltė: ji eksperimentinė vertė lygus 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. Vieno dėsnis paaiškina, kodėl, mažėjant įkaitusių kūnų temperatūrai, jų spektre vis labiau dominuoja ilgųjų bangų spinduliuotė (pavyzdžiui, perėjimas balta šiluma parausta, kai metalas atvėsta).
Nepaisant to, kad veikia Stefano-Boltzmanno ir Wieno dėsniai, šiluminės spinduliuotės teorijoje svarbus vaidmuo, tai yra ypatingi dėsniai, nes jie nepateikia bendro energijos pasiskirstymo dažniais skirtingose temperatūrose vaizdo.
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 šiluminė pusiausvyra su kūnu. Pusiausvyra atsiras ir tuo atveju, kai kokiu nors būdu bus visiškai pašalintas tiriamo kūno šilumos mainai su jį supančia aplinka (pvz., šį mentalinį eksperimentą atliksime vakuume, kai nėra šilumos laidumo reiškinių ir konvekcija). Tik per šviesos emisijos ir sugerties procesus būtinai atsiras pusiausvyra: spinduliuojantis kūnas turės temperatūrą lygi temperatūrai elektromagnetinė spinduliuotė izotropiškai užpildo erdvę ertmės viduje, ir kiekviena pasirinkta kūno paviršiaus dalis per laiko vienetą išskirs tiek energijos, kiek 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 svarbu ne tik tūrinis tankis energijos, bet ir šios energijos pasiskirstymą spektre. Todėl pusiausvyros spinduliuotę, izotropiškai užpildančią erdvę ertmės viduje, apibūdinsime naudodami funkciją u ω - spektrinis radiacijos tankis, t.y. vidutinė energija tūrio vienetų elektromagnetinis laukas, paskirstytas dažnio intervale nuo ω iki ω + δω ir susijęs 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 sritį, esančią uždaroje ertmėje, užpildytoje elektromagnetine energija vidutinio tankio 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 išraišką ir integruodami virš ϕ ribose (0, 2π) ir virš θ ribose (0, π/2), gauname pilnas srautas energijos kritimas ploto vienete:
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 veikiant cheminės reakcijos turi spektrus, kurie žymiai skiriasi nuo visiškai juodo kūno švytėjimo. Energijos pasiskirstymas kaitinamųjų kūnų spektre taip pat ženkliai skiriasi nuo absoliučiai juodo kūno švytėjimo, kuris buvo didesnis lyginant bendro šviesos šaltinio (kaitinamos lempos su volframo siūleliu) ir absoliučiai juodo kūno spektrus.
4. Remiantis tolygaus energijos pasiskirstymo tarp laisvės laipsnių dėsniu: kiekvienam elektromagnetinis virpesys vidutinė energija yra dviejų kT dalių suma. Vieną pusę sudaro elektrinis bangos komponentas, o antrasis - magnetinis komponentas. Pati pusiausvyros spinduliuotę ertmėje galima pavaizduoti kaip sistemą stovinčios bangos. Stovinčių bangų skaičius trimatė erdvė gaunama iš išraiškos:
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.
(3) ir (4) formulės patenkinamai atitinka eksperimentinius duomenis tik ilgiems bangos ilgiams, trumpos bangos sutarimas su eksperimentu smarkiai prieštarauja. Be to, integracija (3) virš ω intervale nuo 0 iki pusiausvyros energijos tankio u(T) duoda be galo puiki vertė. Šis rezultatas vadinamas ultravioletinė katastrofa, akivaizdžiai prieštarauja eksperimentui: pusiausvyra tarp spinduliuotės ir spinduliuojančio kūno turėtų būti nustatyta, kai galutinės vertės u(T).
Ultravioletinė nelaimė - fizinis terminas, apibūdinantis paradoksą klasikinė fizika, susidedantis iš to, kad visa galia Bet kurio įkaitinto kūno šiluminė spinduliuotė 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 vidinis nenuoseklumas klasikinė fizika, tai bet kuriuo atveju itin aštrus (absurdiškas) neatitikimas su elementarūs pastebėjimai ir eksperimentuoti.
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 regione ilgos bangos. 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 stiprus stabdymas ir tapti šaltiniu elektromagnetines bangas(rentgeno spinduliai).
Pradinis greitis Elektronas, atsitrenkęs į anodą, nustatomas pagal formulę:
Kur U– greitėjimo įtampa.
>Pastebima emisija stebima tik staigiai sulėtėjus greitiesiems elektronams, pradedant nuo U~ 50 kV, o ( Su– šviesos greitis). Indukciniuose elektronų greitintuvuose - betatronuose elektronai įgyja energijos iki 50 MeV, = 0,99995 Su. Nukreipę tokius elektronus į kietą taikinį, gauname rentgeno spinduliuotė su trumpu bangos ilgiu. Ši spinduliuotė turi didelę prasiskverbimo galią. Pagal klasikinė elektrodinamika Kai elektronas sulėtėja, turėtų atsirasti 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 iš klasikinė teorija: nulinės galios paskirstymai neina į pradinę vietą, 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 kvantinė gamta radiacija. 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, išspinduliuotų šviesos iš metalo paviršiaus per laiko vienetą tam tikru dažniu, skaičius yra tiesiogiai proporcingas šviesos srautas, apšviečiantis metalą.
Pagal 2-asis fotoelektrinio efekto dėsnis, maksimalus kinetinė energijašviesos skleidžiami elektronai 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 ν 0 (arba maksimalus ilgis banga λ 0), kuriai esant fotoelektrinis efektas vis dar galimas, o jei ν 0, tai fotoelektrinis efektas nebeatsiranda..
Teorinis paaiškinimasŠiuos įstatymus 1905 metais davė Einšteinas. Pagal ją elektromagnetinė spinduliuotė yra atskirų kvantų (fotonų), kurių kiekvieno energija yra hν, srautas, kur h yra Planko konstanta. Fotoelektrinio efekto metu dalis krentančios elektromagnetinės spinduliuotės atsispindi nuo metalo paviršiaus, o dalis prasiskverbia į paviršinį metalo sluoksnį ir ten absorbuojama. Sugėręs fotoną, elektronas gauna iš jo 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 suteikta elektronui, kad jis būtų „tiesiogiai“ pašalintas iš tūrio kietas, ir Fermi energija.
„Raudona“ nuotraukos efekto kraštinė- mažiausias dažnis arba didžiausias bangos ilgis λ maksšviesa, kuriai esant vis dar galimas išorinis fotoelektrinis efektas, tai yra pradinė fotoelektronų kinetinė energija didesnis 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.
Kūnų šiluminė spinduliuotė yra elektromagnetinė spinduliuotė, kylanti iš tos kūno vidinės energijos dalies, kuri yra susijusi su jo dalelių šiluminiu 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:
(2)
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.
Apsvarstyta 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 gamtoje esantys kūnai iš dalies atspindi ant jų paviršių patenkančią spinduliuotę, todėl nėra klasifikuojami kaip absoliučiai juodi kūnai. Jei kūno monochromatinės sugerties koeficientas yra toks pat už 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) , toks pat kaip visiškai juodo kūno energijos šviesumo spektrinis tankis :
(3)
(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 stipriausiai – absoliučiai juodi kūnai. Kadangi visiškai juodam kūnui( , T)=1, tada iš (3) formulės išplaukia, kad universalioji funkcija f( , T) reiškia juodo kūno spektrinį šviesumo tankį
Kūno energetinis šviesumas R T, yra skaičiai lygus energijai W, skleidžiamas kūno per visą bangų ilgių diapazoną (0
Kūno spinduliuotė rl, T skaitine prasme lygus kūno energijai dWl, kurį kūnas skleidžia iš kūno paviršiaus vieneto, per laiko vienetą kūno temperatūroje T, bangos ilgių diapazone nuo l iki l +dl, tie.
(2)
Šis dydis dar vadinamas kūno energijos šviesumo spektriniu tankiu.
Energetinis šviesumas yra susijęs su spinduliuote pagal formulę
(3)
Sugeriamumas kūno al, T- skaičius, rodantis, kokią kūno paviršiuje krintančios spinduliuotės energijos dalį jis sugeria bangos ilgių diapazone nuo l iki l +dl, tie.
Kūnas, kuriam al ,T =1 visame bangų ilgių diapazone vadinamas absoliučiu juodu kūnu (BLB).
Kūnas, kuriam al ,T =konst<1 visame bangų ilgio diapazone vadinamas pilka.
kur- spektrinis tankis energetinis šviesumas, arba kūno emisija .
Patirtis rodo, kad kūno spinduliuotė priklauso nuo kūno temperatūros (kiekvienai temperatūrai didžiausia spinduliuotė yra savo dažnių diapazone). Matmenys .
Žinodami spinduliavimo koeficientą, galime apskaičiuoti energinį šviesumą:
paskambino organizmo gebėjimas sugerti . Tai taip pat labai priklauso nuo temperatūros.
Pagal apibrėžimą jis negali būti didesnis nei vienas. Kūnui, kuris visiškai sugeria visų dažnių spinduliuotę,. Toks kūnas vadinamas visiškai juodas (tai idealizacija).
Kūnas, kuriam ir yra mažesnis už vienybę visiems dažniams,paskambino pilkas kūnas (tai irgi idealizacija).
Yra tam tikras ryšys tarp kūno emisijos ir absorbcijos. Mintyse atlikime tokį eksperimentą (1.1 pav.).
Ryžiai. 1.1
Tegul uždarame apvalkale yra trys kūnai. Kūnai yra vakuume, todėl energijos mainai gali vykti tik spinduliuojant. Patirtis rodo, kad tokia sistema po kurio laiko pasieks šiluminės pusiausvyros būseną (visų kūnų ir apvalkalo temperatūra bus vienoda).
Esant tokiai būsenai, kūnas su didesne spinduliuote praranda daugiau energijos per laiko vienetą, tačiau dėl to šis kūnas taip pat turi turėti didesnę absorbcinę galią:
Gustavas Kirchhoffas suformulavo 1856 m įstatymas ir pasiūlė juodas korpuso modelis .
Emisijos ir sugerties santykis nepriklauso nuo kūno prigimties, jis yra vienodas visiems kūnams(universalus)dažnio ir temperatūros funkcija.
| , | (1.2.3) |
kur - universali Kirchhoff funkcija.
Ši funkcija yra universali arba absoliuti.
Patys kiekiai ir, paėmus atskirai, gali itin stipriai keistis judant iš vieno kūno į kitą, tačiau jų santykis nuolat visiems kūnams (tam tikru dažniu ir temperatūra).
Dėl absoliučiai juodo kūno, todėl už jį, t.y. universali Kirchhoff funkcija yra ne kas kita, kaip visiškai juodo kūno spinduliuotė.
Absoliučiai juodų kūnų gamtoje nėra. Suodžių arba platinos juodos spalvos sugeriamosios savybės, tačiau tik ribotame dažnių diapazone. Tačiau ertmė su maža skylute savo savybėmis labai artima visiškai juodam kūnui. Į vidų patekęs spindulys būtinai sugeriamas po kelių atspindžių, o bet kokio dažnio spindulys (1.2 pav.).
Ryžiai. 1.2
Tokio prietaiso (ertmės) spinduliuotė yra labai artima f(ν, ,T). Taigi, jei ertmės sienos palaikomos temperatūroje T, tada iš skylės išeina spinduliuotė, savo spektrine sudėtimi labai artima absoliučiai juodo kūno spinduliuotei toje pačioje temperatūroje.
Išskaidžius šią spinduliuotę į spektrą, galima rasti eksperimentinę funkcijos formą f(ν, ,T)(1.3 pav.), esant skirtingoms temperatūroms T 3 > T 2 > T 1 .
Ryžiai. 1.3
Kreivės padengtas plotas suteikia juodo kūno energetinį šviesumą atitinkamoje temperatūroje.
Šios kreivės yra vienodos visiems kūnams.
Kreivės yra panašios į molekulinio greičio pasiskirstymo funkciją. Bet ten kreivių padengti plotai yra pastovūs, o čia kylant temperatūrai plotas gerokai padidėja. Tai rodo, kad energetinis suderinamumas labai priklauso nuo temperatūros. Didžiausia spinduliuotė (išspinduliavimas) didėjant temperatūrai pamainomis link aukštesnių dažnių.
Šiluminės spinduliuotės dėsniai
Bet koks įkaitęs kūnas skleidžia elektromagnetines bangas. Kuo aukštesnė kūno temperatūra, tuo trumpesnes bangas jis skleidžia. Kūnas, esantis termodinaminėje pusiausvyroje su jo spinduliuote, vadinamas visiškai juodas (ACHT). Visiškai juodo kūno spinduliuotė priklauso tik nuo jo temperatūros. 1900 m. Maxas Planckas išvedė formulę, pagal kurią esant tam tikrai absoliučiai juodo kūno temperatūrai galima apskaičiuoti jo spinduliavimo intensyvumą.
Austrų fizikai Stefanas ir Boltzmannas sukūrė dėsnį, išreiškiantį kiekybinį ryšį tarp bendros spinduliuotės ir juodo kūno temperatūros:
Šis įstatymas vadinamas Stefano-Boltzmanno dėsnis . Konstanta σ = 5,67∙10 –8 W/(m 2 ∙K 4) vadinama Stefano-Boltzmanno konstanta .
Visos Planck kreivės turi pastebimai ryškų maksimumą ties bangos ilgiu
|
Šis įstatymas buvo vadinamas Vieno dėsnis . Taigi Saulei T 0 = 5800 K, o maksimumas atsiranda esant bangos ilgiui λ max ≈ 500 nm, o tai atitinka žalią spalvą optiniame diapazone.
Didėjant temperatūrai, maksimali visiškai juodo kūno spinduliuotė pasislenka į trumpesnio bangos ilgio spektro dalį. Karštesnė žvaigždė didžiąją dalį energijos išspinduliuoja ultravioletiniais spinduliais, o šaltesnė – infraraudonaisiais spinduliais.
Foto efektas. Fotonai
Fotoelektrinis efektas 1887 metais atrado vokiečių fizikas G. Hercas, o 1888–1890 metais eksperimentiškai ištyrė A. G. Stoletovas. Išsamiausią fotoelektrinio efekto reiškinio tyrimą 1900 metais atliko F. Lenardas. Iki to laiko elektronas jau buvo atrastas (1897, J. Thomson), ir tapo aišku, kad fotoelektrinis efektas (ar daugiau Tiksliau, išorinis fotoefektas) susideda iš elektronų išmetimo iš medžiagos, veikiant ant jos krintančios šviesos.
Fotoelektrinio efekto tyrimo eksperimentinės sąrankos schema parodyta Fig. 5.2.1.
Eksperimentams buvo naudojamas stiklinis vakuuminis butelis su dviem metaliniais elektrodais, kurio paviršius buvo kruopščiai nuvalytas. Elektrodams buvo pritaikyta tam tikra įtampa U, kurio poliškumą galima pakeisti naudojant dvigubą raktą. Vienas iš elektrodų (katodas K) buvo apšviestas per kvarcinį langelį tam tikro bangos ilgio λ monochromatine šviesa. Esant pastoviam šviesos srautui, buvo paimta fotosrovės stiprio priklausomybė aš nuo taikomos įtampos. Fig. 5.2.2 paveiksle pavaizduotos tipinės tokios priklausomybės kreivės, gautos esant dviem į katodą krentančio šviesos srauto intensyvumo vertėms.
Kreivės rodo, kad esant pakankamai didelėms teigiamoms anodo A įtampoms, fotosrovė pasiekia prisotinimą, nes visi elektronai, išstumti iš katodo šviesos, pasiekia anodą. Kruopščiai atlikti matavimai parodė, kad soties srovė aš n yra tiesiogiai proporcingas krintančios šviesos intensyvumui. Kai įtampa prie anodo yra neigiama, elektrinis laukas tarp katodo ir anodo slopina elektronus. Tik tie elektronai, kurių kinetinė energija viršija | eU|. Jei įtampa prie anodo yra mažesnė nei - U h, fotosrovė sustoja. Matavimas U h, galime nustatyti maksimalią fotoelektronų kinetinę energiją:
Daugelis eksperimentatorių nustatė šiuos pagrindinius fotoelektrinio efekto principus:
- Maksimali fotoelektronų kinetinė energija didėja tiesiškai didėjant šviesos dažniui ν ir nepriklauso nuo jos intensyvumo.
- Kiekvienai medžiagai yra vadinamasis raudonos nuotraukos efekto kraštinė , ty mažiausias dažnis ν min, kuriam esant vis dar galimas išorinis fotoelektrinis efektas.
- Šviesos iš katodo per 1 s skleidžiamų fotoelektronų skaičius yra tiesiogiai proporcingas šviesos intensyvumui.
- Fotoelektrinis efektas yra praktiškai be inercijos, fotosrovė atsiranda iškart po katodo apšvietimo pradžios, jei šviesos dažnis ν > ν min.
Visi šie fotoelektrinio efekto dėsniai iš esmės prieštaravo klasikinės fizikos idėjoms apie šviesos sąveiką su medžiaga. Pagal bangų koncepcijas, sąveikaudamas su elektromagnetine šviesos banga, elektronas palaipsniui kauptų energiją ir prireiktų nemažai laiko, priklausomai nuo šviesos intensyvumo, kol elektronas sukauptų pakankamai energijos, kad galėtų išskristi iš šviesos bangos. katodas. Kaip rodo skaičiavimai, šis laikas turėtų būti skaičiuojamas minutėmis arba valandomis. Tačiau patirtis rodo, kad fotoelektronai atsiranda iškart po katodo apšvietimo pradžios. Šiame modelyje taip pat buvo neįmanoma suprasti raudonos fotoelektrinio efekto ribos. Šviesos bangų teorija negalėjo paaiškinti fotoelektronų energijos nepriklausomumo nuo šviesos srauto intensyvumo ir didžiausios kinetinės energijos proporcingumo šviesos dažniui.
Taigi elektromagnetinė šviesos teorija negalėjo paaiškinti šių modelių.
Sprendimą rado A. Einšteinas 1905 m. Teorinį pastebėtų fotoelektrinio efekto dėsnių paaiškinimą Einšteinas pateikė remdamasis M. Plancko hipoteze, kad šviesa išspinduliuojama ir sugeriama tam tikromis dalimis, o kiekvienos iš jų energija. dalis nustatoma pagal formulę E = hν, kur h– Planko konstanta. Einšteinas žengė kitą žingsnį kuriant kvantines koncepcijas. Jis padarė išvadą šviesa turi nepertraukiamą (diskrečią) struktūrą. Elektromagnetinė banga susideda iš atskirų dalių – kvantų, vėliau pavadintas fotonai. Sąveikaujant su medžiaga fotonas visiškai perduoda visą savo energiją hν vienas elektronas. Susidūręs su materijos atomais elektronas gali išsklaidyti dalį šios energijos. Be to, dalis elektronų energijos išleidžiama įveikiant potencialų barjerą metalo ir vakuumo sąsajoje. Norėdami tai padaryti, elektronas turi atlikti darbo funkciją A, priklausomai nuo katodo medžiagos savybių. Didžiausia kinetinė energija, kurią gali turėti iš katodo išspinduliuotas fotoelektronas, nustatoma pagal energijos tvermės dėsnį:
|
Ši formulė paprastai vadinama Einšteino fotoelektrinio efekto lygtis .
Naudojant Einšteino lygtį, galima paaiškinti visus išorinio fotoelektrinio efekto dėsnius. Einšteino lygtis reiškia tiesinę didžiausios kinetinės energijos priklausomybę nuo dažnio ir šviesos intensyvumo nepriklausomybės, raudonos ribos egzistavimo ir fotoelektrinio efekto be inercijos. Bendras fotoelektronų, paliekančių katodo paviršių per 1 s, skaičius turi būti proporcingas per tą patį laiką paviršiuje krintančių fotonų skaičiui. Iš to išplaukia, kad soties srovė turi būti tiesiogiai proporcinga šviesos srauto intensyvumui.
Kaip matyti iš Einšteino lygties, tiesės polinkio kampo liestinė, išreiškianti blokavimo potencialo priklausomybę Uз nuo dažnio ν (5.2.3 pav.), lygus Planko konstantos santykiui hį elektronų krūvį e:
Kur c– šviesos greitis, λ cr – bangos ilgis, atitinkantis raudoną fotoelektrinio efekto ribą. Dauguma metalų atlieka darbo funkciją A yra keli elektronvoltai (1 eV = 1.602·10 –19 J). Kvantinėje fizikoje elektronų voltas dažnai naudojamas kaip energijos vienetas. Planko konstantos vertė, išreikšta elektronų voltais per sekundę, yra
Tarp metalų šarminiai elementai turi mažiausią darbo funkciją. Pavyzdžiui, natrio A= 1,9 eV, o tai atitinka raudonąją fotoelektrinio efekto ribą λ cr ≈ 680 nm. Todėl katodams sukurti naudojami šarminių metalų junginiai fotoelementai , skirtas matomai šviesai įrašyti.
Taigi, fotoelektrinio efekto dėsniai rodo, kad šviesa, skleidžiama ir sugerta, elgiasi kaip dalelių srautas, vadinamas fotonai arba šviesos kvantai .
Fotono energija yra
iš to išplaukia, kad fotonas turi impulsą
| |
Taigi šviesos doktrina, užbaigusi du šimtmečius trukusią revoliuciją, vėl grįžo prie šviesos dalelių – korpusų idėjų.
Tačiau tai nebuvo mechaninis grįžimas prie Niutono korpuskulinės teorijos. XX amžiaus pradžioje tapo aišku, kad šviesa turi dvejopą prigimtį. Šviesai sklindant atsiranda jos banginės savybės (interferencija, difrakcija, poliarizacija), o sąveikaujant su medžiaga – korpuskulinės savybės (fotoelektrinis efektas). Ši dviguba šviesos prigimtis vadinama bangos-dalelės dvilypumas . Vėliau buvo atrasta dvejopa elektronų ir kitų elementariųjų dalelių prigimtis. Klasikinė fizika negali pateikti vizualaus mikroobjektų bangų ir korpuskulinių savybių derinio modelio. Mikroobjektų judėjimą valdo ne klasikinės Niutono mechanikos, o kvantinės mechanikos dėsniai. M. Plancko sukurta juodojo kūno spinduliuotės teorija ir Einšteino kvantinė fotoelektrinio efekto teorija yra šio šiuolaikinio mokslo pagrindas.
.
ENERGIJOS IŠSKYRIMAS IR ĮVERTIMAS
ATOMAI IR MOLEKULĖS
KLAUSIMAI KLASEI TEMA:
1. Šiluminė spinduliuotė. Pagrindinės jo charakteristikos: spinduliuotės srautas Ф, energijos šviesumas (intensyvumas) R, energijos šviesumo spektrinis tankis r λ; sugerties koeficientas α, monochromatinis sugerties koeficientas α λ. Visiškai juodas kūnas. Kirchhoffo dėsnis.
2. A.ch.t. šiluminės spinduliuotės spektrai. (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. Bendroji molekulių ir kondensuotų medžiagų (skysčių, kietųjų medžiagų) spektrų samprata. Spektrinės analizės samprata ir panaudojimas 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. „Medicininė ir biologinė fizika“, M., „Aukštoji mokykla“, 1996, sk. 27, 1–3 punktai; 29 skyriaus 1,2 punktai
papildoma: Energijos emisija ir sugertis atomais ir molekulėmis, paskaita, rizografas, red. skyrius, 2002 m
PAGRINDINĖS APIBRĖŽTYS IR FORMULĖS
1. Šiluminė spinduliuotė
Visi kūnai, net ir be jokios išorinės įtakos, skleidžia 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, esant žemesnei temperatūrai, skleidžiami infraraudonieji spinduliai, o esant labai žemai – 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.
Būdingas kūnų gebėjimas sugerti krintančią spinduliuotę absorbcijos koeficientas α , tai yra sugertos ir krintančios spinduliuotės srauto santykis:
.
Monochromatinis sugerties koeficientas 
yra absorbcijos koeficiento vertė, išmatuota siaurame spektriniame diapazone aplink tam tikrą reikšmę λ.
Kirchhoffo dėsnis: esant pastoviai temperatūrai, energetinio šviesumo spektrinio tankio, esant tam tikram bangos ilgiui, ir monochromatinės sugerties koeficiento, esant tam pačiam bangos ilgiui, santykis 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, atitinkantis 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. Energijos emisija atomais ir molekulėmis
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, spektrinių 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 įvairių tipų liuminescencija. Svarbiausi iš jų yra: chemiliuminescencija– švytėjimas, atsirandantis tam tikrų cheminių reakcijų metu; bioliuminescencija– tai chemiliuminescencija gyvuose organizmuose; katodoliuminescencija -švyti veikiant elektronų srautui, kuris naudojamas televizijos lempose, katodinių spindulių lempose, 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 sugeria kvantus su santykinai didele 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 suformuluosime tai, kas išdėstyta bendra forma, gautume įstatymas Stoksas : liuminescencijos spektras pasislenka link ilgesnių bangų, palyginti 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 eksponentinį dėsnį). Tai ilgalaikėsšvytėjimas vadinamas fosforescencija. Ilgo švytėjimo priežastis yra ta, kad tokių medžiagų atomuose ar molekulėse yra metastabilūs lygiai.Metastabilus
Šis energijos lygis vadinamas kuriuose 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 nori naudoti dešimtainius logaritmus, o ne natūraliuosius logaritmus. Tada Bouguer dėsnis įgauna tokią formą: Ф = Ф 0 ∙ 10 – k λ ∙ L ,
kur kλ – dešimtainis absorbcijos greitis.
Pralaidumas
nurodykite kiekį 
Optinis tankis D - tai lygybe apibrėžtas kiekis:
.
Galima sakyti ir kitaip: optinis tankis D yra dydis, esantis Bouguer dėsnio formulės eksponente: D = k λ ∙ L
Daugumos medžiagų tirpalams optinis tankis yra tiesiogiai proporcingas ištirpusios medžiagos koncentracijai:D =
χ
λ
∙
C∙
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, siekiant trumpumo, tiesiog parašysime „mokymo užduotys“)
1 mokymosi tikslas
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:
Spinduliuotės srautas Ф yra spinduliuotės galia arba energija, skleidžiama per laiko vienetą: 
. Iš čia
W = F t = 500 W 3600 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
Dešimtainis saulės šviesos sugerties koeficientas yra 0,09 m–1. Kokia radiacijos dalis pasieks gylį L = 100 m?
Duota Rasti:
L = 100 m 
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.
6 mokymosi tikslas
Remiantis Bouguer-Baer įstatymu, visų pirma galima nustatyti DNR koncentraciją. Matomoje srityje nukleorūgščių tirpalai yra skaidrūs, tačiau jie stipriai sugeria UV spektro dalį; Sugerties maksimumas yra apie 260 nm. Akivaizdu, kad būtent šioje spektro srityje reikia matuoti spinduliuotės sugertį; 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 neigiamo rodiklio, trupmeną „apvertėme“). .
Dabar paimkime logaritmą: 
, Ir 
; mes pakeičiame:
0,07 ir C = 
2.7.10 – 7 mol/cm 3
Atkreipkite dėmesį į didelį metodo jautrumą!
NEPRIKLAUSOMO SPRENDIMO UŽDUOTYS
Spręsdami problemas, pasiimkite konstantų reikšmes:
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
1. Koks yra žmogaus kūno paviršiaus energetinis šviesumas, jei didžiausias spinduliavimas vyksta esant 9,67 mikronų bangos ilgiui? Odą galima laikyti absoliučiai juodu kūnu.
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 turi didesnį spinduliuotės srautą? 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) branduolinio sprogimo ugnies kamuolio paviršius tuo momentu, kai jo temperatūra yra apie 30 000 K? Šių spinduliuotės šaltinių savybių skirtumas nuo a.ch.t. nepriežiūra.
4. Raudonai įkaitęs 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 27 0 C odos temperatūrai, iš kiekvieno kūno paviršiaus kvadratinio centimetro 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 kūnas 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, kurios funkcinės grupės yra šios medžiagos dalis, naudokite lentelės duomenis:
|
Grupė; ryšio tipas |
Sugerti bangos ilgiai, mikronai |
Grupė, ryšio tipas |
Sugėrė bangos ilgiai, µm |
|
-JIS |
2,66 – 2,98 |
-NH4 |
7,0 – 7,4 |
|
-NH |
2,94 – 3,0 |
-SH |
7,76 |
|
CH |
3,3 |
-CF |
8,3 |
|
-N N |
4,67 |
-NH2 |
8,9 |
|
-C=N |
5,94 |
-NE |
12,3 |
|
-N=N |
6,35 |
-SO 2 |
19,2 |
|
-CN 2 |
6,77 |
-C=O |
23,9 |
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, reikalingi akiniai, 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 generuojamo 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
