Določite spektralno gostoto energijske svetilnosti. Energijska svetilnost telesa

Toplotno sevanje teles je elektromagnetno sevanje, ki izhaja iz tistega dela notranjosti telesna energija, ki je povezana s toplotnim gibanjem njegovih delcev.

Glavne značilnosti toplotnega sevanja teles, segretih na temperaturo T so:

1. energija svetilnostR (T ) -količina energije, oddane na enoto časa z enote površine telesa, v celotnem območju valovnih dolžin. Odvisno od temperature, narave in stanja površine sevajočega telesa. V sistemu SI R ( T ) ima dimenzijo [W/m2].

2. Spektralna gostota energijske svetilnostir (  ,T) =dW/ d - količina energije, ki jo oddaja enota površine telesa na enoto časa v intervalu enote valovne dolžine (blizu zadevne valovne dolžine ). Tisti. ta količina je številčno enaka energijskemu razmerju dW, oddano z enote površine na enoto časa v ozkem območju valovnih dolžin od  do  +d , na širino tega intervala. Odvisno je od telesne temperature, valovne dolžine, pa tudi od narave in stanja površine sevajočega telesa. V sistemu SI r( , T) ima dimenzijo [W/m 3 ].

Energijska svetilnost R(T) povezana s spektralno gostoto energijske svetilnosti r( , T) kot sledi:

(1) [W/m2]

3. Vsa telesa ne samo oddajajo, ampak tudi absorbirajo elektromagnetne valove, ki vpadajo na njihovo površino. Za določitev absorpcijske sposobnosti teles glede na elektromagnetne valove določene valovne dolžine je uveden koncept monokromatski absorpcijski koeficient-razmerje med velikostjo energije monokromatskega vala, ki jo absorbira površina telesa, in velikostjo energije vpadnega monokromatskega vala:

Monokromatski absorpcijski koeficient je brezdimenzijska količina, ki je odvisna od temperature in valovne dolžine. Prikazuje, kolikšen del energije vpadnega monokromatskega valovanja absorbira površina telesa. Vrednost  ( , T) lahko sprejme vrednosti od 0 do 1.

Sevanje v adiabatu zaprt sistem(ki ne izmenjuje toplote z zunanjim okoljem) imenujemo ravnovesje. Če v steni votline naredite majhno luknjo, se bo ravnotežno stanje nekoliko spremenilo in sevanje, ki izhaja iz votline, bo ustrezalo ravnotežnemu sevanju.

Če je žarek usmerjen v takšno luknjo, potem po ponavljajočih se odbojih in absorpciji na stenah votline ne bo mogel priti nazaj. To pomeni, da je za takšno luknjo absorpcijski koeficient ( , T) = 1.

Obravnavana zaprta votlina z majhno luknjo služi kot eden od modelov popolnoma črno telo.

Absolutno črno teloimenovano telo, ki absorbira vse sevanje, ki pada nanj, ne glede na smer vpadnega sevanja, njegovo spektralna sestava in polarizacija (nič ne odbija in ne prenaša).

Za popolnoma črno telo je spektralna gostota svetilnosti neka univerzalna funkcija valovne dolžine in temperature f( , T) in ni odvisno od njegove narave.

Vsa telesa v naravi delno odbijajo sevanje, ki pada na njihovo površino, zato jih ne uvrščamo med absolutna črna telesa. Če je monokromatski absorpcijski koeficient telesa enak za vse valovne dolžine in manjenote(( , T) = Т =konst<1),potem se tako telo imenuje siva. Monokromatski absorpcijski koeficient sivega telesa je odvisen le od temperature telesa, njegove narave in stanja njegove površine.

Kirchhoff je pokazal, da je za vsa telesa, ne glede na njihovo naravo, razmerje med spektralno gostoto energijske svetilnosti in monokromatskim absorpcijskim koeficientom enaka univerzalna funkcija valovne dolžine in temperature. f( , T) , enaka spektralni gostoti energijskega sijaja popolnoma črnega telesa :

Enačba (3) predstavlja Kirchhoffov zakon.

Kirchhoffov zakon lahko formuliramo takole: za vsa telesa sistema, ki so v termodinamičnem ravnovesju, razmerje med spektralno gostoto energijske svetilnosti in koeficientom monokromatska absorpcija ni odvisna od narave telesa, je enaka za vsa telesa, odvisno od valovne dolžine in temperatura T.

Iz zgoraj navedenega in formule (3) je razvidno, da pri določeni temperaturi močneje sevajo tista siva telesa, ki imajo velik absorpcijski koeficient, najmočneje pa absolutno črna telesa. Ker za absolutno črno telo(  , T)=1, potem iz formule (3) sledi, da je univerzalna funkcija f( , T) predstavlja spektralno gostoto svetilnosti črnega telesa

Toplotno sevanje imenujemo elektromagnetno valovanje, ki ga oddajajo atomi, ki se vzbujajo zaradi energije njihovega toplotnega gibanja. Če je sevanje v ravnovesju s snovjo, se imenuje ravnotežno toplotno sevanje.

Vsa telesa pri temperaturi T > 0 K oddajajo elektromagnetno valovanje. Redki enoatomski plini dajejo linijski spektri sevanje, poliatomski plini in tekočine - črtasti spektri, tj. področja s skoraj zveznim nizom valovnih dolžin. Trdne snovi oddajajo zvezne spektre, sestavljene iz vseh možnih valovnih dolžin. Človeško oko vidi sevanje v omejenem območju valovnih dolžin od približno 400 do 700 nm. Da človek lahko vidi sevanje telesa, mora biti njegova telesna temperatura najmanj 700 o C.

Za toplotno sevanje so značilne naslednje količine:

W- energija sevanja (v J);

(J/(s.m 2) - energijska svetilnost (D.S.- območje sevanja

površina). Energijska svetilnost R- v pomenu -

je energija, oddana na enoto površine na enoto

čas za vse valovne dolžine l od 0 do .

Poleg teh značilnosti, imenovanih integral, uporabljajo tudi spektralne značilnosti , ki upoštevajo količino oddane energije na enoto intervala valovne dolžine ali enoto intervala

vpojnost (absorpcijski koeficient) je razmerje med absorbiranim svetlobnim tokom in vpadnim tokom, vzeto v majhnem območju valovnih dolžin blizu dane valovne dolžine.

Spektralna gostota energijske svetilnosti je številčno enaka moči sevanja na enoto površine tega telesa v frekvenčnem intervalu širine enote.

Toplotno sevanje in njegova narava. Ultravijolična katastrofa. Krivulja porazdelitve toplotnega sevanja. Planckova hipoteza.

TOPLOTNO SEVANJE (temperaturno sevanje) - el-magn. sevanje, ki ga oddaja snov in nastane zaradi njenega notranjega. energije (za razliko od npr. luminiscence, ki jo vzbujajo zunanji viri energije). T. in. ima zvezen spekter, katerega položaj maksimuma je odvisen od temperature snovi. Ko se povečuje, se povečuje skupna energija ki ga oddaja T. in., maksimum pa se premakne v območje majhnih valovnih dolžin. T. in. oddaja na primer površina vroče kovine, zemeljska atmosfera itd.

T. in. nastane v pogojih podrobnega ravnovesja v snovi (glej Načelo podrobnega ravnovesja) za vse nesevalce. procese, tj. za razgradnjo. vrste trkov delcev v plinih in plazmi, za izmenjavo elektronskih in vibracijskih energij. gibanja v trdnih telesih itd. Ravnotežno stanje snovi v vsaki točki prostora – stanje lokalne termodinam. ravnovesje (LTE) - v tem primeru ga označuje vrednost temperature, od katere je temperatura odvisna. na tej točki.

IN splošni primer sistemi teles, za katere se izvajata samo LTE in razgradnja. rezalne točke imajo različne temperature, T. in. ni v termodinamičnem stanju. ravnovesje s snovjo. Toplejša telesa oddajajo več kot absorbirajo, hladnejša telesa pa ravno nasprotno. Obstaja prenos sevanja z bolj vročih teles na hladnejša. Za vzdrževanje stabilno stanje, pri katerem se ohrani porazdelitev temperature v sistemu, je potrebno izgubo toplotne energije nadomestiti s sevalno bolj vročim telesom in jo odvzeti hladnejšemu telesu.

Pri polni termodinamiki V ravnovesju imajo vsi deli sistema teles enako temperaturo in energija toplotne energije, ki jo oddaja vsako telo, se kompenzira z energijo toplotne energije, ki jo to telo absorbira. druge telefone V tem primeru pride do natančnega ravnotežja tudi pri radiatorjih. prehodi, T. in. je v termodinamiki ravnovesje s snovjo in imenovano sevanje je ravnovesno (sevanje absolutno črnega telesa je ravnotežno). Spekter ravnotežnega sevanja ni odvisen od narave snovi in ​​ga določa Planckov zakon sevanja.

Za T. in. Za nečrna telesa velja Kirchhoffov zakon sevanja, ki jih povezuje v sevanje. in absorbirajo. sposobnosti z oddaj. sposobnost popolnoma črnega telesa.

V prisotnosti LTE je uporaba zakonov sevanja Kirchhoffa in Plancka za emisijo in absorpcijo T. in. v plinih in plazmi je mogoče proučevati procese prenosa sevanja. To razmišljanje se pogosto uporablja v astrofiziki, zlasti v teoriji zvezdnih atmosfer.

Ultravijolična katastrofa - fizični izraz, ki opisuje paradoks klasične fizike, ki polna moč Toplotno sevanje vsakega segretega telesa mora biti neskončno. Paradoks je dobil ime zaradi dejstva, da bi se morala spektralna energijska gostota sevanja povečevati za nedoločen čas, ko bi se valovna dolžina krajšala.

V bistvu se je ta paradoks pokazal, če ne notranja nedoslednost klasične fizike, potem vsekakor izjemno ostro (absurdno) neskladje z elementarna opazovanja in eksperimentirajte.

Ker se to ne strinja z eksperimentalno opazovanje, konec 19. stoletja so se pojavile težave pri opisovanju fotometričnih lastnosti teles.

Težava je bila rešena z uporabo kvantna teorija sevanje Maxa Plancka leta 1900.

Planckova hipoteza je hipoteza, ki jo je 14. decembra 1900 postavil Max Planck in pravi, da se med toplotnim sevanjem energija ne oddaja in absorbira neprekinjeno, temveč v ločenih kvantih (porcijah). Vsak tak kvantni del ima energijo, ki je sorazmerna s frekvenco sevanja ν:

kjer je h or proporcionalni koeficient, kasneje imenovan Planckova konstanta. Na podlagi te hipoteze je predlagal teoretično izpeljavo razmerja med temperaturo telesa in sevanjem, ki ga to telo oddaja – Planckovo formulo.

Planckovo hipotezo so kasneje eksperimentalno potrdili.

1. Značilnosti toplotnega sevanja.

2. Kirchhoffov zakon.

3. Zakoni sevanja črnega telesa.

4. Sevanje sonca.

5. Fizikalne osnove termografija.

6. Fototerapija. Medicinska uporaba ultravijolično.

7. Osnovni pojmi in formule.

8. Naloge.

Od različnih elektromagnetnih sevanj, vidnih ali nevidnih človeškemu očesu, lahko izpostavimo tisto, ki je lastno vsem telesom - to je toplotno sevanje.

Toplotno sevanje- elektromagnetno sevanje, ki ga oddaja snov in nastane zaradi njene notranje energije.

Toplotno sevanje nastane zaradi vzbujanja delcev snovi med trki v procesu toplotnega gibanja ali pospešenega gibanja nabojev (nihanja ionov kristalna mreža, toplotno gibanje prosti elektroni itd.). Pojavlja se pri kateri koli temperaturi in je lastna vsem telesom. Značilnost toplotnega sevanja je zvezni spekter.

Intenzivnost sevanja in spektralna sestava sta odvisni od telesne temperature, zato toplotnega sevanja oko ne zazna vedno kot sij. Na primer, na visoko temperaturo segreta telesa oddajajo precejšen del energije v vidnem območju, pri sobni temperaturi pa se skoraj vsa energija oddaja v infrardečem delu spektra.

26.1. Značilnosti toplotnega sevanja

Energijo, ki jo telo izgubi zaradi toplotnega sevanja, označujejo naslednje količine.

Tok sevanja(F) - energija, oddana na enoto časa s celotne površine telesa.

Pravzaprav je to moč toplotnega sevanja. Dimenzija toka sevanja je [J/s = W].

Energijska svetilnost(Re) je energija toplotnega sevanja, oddanega na enoto časa z enote površine segretega telesa:

Dimenzija te karakteristike je [W/m2].

Tako sevalni tok kot energijska svetilnost sta odvisna od zgradbe snovi in ​​njene temperature: Ф = Ф(Т), Re = Re(T).

Značilna je porazdelitev energijske svetilnosti po spektru toplotnega sevanja spektralna gostota. Označimo energijo toplotnega sevanja, ki ga odda posamezna površina v 1 s v ozkem območju valovnih dolžin od λ do λ + d λ, prek dRe.

Spektralna gostota energijske svetilnosti(r) oz emisivnost se imenuje razmerje med energijsko svetilnostjo v ozkem delu spektra (dRe) in širino tega dela (dλ):

Približna oblika spektralne gostote in energijske svetilnosti (dRe) v območju valovnih dolžin od λ do λ + d λ, prikazano na sl. 26.1.

riž. 26.1. Spektralna gostota energijske svetilnosti

Odvisnost spektralne gostote energijskega sija od valovne dolžine se imenuje spekter sevanja telesa. Poznavanje te odvisnosti omogoča izračun energijske svetilnosti telesa v katerem koli območju valovnih dolžin:

Telesa ne le oddajajo, ampak tudi absorbirajo toplotno sevanje. Sposobnost telesa, da absorbira energijo sevanja, je odvisna od njegove snovi, temperature in valovne dolžine sevanja. Za absorpcijsko sposobnost telesa je značilno monokromatski absorpcijski koeficientα.

Naj curek pada na površino telesa enobarvni sevanje Φ λ z valovno dolžino λ. Del tega toka se odbije, del pa absorbira telo. Označimo velikost absorbiranega toka Φ λ abs.

Monokromatski absorpcijski koeficient α λ je razmerje med tokom sevanja, ki ga absorbira dano telo, in velikostjo vpadnega monokromatskega toka:

Monokromatski absorpcijski koeficient je brezdimenzijska količina. Njegove vrednosti so med nič in ena: 0 ≤ α ≤ 1.

Funkcija α = α(λ,T), ki izraža odvisnost monokromatskega absorpcijskega koeficienta od valovne dolžine in temperature, se imenuje absorpcijska sposobnost telesa. Njegov videz je lahko precej zapleten. Najenostavnejše vrste absorpcije so obravnavane spodaj.

Čisto črno telo- telo, katerega absorpcijski koeficient enako ena za vse valovne dolžine: α = 1. Absorbira vse sevanje, ki vpada nanj.

Po svojih absorpcijskih lastnostih so saje, črni žamet in platinasto črnina blizu absolutno črnega telesa. Zelo dober model črnega telesa je zaprta votlina z majhno luknjo (O). Stene votline so počrnjene (sl. 26.2.

Žarek, ki vstopi v to luknjo, se po ponavljajočih se odbojih od sten skoraj popolnoma absorbira. Podobne naprave

riž. 26.2. Model črnega telesa

uporabljajo se kot svetlobni standardi, uporabljajo se pri meritvah visoke temperature itd.

Spektralno gostoto energijskega sijaja absolutno črnega telesa označimo z ε(λ,Τ). Ta funkcija ima ključno vlogo v teoriji toplotnega sevanja.

Njegovo obliko so najprej ugotovili eksperimentalno, nato pa jo dobili teoretično (Planckova formula). Absolutno belo telo - telo, katerega absorpcijski koeficient enako nič

V naravi ni resnično belih teles, obstajajo pa telesa, ki so jim po lastnostih blizu v precej širokem razponu temperatur in valovnih dolžin. Na primer, ogledalo v optičnem delu spektra odbija skoraj vso vpadno svetlobo.

Sivo telo je telo, pri katerem absorpcijski koeficient ni odvisen od valovne dolžine: α = const< 1.

nekaj prava telesa imajo to lastnost v določenem območju valovnih dolžin in temperatur. Na primer, človeško kožo v infrardečem območju lahko štejemo za "sivo" (α = 0,9).

26.2. Kirchhoffov zakon

Kvantitativno razmerje med sevanjem in absorpcijo je ugotovil G. Kirchhoff (1859).

Kirchhoffov zakon- odnos emisivnost telo njegovemu absorpcijska sposobnost je enaka za vsa telesa in je enaka spektralni gostoti svetilnosti energije absolutno črnega telesa:

Opozorimo na nekatere posledice tega zakona.

1. Če telo pri določeni temperaturi ne absorbira nobenega sevanja, ga tudi ne oddaja. Dejansko, če za

26.3. Zakoni sevanja črnega telesa

Zakoni sevanja črnega telesa so bili ugotovljeni v naslednjem zaporedju.

Leta 1879 je J. Stefan eksperimentalno, leta 1884 pa L. Boltzmann teoretično določil energijska svetilnost popolnoma črno telo.

Stefan-Boltzmannov zakon - Energetski sijaj popolnoma črnega telesa je sorazmeren s četrto potenco njegove absolutne temperature:

Vrednosti absorpcijskih koeficientov za nekatere materiale so podane v tabeli. 26.1.

Tabela 26.1. Absorpcijski koeficienti

Nemški fizik W. Wien (1893) je postavil formulo za valovno dolžino, pri kateri se pojavi maksimum emisivnost popolnoma črno telo. Razmerje, ki ga je dobil, so poimenovali po njem.

Ko se temperatura poveča, največja emisijska sposobnost izmene na levo (slika 26.3).

riž. 26.3. Ilustracija Wienovega zakona o premikanju

V tabeli 26.2 prikazuje barve v vidnem delu spektra, ki ustrezajo sevanju teles pri različnih temperaturah.

Tabela 26.2. Barve segretih teles

Z uporabo Stefan-Boltzmannovega in Wienovega zakona je mogoče določiti temperature teles z merjenjem sevanja teh teles. Na primer, tako se določi temperatura sončne površine (~6000 K), temperatura v epicentru eksplozije (~10 6 K) itd. Splošno ime te metode - pirometrija.

Leta 1900 je M. Planck prejel formulo za izračun emisivnost teoretično absolutno črno telo. Da bi to naredil, je moral opustiti klasične ideje o kontinuiteta proces sevanja elektromagnetni valovi. Po Plancku je sevalni tok sestavljen iz ločenih delov - kvanti, katere energije so sorazmerne s frekvencami svetlobe:

Iz formule (26.11) lahko teoretično dobimo Stefan-Boltzmannov in Wienov zakon.

26.4. Sevanje sonca

Znotraj sončni sistem Sonce je najmočnejši vir toplotnega sevanja, ki določa življenje na Zemlji. Sončno obsevanje ima zdravilne lastnosti (helioterapija) in se uporablja kot sredstvo za utrjevanje. Lahko tudi zagotovi negativen vpliv na telesu (opekline, vročina

Spektri sončno sevanje na meji zemeljsko ozračje in blizu Zemljinega površja so različni (slika 26.4).

riž. 26.4. Spekter sončnega sevanja: 1 - na meji atmosfere, 2 - na površini Zemlje

Na meji atmosfere je spekter Sonca blizu spektra popolnoma črnega telesa. Največja emisivnost se pojavi pri λ 1maks= 470 nm (modra barva).

Na površju Zemlje ima spekter sončnega sevanja bolj zapleteno obliko, ki je povezana z absorpcijo v atmosferi. Predvsem ne vsebuje visokofrekvenčnega dela ultravijoličnega sevanja, ki je škodljiv za žive organizme. Ti žarki se skoraj popolnoma absorbirajo ozonski plašč. Največja emisijska sposobnost se pojavi pri λ 2maks= 555 nm (zeleno-rumena), kar ustreza najboljši občutljivosti očesa.

Tok toplotnega sevanja s Sonca na meji Zemljine atmosfere določa sončna konstanta jaz

Doseganje pretoka zemeljsko površje, bistveno manj zaradi absorpcije v atmosferi. Kvečjemu ugodni pogoji(sonce je v zenitu) ne presega 1120 W/m2. Trenutno v Moskvi poletni solsticij(junij) - 930 W/m2.

Tako moč sončnega sevanja na zemeljskem površju kot njegova spektralna sestava sta najbolj odvisna od višine Sonca nad obzorjem. Na sl. 26.5 prikazuje zglajene krivulje porazdelitve energije sončna svetloba: I - zunaj ozračja; II - ko je Sonce v zenitu; III - na višini 30 ° nad obzorjem; IV - v pogojih blizu sončnega vzhoda in zahoda (10 ° nad obzorjem).

riž. 26.5. Porazdelitev energije v sončnem spektru pri različne višine nad obzorjem

Različne komponente sončnega spektra prehajajo skozi zemeljsko atmosfero različno. Slika 26.6 prikazuje prosojnost atmosfere na veliki nadmorski višini Sonca.

26.5. Fizikalne osnove termografije

Toplotno sevanje človeka predstavlja pomemben delež njegovih toplotnih izgub. Sevalne izgube osebe so enake razliki oddajajo pretok in absorbira tok sevanja okolju. Moč sevalne izgube se izračuna po formuli

kjer je S površina; δ - zmanjšan absorpcijski koeficient kože (oblačila), obravnavan kot sivo telo; T 1 - temperatura telesne površine (oblačila); T 0 - temperatura okolice.

Razmislite o naslednjem primeru.

Izračunajmo izgubno moč sevanja gol moški pri temperaturi okolice 18°C ​​(291 K). Vzemimo: telesna površina S = 1,5 m2; temperatura kože T 1 = 306 K (33 °C). Podan koeficient absorpcije kože lahko najdete v tabeli. 26.1 (δ = 5,1*10 -8 W/m 2 K 4). Če nadomestimo te vrednosti v formulo (26.11), dobimo

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

riž. 26.6. Transparentnost zemeljske atmosfere (v odstotkih) za različne dele spektra pri visoka nadmorska višina postaja Sonca.

Človeško toplotno sevanje se lahko uporablja kot diagnostični parameter.

Termografija - diagnostična metoda, ki temelji na merjenju in snemanju toplotnega sevanja s površine človeškega telesa ali njegovih posameznih delov.

Porazdelitev temperature na majhnem območju telesne površine je mogoče določiti s posebnimi filmi iz tekočih kristalov. Takšne folije so občutljive na majhne spremembe temperature (sprememba barve). Zato se na filmu pojavi barvni toplotni "portret" področja telesa, na katerega se nanese.

Naprednejša metoda je uporaba termovizij, ki pretvarjajo infrardeče sevanje v vidna svetloba. Sevanje telesa se projicira na matriko termovizijske slike s pomočjo posebne leče. Po pretvorbi se na zaslonu oblikuje podroben toplotni portret. Območja različnih temperatur se razlikujejo po barvi ali intenzivnosti. Sodobne metode omogočajo beleženje razlik v temperaturah do 0,2 stopinje.

Toplotni portreti se uporabljajo v funkcionalni diagnostiki. Različne patologije notranji organi lahko tvori cone spremenjene temperature na površini kože. Odkrivanje takih območij kaže na prisotnost patologije. Termografska metoda olajša diferencialno diagnozo med benignimi in maligni tumorji. Ta metoda je objektiven način spremljanja učinkovitosti terapevtskega zdravljenja. Tako je med termografskim pregledom bolnikov s psoriazo ugotovljeno, da se v prisotnosti izrazite infiltracije in hiperemije v plakih opazi zvišanje temperature. V večini primerov kaže znižanje temperature na raven okolice regresija proces na koži.

Povišana temperatura je pogosto pokazatelj okužbe. Če želite določiti človekovo temperaturo, samo poglejte skozi infrardečo napravo na njegov obraz in vrat. Za zdravi ljudje razmerje med temperaturo čela in temperaturo v karotidni arteriji se giblje od 0,98 do 1,03. To razmerje se lahko uporablja za hitro diagnostiko med epidemijami za izvajanje karantenskih ukrepov.

26.6. Fototerapija. Terapevtska uporaba ultravijolične svetlobe

Infrardeče sevanje, vidna svetloba in ultravijolično sevanje se pogosto uporabljajo v medicini. Spomnimo se njihovih razponov valovnih dolžin:

Fototerapija imenujemo uporaba infrardečega in vidnega sevanja v medicinske namene.

Ko prodrejo v tkiva, infrardeči žarki (tako kot vidni) na mestu absorpcije povzročijo sproščanje toplote. Globina prodiranja infrardečih in vidnih žarkov v kožo je prikazana na sl. 26.7.

riž. 26.7. Globina prodiranja sevanja v kožo

V medicinski praksi se kot viri infrardečega sevanja uporabljajo posebni obsevalniki (slika 26.8).

Mininova svetilka To je žarnica z žarilno nitko z reflektorjem, ki lokalizira sevanje v želeni smeri. Vir sevanja je žarnica z žarilno nitko 20-60 W iz brezbarvnega ali modrega stekla.

Svetlobno termalna kopel je polcilindričen okvir, sestavljen iz dveh polovic, gibljivo povezanih med seboj. Vklopljeno notranja površina Okvir, ki je obrnjen proti pacientu, je ojačan z žarnicami z žarilno nitko 40 W. V takih kopelih biološki objekt Delujejo infrardeče in vidno sevanje ter segret zrak, katerega temperatura lahko doseže 70°C.

Sollux svetilka Gre za močno žarnico z žarilno nitko, nameščeno v posebnem reflektorju na stojalu. Vir sevanja je žarnica z žarilno nitko z močjo 500 W (temperatura volframove žarilne nitke 2.800°C, največje sevanje nastane pri valovni dolžini 2 μm).

riž. 26.8. Obsevalci: Mininova svetilka (a), svetlobno-toplotna kopel (b), Solluxova svetilka (c)

Terapevtska uporaba ultravijolične svetlobe

Ultravijolično sevanje, ki se uporablja v medicinske namene, je razdeljeno na tri območja:

Ko se ultravijolično sevanje absorbira v tkivih (koži), pride do različnih fotokemičnih in fotobioloških reakcij.

Uporabljeni viri sevanja so visokotlačne svetilke(ločna, živosrebrna, cevasta), luminiscentna svetilke, plinske nizkotlačne sijalke, Ena od vrst tega so baktericidne svetilke.

A-sevanje ima učinek eritema in porjavitve. Uporablja se pri zdravljenju številnih dermatoloških bolezni. Nekatere kemične spojine serije furokumarin (na primer psoralen) lahko senzibilizirajo kožo teh bolnikov na dolgovalovno ultravijolično sevanje in spodbujajo tvorbo pigmenta melanina v melanocitih. Kombinirana uporaba teh zdravil z A-sevanjem je osnova metode zdravljenja, imenovane fotokemoterapija oz PUVA terapija(PUVA: P - psoralen; UVA - ultravijolično sevanje cone A). Del ali celotno telo je izpostavljeno sevanju.

B-sevanje ima protirahitični učinek, ki tvori vatimin.

C-sevanje ima baktericidni učinek. Pri obsevanju se uniči struktura mikroorganizmov in gliv. C-sevanje ustvarjajo posebne baktericidne svetilke (slika 26.9).

Nekatere tehnike zdravljenja uporabljajo C-sevanje za obsevanje krvi.

Ultravijolični post. Ultravijolično sevanje je potrebno za normalen razvoj in delovanje telesa. Njegovo pomanjkanje vodi do številnih resnih bolezni. Prebivalci ekstremnih razmer se soočajo z ultravijoličnim stradanjem

riž. 26.9. Baktericidni obsevalec (a), obsevalec za nazofarinks (b)

Sever, delavci rudarske industrije, metro, prebivalci velikih mest. V mestih je pomanjkanje ultravijoličnega sevanja povezano z onesnaženostjo atmosferskega zraka s prahom, dimom in plini, ki zadržujejo UV del sončnega spektra. Sobna okna ne prepuščajo UV žarkov z valovno dolžino λ< 310 нм. Значительно снижают УФ-поток загрязненные стекла и занавеси (тюлевые занавески снижают УФ-излучение на 20 %). Поэтому на многих производствах и в быту наблюдается так называемая «биологическая полутьма». В первую очередь страдают дети (возрастает вероятность заболевания рахитом).

Škodljivost ultravijolično obsevanje

Izpostavljenost presežkom odmerki ultravijoličnega sevanja na telo kot celoto in na njegove posamezne organe povzročijo nastanek številnih patologij. Najprej to velja za posledice nenadzorovanega sončenja: opekline, starostne pege, poškodbe oči - razvoj fotooftalmije. Učinek ultravijoličnega sevanja na oko je podoben eritemu, saj je povezan z razgradnjo beljakovin v celicah roženice in očesne sluznice. Žive človeške kožne celice so zaščitene pred uničujočimi učinki UV-žarkov.

mi" celice stratum corneuma kože. Oči so prikrajšane za to zaščito, zato se ob znatnem odmerku sevanja oči po latentnem obdobju razvije vnetje roženice (keratitis) in sluznice (konjunktivitis). Ta učinek povzročajo žarki z valovno dolžino manj kot 310 nm. Pred takšnimi žarki je potrebno oko zaščititi. Posebno pozornost je treba nameniti blastomogenemu učinku UV sevanja, ki vodi v nastanek kožnega raka.

26.7. Osnovni pojmi in formule

Nadaljevanje tabele

Konec mize

26.8. Naloge

2. Ugotovite, kolikokrat se energijske svetilnosti delov površine človeškega telesa, ki imajo temperaturo 34 oziroma 33°C, razlikujejo?

3. Pri diagnosticiranju tumorja dojke s termografijo bolniku damo piti raztopino glukoze. Po določenem času se zabeleži toplotno sevanje telesne površine. Celice tumorskega tkiva intenzivno absorbirajo glukozo, zaradi česar se njihova proizvodnja toplote poveča. Za koliko stopinj se spremeni temperatura kože nad tumorjem, če se sevanje s površine poveča za 1 % (1,01-krat)? Začetna temperatura predela telesa je 37°C.

6. Za koliko se je zvišala telesna temperatura človeka, če se je tok sevanja s površine telesa povečal za 4 %? Začetna telesna temperatura je 35°C.

7. V sobi sta dva enaka čajnika, ki vsebujeta enake mase voda pri 90°C. Ena od njih je ponikljana, druga pa temna. Kateri kotliček se bo hitreje ohladil? Zakaj?

rešitev

Po Kirchhoffovem zakonu je razmerje emisijske in absorpcijske sposobnosti za vsa telesa enako. Ponikljan čajnik odbija skoraj vso svetlobo. Zato je njegova absorpcijska sposobnost majhna. Emisivnost je temu primerno nizka.

odgovor: Temen kotliček se bo hitreje ohladil.

8. Za uničenje hroščev škodljivcev je žito izpostavljeno infrardečemu sevanju. Zakaj žuželke umrejo, žito pa ne?

odgovor: hrošči imajo črna barve, zato se intenzivno vpijajo infrardeče sevanje in umreti.

9. Pri segrevanju kosa jekla bomo opazili svetlo češnjevo rdečo toploto pri temperaturi 800 °C, vendar prozorna paličica taljenega kremena pri isti temperaturi sploh ne sveti. Zakaj?

rešitev

Glej problem 7. prozorno telo absorbira majhen del svetlobe. Zato je njegova emisijska sposobnost nizka.

odgovor: prozorno telo praktično ne seva, tudi če je zelo segreto.

10. Zakaj v hladno vreme Koliko živali spi zvitih v klobčič?

odgovor: hkrati se zmanjša odprta površina telesa in s tem zmanjšajo sevalne izgube.

Energijska svetilnost telesa - - fizikalna količina, ki je funkcija temperature in numerično enako energiji, ki jih oddaja telo na enoto časa z enote površine v vseh smereh in po celotnem frekvenčnem spektru. J/s m²=W/m²

Spektralna gostota energijske svetilnosti- funkcija frekvence in temperature, ki označuje porazdelitev energije sevanja po celotnem spektru frekvenc (ali valovnih dolžin). , Podobno funkcijo lahko zapišemo z valovno dolžino

Lahko se dokaže, da sta spektralna gostota energijske svetilnosti, izražena s frekvenco in valovno dolžino, povezana z razmerjem:

Vsekakor črno telo - fizična idealizacija, ki se uporablja v termodinamiki, telo, ki absorbira vse elektromagnetno sevanje, ki pada nanj v vseh razponih in ne odbija ničesar. Kljub imenu lahko popolnoma črno telo oddaja elektromagnetno sevanje katere koli frekvence in ima vizualno barvo. Spekter sevanja absolutno črnega telesa določa samo njegova temperatura.

Pomen absolutno črnega telesa pri vprašanju spektra toplotnega sevanja vseh (sivih in barvnih) teles nasploh je poleg tega, da predstavlja najenostavnejši netrivialni primer, tudi v tem, da je vprašanje spektra ravnotežnega toplotnega sevanja teles katere koli barve in odbojnega koeficienta se zmanjša na metode klasična termodinamika na vprašanje sevanja absolutno črnega (in zgodovinsko je bilo to že storjeno za konec 19. stoletja stoletja, ko je problem sevanja črnega telesa prišel v ospredje).

Absolutno črna telesa v naravi ne obstajajo, zato se v fiziki za poskuse uporablja model. Je zaprta votlina z majhno luknjo. Svetloba, ki vstopa skozi to luknjo, bo po ponavljajočih se odbojih popolnoma absorbirana in luknja bo od zunaj videti popolnoma črna. Ko pa se ta votlina segreje, bo imela svoje vidno sevanje. Ker bo sevanje, ki ga oddajajo notranje stene votline, preden pride ven (navsezadnje je luknja zelo majhna), v veliki večini primerov izpostavljeno ogromno nove absorpcije in emisije, potem lahko z gotovostjo trdimo, da je sevanje znotraj votline v termodinamičnem ravnovesju s stenami. (Pravzaprav luknja za ta model sploh ni pomembna, treba je le poudariti temeljno opaznost sevanja, ki se nahaja v notranjosti; luknjo lahko na primer popolnoma zapremo in hitro odpremo šele, ko je že doseženo ravnotežje vzpostavljen in meritev se izvaja).

2. Kirchhoffov zakon sevanja - fizikalni zakon, ki ga je ustanovil nemški fizik Kirchhoff leta 1859. IN sodobna formulacija zakon je naslednji: Razmerje med emisivnostjo katerega koli telesa in njegovo absorpcijsko sposobnostjo je enako za vsa telesa pri določeni temperaturi za določeno frekvenco in ni odvisno od njihove oblike, kemična sestava in tako dalje.

Znano je, da pri padcu elektromagnetno sevanje na nekaterih delih telesa se odbije, del se absorbira, del pa se lahko prenaša. Delež sevanja, absorbiranega pri določeni frekvenci, se imenuje absorpcijska sposobnost telo. Po drugi strani pa vsako segreto telo oddaja energijo po nekem zakonu, imenovanem emisivnost telesa.

Količine in se lahko pri prehodu od enega telesa do drugega zelo spreminjajo, vendar po Kirchhoffovem zakonu sevanja razmerje med emisijsko in absorpcijsko sposobnostjo ni odvisno od narave telesa in je univerzalna funkcija frekvenca (valovna dolžina) in temperatura:

Absolutno črno telo po definiciji absorbira vse sevanje, ki pada nanj, torej zanj. Zato funkcija sovpada z emisivnostjo absolutno črnega telesa, ki jo opisuje Stefan-Boltzmannov zakon, zaradi česar je emisivnost katerega koli telesa mogoče najti samo na podlagi njegove absorpcijske sposobnosti.

Stefan-Boltzmannov zakon- zakon sevanja črnega telesa. Določa odvisnost sevalne moči absolutno črnega telesa od njegove temperature. Izjava zakona: Moč sevanja absolutno črnega telesa je premo sorazmerna s površino in četrto potenco telesne temperature: p = Sεσ T 4, kjer je ε stopnja emisivnosti (za vse snovi ε< 1, для абсолютно черного тела ε = 1).

Z uporabo Planckovega zakona za sevanje lahko konstanto σ definiramo kot, kjer je Planckova konstanta, k - Boltzmannova konstanta, c- hitrost svetlobe.

Številčna vrednost J s −1 m −2 K −4 .

Nemški fizik W. Wien (1864-1928), ki se opira na zakone termo- in elektrodinamike, je ugotovil odvisnost valovne dolžine l max, ki ustreza maksimumu funkcije r l, T, na temperaturo T. Glede na Wienov zakon o premikanju,l max =b/T

tj. valovna dolžina l max, ki ustreza največja vrednost spektralna gostota energijske svetilnosti r l, Tčrno telo je obratno sorazmerno z njegovim termodinamična temperatura, b- stalna Krivda: njo eksperimentalna vrednost je enak 2,9 10 -3 m K. Izraz (199,2) se zato imenuje zakon poboti Napaka je, da kaže premik v položaju maksimuma funkcije r l, T ko se temperatura dvigne v območje kratkih valovnih dolžin. Wienov zakon pojasnjuje, zakaj z nižanjem temperature segretih teles v njihovem spektru vse bolj prevladuje dolgovalovno sevanje (npr. bela vročina postane rdeča, ko se kovina ohladi).

Kljub dejstvu, da igrata Stefan-Boltzmannov in Wienov zakon, v teoriji toplotnega sevanja pomembno vlogo, so partikularni zakoni, saj ne dajejo splošne slike porazdelitve energije po frekvencah pri različnih temperaturah.

3. Naj stene te votline popolnoma odbijajo svetlobo, ki pada nanje. V votlino postavimo telo, ki bo oddajalo svetlobno energijo. V notranjosti votline se bo pojavilo elektromagnetno polje, ki bo na koncu napolnjeno s sevanjem v stanju toplotno ravnotežje s telesom. Ravnotežje bo nastopilo tudi v primeru, ko bo na nek način popolnoma izključena izmenjava toplote proučevanega telesa z okolico (ta miselni poskus bomo na primer izvedli v vakuumu, ko ni nobenih pojavov toplotne prevodnosti). in konvekcijo). Šele s procesoma emisije in absorpcije svetlobe bo nujno prišlo do ravnovesja: sevalno telo bo imelo temperaturo enaka temperaturi elektromagnetno sevanje izotropno zapolnjuje prostor znotraj votline, vsak izbrani del telesne površine pa bo oddajal toliko energije na enoto časa, kot jo absorbira. V tem primeru mora nastopiti ravnovesje ne glede na lastnosti telesa, ki je nameščeno v zaprti votlini, ki pa vplivajo na čas vzpostavitve ravnotežja. Energijsko gostoto elektromagnetnega polja v votlini, kot bo prikazano spodaj, v stanju ravnovesja določa samo temperatura.

Za karakterizacijo ravnotežnega toplotnega sevanja je pomembno ne le nasipna gostota energije, temveč tudi porazdelitev te energije po spektru. Zato bomo ravnotežno sevanje, ki izotropno polni prostor znotraj votline, karakterizirali s funkcijo u ω - spektralni gostota sevanja, tj. povprečna energija enota prostornine elektromagnetnega polja, porazdeljena v frekvenčnem intervalu od ω do ω + δω in povezana z vrednostjo tega intervala. Očitno pomen uω bi moral biti precej odvisen od temperature, zato ga označimo u(ω, T). Skupna gostota energije U(T) je povezan z u(ω, T) formula.

Strogo gledano je koncept temperature uporaben samo za ravnotežno toplotno sevanje. V ravnotežnih pogojih mora temperatura ostati konstantna. Vendar pa se koncept temperature pogosto uporablja tudi za označevanje žarilnih teles, ki niso v ravnovesju s sevanjem. Poleg tega je s počasno spremembo parametrov sistema v katerem koli časovnem obdobju mogoče označiti njegovo temperaturo, ki se bo počasi spreminjala. Tako na primer, če ni dotoka toplote in je sevanje posledica zmanjšanja energije svetlečega telesa, se bo zmanjšala tudi njegova temperatura.

Ugotovimo povezavo med emisivnostjo popolnoma črnega telesa in spektralno gostoto ravnotežnega sevanja. Da bi to naredili, izračunamo tok energije, ki vpade na posamezno območje znotraj zaprte votline, napolnjene z elektromagnetno energijo srednje gostote U ω . Naj sevanje pade na enoto površine v smeri, ki jo določata kota θ in ϕ (slika 6a) znotraj prostorskega kota dΩ:

Ker je ravnotežno sevanje izotropno, je delež, ki se širi v danem prostorskem kotu, enak celotni energiji, ki polni votlino. Tok elektromagnetne energije, ki prehaja skozi enoto površine na enoto časa

Zamenjava dΩ izraz in integracijo nad ϕ v mejah (0, 2π) in nad θ v mejah (0, π/2), dobimo poln pretok energijski incident na enoti površine:

Očitno je treba v ravnotežnih pogojih enačiti izraz (13) emisivnosti absolutno črnega telesa rω, ki označuje energijski tok, ki ga oddaja platforma v enotnem frekvenčnem intervalu blizu ω:

Tako je prikazano, da emisivnost popolnoma črnega telesa do faktorja c/4 sovpada s spektralno gostoto ravnotežnega sevanja. Enakost (14) mora biti izpolnjena za vsako spektralno komponento sevanja, zato sledi f(ω, T)= u(ω, T) (15)

Na koncu poudarimo, da sevanje absolutno črnega telesa (na primer svetloba, ki jo oddaja majhna luknja v votlini) ne bo več v ravnovesju. Predvsem to sevanje ni izotropno, saj se ne širi v vse smeri. Toda porazdelitev energije po spektru za takšno sevanje bo sovpadala s spektralno gostoto ravnotežnega sevanja, ki izotropno zapolnjuje prostor znotraj votline. To nam omogoča uporabo relacije (14), ki velja pri katerikoli temperaturi. Noben drug svetlobni vir nima podobne porazdelitve energije po spektru. Na primer, električna razelektritev v plinih ali sij pod vplivom kemične reakcije ima spektre, ki se bistveno razlikujejo od sijaja popolnoma črnega telesa. Porazdelitev energije po spektru žarilnih teles se prav tako močno razlikuje od sijaja absolutno črnega telesa, ki je bil višji pri primerjavi spektrov običajnega svetlobnega vira (žarnice z volframovo nitko) in absolutno črnega telesa.

4. Temelji na zakonu enakomerne porazdelitve energije po prostostnih stopnjah: za vsako elektromagnetno nihanje povprečna energija je vsota dveh delov kT. Eno polovico prispeva električna komponenta valovanja, drugo pa magnetna komponenta. Samo po sebi lahko ravnotežno sevanje v votlini predstavimo kot sistem stoječi valovi. Število stojnih valov v tridimenzionalni prostor je podan z izrazom:

V našem primeru hitrost v morajo biti enake c poleg tega se lahko dva elektromagnetna valovanja z enako frekvenco, vendar z medsebojno pravokotnimi polarizacijami, gibljeta v isto smer, potem je treba (1) dodatno pomnožiti z dva:

Torej, Rayleigh in Jeans, energija je bila dodeljena vsaki vibraciji. Z množenjem (2) z , dobimo gostoto energije, ki pade na frekvenčni interval dω:

Poznavanje razmerja med emisivnostjo popolnoma črnega telesa f(ω, T) z ravnotežno gostoto energije toplotnega sevanja, za f(ω, T) ugotovimo: Izraza (3) in (4) imenujemo Rayleigh-Jeans formula.

Formuli (3) in (4) se zadovoljivo ujemata z eksperimentalnimi podatki le za dolge valovne dolžine, pri več kratki valovi ah, strinjanje z eksperimentom je močno v nasprotju. Še več, integracija (3) preko ω v območju od 0 do za ravnovesno gostoto energije u(T) daje neskončno velika vrednost. Ta rezultat, imenovan ultravijolična katastrofa, očitno nasprotuje eksperimentu: ravnovesje med sevanjem in sevalno telo je treba namestiti, ko končne vrednosti u(T).

Ultravijolična katastrofa- fizikalni izraz, ki opisuje paradoks klasične fizike, ki sestoji iz dejstva, da mora biti skupna moč toplotnega sevanja katerega koli segretega telesa neskončna. Paradoks je dobil ime zaradi dejstva, da bi se morala spektralna gostota moči sevanja povečati za nedoločen čas, ko se je valovna dolžina krajšala. V bistvu je ta paradoks pokazal, če ne notranjo nedoslednost klasične fizike, pa vsaj izjemno ostro (absurdno) neskladje z elementarnimi opazovanji in eksperimentom.

5. Planckova hipoteza- hipoteza, ki jo je 14. decembra 1900 postavil Max Planck in pravi, da se med toplotnim sevanjem energija ne oddaja in absorbira neprekinjeno, temveč v ločenih kvantih (porcijah). Vsak tak kvantni del ima energijo , sorazmerno s frekvenco ν sevanje:

kje h ali - sorazmernostni koeficient, kasneje imenovan Planckova konstanta. Na podlagi te hipoteze je predlagal teoretično izpeljavo razmerja med temperaturo telesa in sevanjem, ki ga to telo oddaja – Planckovo formulo.

Planckova formula- izraz za spektralno gostoto moči sevanja črnega telesa, ki ga je dobil Max Planck. Za gostoto energije sevanja u(ω, T):

Planckovo formulo so pridobili potem, ko je postalo jasno, da Rayleigh-Jeansova formula zadovoljivo opisuje sevanje le v regiji dolgi valovi. Za izpeljavo formule je Planck leta 1900 predpostavil, da se elektromagnetno sevanje oddaja v obliki posameznih delov energije (kvantov), ​​katerih velikost je povezana s frekvenco sevanja z izrazom:

Proporcionalni koeficient je bil kasneje imenovan Planckova konstanta, = 1,054 · 10 −27 erg s.

Za razlago lastnosti toplotnega sevanja je bilo potrebno uvesti koncept emisije elektromagnetnega sevanja v porcijah (kvantih). Kvantno naravo sevanja potrjuje tudi obstoj kratkovalovne meje v spektru zavornega rentgenskega sevanja.

Rentgensko sevanje nastane, ko so trdne tarče bombardirane s hitrimi elektroni. Tu je anoda izdelana iz W, Mo, Cu, Pt - težkih ognjevzdržnih kovin ali kovin z visoko toplotno prevodnostjo. Le 1–3 % energije elektronov se porabi za sevanje, ostalo se sprosti na anodi v obliki toplote, zato anode hladimo z vodo. Ko so v anodni snovi, elektroni doživljajo močno zaviranje in postanejo vir elektromagnetnih valov (rentgenskih žarkov).

Začetna hitrost elektron, ki zadene anodo, se določi s formulo:

kje U– pospeševalna napetost.

> Opazno emisijo opazimo le pri močnem upočasnjevanju hitrih elektronov, začenši z U~ 50 kV, medtem ko ( z– svetlobna hitrost). V indukcijskih pospeševalnikih elektronov - betatronih, elektroni pridobijo energijo do 50 MeV, = 0,99995 z. Z usmerjanjem takih elektronov na trdno tarčo dobimo rentgensko sevanje s kratko valovno dolžino. To sevanje ima veliko prodorno moč. Glede na klasična elektrodinamika Ko se elektron upočasni, bi se moralo pojaviti sevanje vseh valovnih dolžin od nič do neskončnosti. Valovna dolžina, pri kateri se pojavi največja moč sevanja, bi se morala zmanjšati, ko se hitrost elektronov poveča. Vendar obstaja temeljna razlika od klasična teorija: ničelne porazdelitve moči ne gredo do izvora, ampak se prekinejo pri končnih vrednostih - to je kratkovalovni konec rentgenskega spektra.

Eksperimentalno je bilo ugotovljeno, da

Obstoj kratkovalovne meje izhaja neposredno iz kvantna narava sevanje. Dejansko, če pride do sevanja zaradi energije, ki jo elektron izgubi med zaviranjem, potem energija kvanta ne more preseči energije elektrona eU, tj. , od tukaj oz.

V tem poskusu lahko določimo Planckovo konstanto h. Od vseh metod za določanje Planckove konstante je najbolj natančna metoda, ki temelji na merjenju kratkovalovne meje zavornega spektra rentgenskega sevanja.

7. Foto učinek- to je emisija elektronov iz snovi pod vplivom svetlobe (in, na splošno, katerega koli elektromagnetnega sevanja). V kondenziranih snoveh (trdnih in tekočih) obstaja zunanji in notranji fotoelektrični učinek.

Zakoni fotoelektričnega učinka:

Formulacija 1. zakon fotoelektričnega učinka: število elektronov, ki jih svetloba oddaja s površine kovine na časovno enoto pri določeni frekvenci, je neposredno sorazmerno s svetlobnim tokom, ki osvetljuje kovino.

Glede na 2. zakon fotoelektričnega učinka, največja kinetična energija elektronov, ki jih izbije svetloba, narašča linearno s frekvenco svetlobe in ni odvisna od njene jakosti.

3. zakon fotoelektričnega učinka: za vsako snov obstaja rdeča meja fotoelektričnega učinka, to je najmanjša frekvenca svetlobe ν 0 (oz. največja dolžina val λ 0), pri katerem je fotoelektrični učinek še možen, in če je ν 0, potem fotoelektrični učinek ne nastopi več.

Teoretična razlaga Te zakone je leta 1905 podal Einstein. Po njem je elektromagnetno sevanje tok posameznih kvantov (fotonov) z energijo hν, kjer je h Planckova konstanta. Pri fotoelektričnem učinku se del vpadnega elektromagnetnega sevanja odbije od kovinske površine, del pa prodre v površinsko plast kovine in se tam absorbira. Ko absorbira foton, elektron od njega prejme energijo in z opravljanjem delovne funkcije zapusti kovino: hν = Izpad + Mi e, Kje Mi e- največja kinetična energija, ki jo ima lahko elektron, ko zapusti kovino.

Iz zakona o ohranitvi energije pri predstavitvi svetlobe v obliki delcev (fotonov) sledi Einsteinova formula za fotoelektrični učinek: hν = Izpad + Ek

kje Izpad- tako imenovani delovna funkcija (minimalna energija, ki je potrebna za odstranitev elektrona iz snovi), Ek je kinetična energija izpuščenega elektrona (odvisno od hitrosti se lahko izračuna kinetična energija relativističnega delca ali ne), ν je frekvenca vpadnega fotona z energijo hν, h- Planckova konstanta.

Delovna funkcija- razlika med najmanjšo energijo (običajno merjeno v elektronvoltih), ki jo je treba posredovati elektronu za njegovo "neposredno" odstranitev iz volumna trdnega telesa, in Fermijevo energijo.

“Rdeča” obroba foto učinka- najmanjša frekvenca ali največja valovna dolžina λ max svetloba, pri kateri je še možen zunanji fotoelektrični učinek, to je začetna kinetična energija fotoelektronov večji od nič. Frekvenca je odvisna le od izhodne funkcije Izpad elektron: , kje Izpad- delovna funkcija za določeno fotokatodo, h je Planckova konstanta in z- hitrost svetlobe. Delovna funkcija Izpad odvisno od materiala fotokatode in stanja njene površine. Emisija fotoelektronov se začne takoj, ko na fotokatodo vpade svetloba frekvence ali valovne dolžine λ.

§ 4 Energijska svetilnost. Stefan-Boltzmannov zakon.

Wienov zakon o premikanju

RE(integrated energy luminosity) - energijska luminoznost določa količino energije, ki jo oddaja enota površine na enoto časa v celotnem frekvenčnem območju od 0 do ∞ pri določeni temperaturi T.

Povezava energijska svetilnost in emisivnost

[ R E ] = J/(m 2 s) = W/m 2

Zakon J. Stefana (avstrijski znanstvenik) in L. Boltzmann (nemški znanstvenik)

kje

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

Energetski sijaj črnega telesa je sorazmeren s četrto potenco termodinamične temperature.

Stefan-Boltzmannov zakon, ki definira odvisnostREo temperaturi ne daje odgovora glede spektralne sestave sevanja črnega telesa. Iz eksperimentalnih krivulj odvisnostirλ ,T od λ pri različnih T iz tega sledi, da je porazdelitev energije v spektru absolutno črnega telesa neenakomerna. Vse krivulje imajo maksimum, ki z naraščanjem T premakne proti krajšim valovnim dolžinam. Območje, omejeno s krivuljo odvisnostirλ ,T iz λ, je enako RE(to izhaja iz geometrijski pomen integral) in proporcionalni T 4 .

Wienov zakon o premikanju (1864 - 1928): dolžina, valovi (λ max), kar predstavlja največjo emisivnost a.ch.t. pri dani temperaturi, obratno sorazmerna s temperaturo T.

b= 2,9·10 -3 m·K - Wienova konstanta.

Wienov premik nastane, ker se z zvišanjem temperature največja emisijska sposobnost premakne proti krajšim valovnim dolžinam.

§ 5 Rayleigh-Jeansova formula, Wienova formula in ultravijolična katastrofa

Stefan-Boltzmannov zakon nam omogoča določitev energijske svetilnostiREa.č.t. glede na njegovo temperaturo. Wienov zakon o premikanju povezuje telesno temperaturo z valovno dolžino, pri kateri se pojavi največja emisijska sposobnost. Toda niti en niti drugi zakon ne rešuje glavnega problema, kako velika je sposobnost oddajanja sevanja za vsak λ v spektru a.ch.t. pri temperaturi T. Če želite to narediti, morate vzpostaviti funkcionalno odvisnostrλ ,T iz λ in T.

Na podlagi ideje o neprekinjeni naravi oddajanja elektromagnetnih valov v zakonu enakomerna porazdelitev energije po prostostnih stopnjah smo dobili dve formuli za emisivnost AC:

• Vinska formula

kje A, b = konst.

• Rayleigh-Jeans formula

k =1,38·10 -23 J/K - Boltzmannova konstanta.

Eksperimentalno testiranje je pokazalo, da je Wienova formula za dano temperaturo pravilna za kratke valove in daje ostra odstopanja od eksperimenta v območju dolgih valov. Formula Rayleigh-Jeans se je izkazala za resnično za dolge valove in neuporabna za kratke.

Študija toplotnega sevanja z uporabo Rayleigh-Jeansove formule je pokazala, da je v okviru klasične fizike nemogoče rešiti vprašanje funkcije, ki označuje emisivnost AC. to neuspešen poskus razlage zakonitosti sevanja a.ch.t. Z uporabo aparature klasične fizike so jo poimenovali "ultravijolična katastrofa".

Če poskušate izračunatiREpotem z uporabo formule Rayleigh-Jeans

• “ ultravijolična katastrofa”

§6 Kvantna hipoteza in Planckovo formulo.

Leta 1900 je M. Planck (nemški znanstvenik) postavil hipotezo, po kateri se emisija in absorpcija energije ne dogajata neprekinjeno, ampak v določenih majhnih delih - kvantih, energija kvanta pa je sorazmerna s frekvenco nihanj. (Planckova formula):

h = 6,625·10 -34 J·s - Planckova konstanta oz

kje

Ker se sevanje pojavlja v delih, energija oscilatorja (nihajočega atoma, elektrona) E zavzame samo vrednosti, ki so večkratniki celega števila elementarnih delov energije, to je le diskretne vrednosti

E = n E o = nhν .

FOTOELEKTRIČNI UČINEK

Prvič vpliv svetlobe na progo električni procesi leta 1887 preučeval Hertz. Izvedel je poskuse z električnim razelektrilcem in odkril, da pri obsevanju z ultravijoličnim sevanjem pride do razelektritve pri bistveno nižji napetosti.

V letih 1889-1895. A.G. Stoletov je proučeval vpliv svetlobe na kovine po naslednji shemi. Dve elektrodi: katoda K iz proučevane kovine in anoda A (v shemi Stoletova - kovinska mreža, ki prepušča svetlobo) v vakuumski cevi sta povezani z baterijo tako, da s pomočjo upora R lahko spremenite vrednost in predznak napetosti, ki se uporablja zanje. Ko je bila cinkova katoda obsevana, je v vezju stekel tok, ki ga je zabeležil miliampermeter. Z obsevanjem katode s svetlobo različnih valovnih dolžin je Stoletov postavil naslednje osnovne principe:

• Ultravijolično sevanje ima najmočnejši učinek;
• Pod vplivom svetlobe uidejo s katode negativni naboji;
• Moč toka, ki ga ustvarja svetloba, je neposredno sorazmerna z njeno jakostjo.

Lenard in Thomson sta leta 1898 izmerila specifični naboj ( e/ m), se delci iztrgajo in izkazalo se je, da je enak specifičnemu naboju elektrona, zato se elektroni izvržejo s katode.

§ 2 Zunanji fotoelektrični učinek. Trije zakoni zunanjega fotoelektričnega učinka

Zunanji fotoelektrični učinek je oddajanje elektronov snovi pod vplivom svetlobe. Elektrone, ki jih snov oddaja med zunanjim fotoelektričnim učinkom, imenujemo fotoelektroni, tok, ki ga ustvarjajo, pa fototok.

Pri neki napetostiUnfototok doseže nasičenostjaz n - vsi elektroni, ki jih odda katoda, dosežejo anodo, od tod tok nasičenjajaz n določeno s številom elektronov, ki jih pod vplivom svetlobe odda katoda na časovno enoto. Število sproščenih fotoelektronov je sorazmerno s številom svetlobnih kvantov, ki vpadejo na površino katode. In število svetlobnih kvantov je določeno s svetlobnim tokom F, incident na katodi. Število fotonovn, ki sčasoma padajot na površino se določi s formulo:

kje W- energija sevanja, ki jo površina prejme v času Δt,

fotonska energija,

F e -svetlobni tok (moč sevanja).

1. zakon zunanjega fotoelektričnega učinka (Stoletov zakon):

Pri fiksni frekvenci vpadne svetlobe je fototok nasičenja sorazmeren z vpadnim svetlobnim tokom:

jaznas~ Ф, ν =konst

Uh - držalna napetost- napetost, pri kateri niti en elektron ne doseže anode. Posledično lahko zakon o ohranitvi energije v tem primeru zapišemo: energija izpuščenih elektronov je enaka zaustavni energiji električnega polja

zato je mogoče najti največja hitrost oddanih fotoelektronovVmaks

2. zakon fotoelektričnega učinka : največja začetna hitrostVmaksfotoelektronov ni odvisna od jakosti vpadne svetlobe (iz F), in je določen samo z njegovo frekvenco ν

3. zakon fotoelektričnega učinka : za vsako snov obstaja foto učinek "rdeča obroba"., to je najmanjša frekvenca ν kp, odvisno od kemična narava snov in stanje njene površine, pri kateri je zunanji fotoelektrični učinek še možen.

Drugega in tretjega zakona fotoelektričnega učinka ni mogoče razložiti z valovno naravo svetlobe (ali klasično elektromagnetna teorija Sveta). Po tej teoriji je izmet prevodnih elektronov iz kovine posledica njihovega "nihanja" elektromagnetno polje svetlobni val. Z naraščajočo jakostjo svetlobe ( F) energija, ki jo prenese elektron kovine, se mora povečati, torej se mora povečatiVmaks, kar je v nasprotju z 2. zakonom fotoelektričnega učinka.

Ker je po valovni teoriji energija, ki jo prenaša elektromagnetno polje, sorazmerna z jakostjo svetlobe ( F), potem katera koli svetloba; frekvenco, vendar bi moral z dovolj visoko intenziteto potegniti elektrone iz kovine, to pomeni, da rdeče meje fotoelektričnega učinka ne bi bilo, kar je v nasprotju s 3. zakonom fotoelektričnega učinka. Zunanji fotoefekt je brez vztrajnosti. A valovna teorija ne more razložiti svoje vztrajnosti.

§ 3 Einsteinova enačba za zunanji fotoelektrični učinek.

Delovna funkcija

Leta 1905 je A. Einstein razložil fotoelektrični učinek na podlagi kvantnih konceptov. Po Einsteinu svetlobo ne oddajajo le kvanti v skladu s Planckovo hipotezo, ampak se širi v prostoru in jo snov absorbira v ločenih delih – kvantih z energijo. E 0 = hv. Imenujejo se kvanti elektromagnetnega sevanja fotoni.

Einsteinova enačba (zakon o ohranitvi energije za zunanji fotoefekt):

Energija vpadnega fotona hv se porabi za izbijanje elektrona iz kovine, torej za delo In ven, in za sporočanje kinetične energije oddanemu fotoelektronu.

Najmanjša energija, ki jo je treba pripisati elektronu, da ga odstranimo iz trdna v vakuum se imenuje delovna funkcija.

Od energije Ferm do E Fodvisno od temperature in E F, spreminja tudi s temperaturnimi spremembami, potem, posledično, In ven odvisno od temperature.

Poleg tega je delovna funkcija zelo občutljiva na čistočo površine. Nanos filma na površino ( pribl, SG, Va) vklopljeno WIn venzmanjša s 4,5 eV za čistoW do 1,5 ÷ 2 eV za nečistočeW.

Einsteinova enačba nam omogoča razlago v c e trije zakoni zunanjega fotoefekta,

1. zakon: vsak kvant absorbira samo en elektron. Zato mora biti število izbitih fotoelektronov sorazmerno z intenziteto ( F) Sveta

2. zakon: Vmaks~ ν itd. In ven ni odvisno od F, potemVmaks ni odvisno od F

3. zakon: Ko se ν zmanjšuje, se zmanjšujeVmaks in za ν = ν 0 Vmaks = 0, torejhν 0 = In ven, torej tj. Obstaja minimalna frekvenca, od katere je možen zunanji fotoelektrični učinek.