Rrezatimi i trupit të zi. Trup absolutisht i zi - një problem i fizikës Njutoniane

Polarizimi i dritës është procesi i renditjes së lëkundjeve të vektorit të intensitetit fushë elektrike valë drite kur drita kalon nëpër substanca të caktuara (përthyerje) ose reflektim fluksi ndriçues. Ka disa mënyra për të prodhuar dritë të polarizuar.

1) Polarizimi duke përdorur Polaroids. Polaroidet janë filma celuloid me shtresa më e hollë kristalet e sulfatit të kininës. Përdorimi i polaroideve është aktualisht metoda më e zakonshme e polarizimit të dritës.

2) Polarizimi me reflektim. Nëse një rreze natyrale drite bie në një sipërfaqe të lëmuar të zezë, rrezja e reflektuar është pjesërisht e polarizuar. Pasqyra ose xhami i zakonshëm i dritares i lëmuar mjaft mirë, i nxirë nga njëra anë me llak asfalti, mund të përdoret si polarizues dhe analizues.

Sa më saktë të ruhet këndi i incidencës, aq më e madhe është shkalla e polarizimit. Për xhamin, këndi i rënies është 57°.

3) Polarizimi përmes përthyerjes. Një rreze drite polarizohet jo vetëm gjatë reflektimit, por edhe gjatë thyerjes. Në këtë rast, një pirg prej 10-15 pllaka të holla qelqi të palosur së bashku, të vendosura në një kënd prej 57° ndaj rrezeve të dritës që bien mbi to, përdoret si polarizues dhe analizues.

Me shumicë Dhe akt ik Dhe tërësinë, aftësia e një mediumi për të shkaktuar rrotullim të planit të polarizimit të rrezatimit optik (dritës) që kalon nëpër të.

këndi j i rrotullimit të rrafshit të polarizimit varet në mënyrë lineare nga trashësia l shtresë substancë aktive(ose tretësira e tij) dhe përqendrimi Me e kësaj substance - j = [a] lc(koeficienti [a] quhet specifik O. a.); 2) rrotullimi në një mjedis të caktuar ndodh ose në drejtim të akrepave të orës (j > 0) ose në të kundërt (j< 0), если смотреть навстречу ходу лучей света

43. Russ e nderimi i St. e ta, ndryshimi i karakteristikave të rrjedhës së rrezatimit optik (dritës) gjatë bashkëveprimit të tij me lëndën. Këto karakteristika mund të jenë shpërndarja hapësinore e intensitetit, spektri i frekuencës, polarizimi i dritës. Shpesh R. s. quhet vetëm një ndryshim në drejtimin e përhapjes së dritës i shkaktuar nga heterogjeniteti hapësinor i mediumit, i perceptuar si një shkëlqim i papërshtatshëm i mediumit.

SHPËRNDARJE INDEKS, reciproke e distancës në të cilën fluksi i rrezatimit që formon një rreze paralele drite dobësohet si rezultat duke u shpërndarë në mjedis 10 herë ose e herë.

Rel e Unë jam Zach O n, shprehet se intensiteti I drita e shpërndarë nga mediumi është në përpjesëtim të zhdrejtë me fuqinë e katërt të gjatësisë valore l të dritës rënëse ( I~ l -4) në rastin kur mjedisi përbëhet nga grimca dielektrike, dimensionet e të cilave janë shumë më të vogla se l . I rass ~ 1/ 4

44. Përthithëse e tion i St. e ta, ulje e intensitetit të rrezatimit optik (dritës) që kalon mjedisi material, për shkak të proceseve të ndërveprimit të tij me mjedisin. Energjia e dritës në P. s. shkon në forma të ndryshme energjia e brendshme mjedisi ose përbërja e rrezatimit optik; ai mund të riemetohet plotësisht ose pjesërisht nga mediumi në frekuenca të ndryshme nga frekuenca e rrezatimit të absorbuar.

Ligji i Bouguerit Kuptimi fizik është se procesi i humbjes së fotoneve të rrezes në mjedis nuk varet nga dendësia e tyre në rrezen e dritës, d.m.th. në intensitetin e dritës dhe gjysmëgjatësinë I.

I=I 0 exp(λ l ); l - gjatësia valore, λ - shkalla e përthithjes, Unë 0– intensiteti i rrezes thithëse.

Bug e ra - L A Mberta - B e rak O n, përcakton zbutjen gradual të një rreze drite paralele monokromatike (njëngjyrëshe) ndërsa ajo përhapet në një substancë thithëse. Nëse fuqia e traut që hyn në një shtresë të lëndës së trashë l, e barabartë me I o, atëherë, sipas B.-L.-B. h., fuqia e rrezes në dalje nga shtresa

I(l)=I o e- c kl,

ku c është treguesi specifik i përthithjes së dritës, i llogaritur për njësi përqendrimi Me substancë përcaktuese e përthithjes;

Shkalla e përthithjes (k l), reciproke e distancës në të cilën monokromatike fluksi i rrezatimit frekuenca n, duke formuar një rreze paralele, dobësohet për shkak të përthithjes së lëndës në e herë ose 10 herë. Matur në cm -1 ose m -1. Në spektroskopi dhe disa degë të tjera të optikës së aplikuar, termi "PP". përdoret tradicionalisht për të treguar koeficientin e përthithjes.

Shkalla e përthithjes molare

Transmetimi është raporti i fluksit të rrezatimit që kalon përmes një mjedisi ndaj fluksit që ka rënë në sipërfaqen e tij. t = F/F 0

Dendësia optike– masa e tejdukshmërisë së një shtrese lënde për rrezet e dritës D = log(-F 0 /F)

Transparenca e mjedisit- raporti i madhësisë së fluksit të rrezatimit që kaloi pa ndryshuar drejtimin përmes një shtrese të mesme me trashësi njësi me madhësinë e fluksit të rënies (d.m.th., pa marrë parasysh efektet e shpërndarjes dhe ndikimin e efekteve në ndërfaqet) .

45. Rrezatimi termik- rrezatimi elektromagnetik me spektër të vazhdueshëm, i emetuar nga trupat e nxehtë për shkak të energjisë së tyre termike.

Absolutisht trup i zi - një idealizim fizik i përdorur në termodinamikë, një trup që thith të gjithë rrezatimin elektromagnetik që bie mbi të në të gjitha vargjet dhe nuk reflekton asgjë. Pavarësisht nga emri, një trup plotësisht i zi mund të lëshojë vetë rrezatim elektromagnetik të çdo frekuence dhe vizualisht të ketë ngjyrë. Spektri i rrezatimit të një trupi absolutisht të zi përcaktohet vetëm nga temperatura e tij.

Trup gri- ky është një trup koeficienti i absorbimit të të cilit nuk varet nga frekuenca, por varet vetëm nga temperatura

Për trupin gri

TRUPI GRI- trupi, koeficienti i përthithjes e cila është më e vogël se 1 dhe nuk varet nga gjatësia e valës së rrezatimit dhe abs. temperaturat T. Koefi. përthithja (i quajtur edhe koeficienti i errësirës S.t.) i të gjithave trupat e vërtetë varet nga (përthithja selektive) dhe T, prandaj ato mund të konsiderohen gri vetëm në intervalet dhe T, ku koeficienti përafërsisht. të përhershme. Në rajonin e dukshëm të spektrit, vetitë e rrezatimit diellor kanë qymyri( = 0,80 në 400-900 K), blozë ( = 0,94-0,96 në 370-470 K); platin dhe bismut zezakët thithin dhe lëshojnë si S. t në gamën më të gjerë - nga dritë e dukshme deri në 25-30 µm (= 0,93-0,99).

Ligjet themelore të rrezatimit:

Ligji Stefan-Boltzmann- ligji i rrezatimit të trupit të zi. Përcakton varësinë e fuqisë së rrezatimit të një trupi absolutisht të zi nga temperatura e tij. Deklarata e ligjit:

ku është shkalla e errësirës (për të gjitha substancat, për një trup absolutisht të zi). Duke përdorur ligjin e Plankut për rrezatimin, konstanta σ mund të përkufizohet si

ku është konstanta e Planck, k - konstante Boltzmann, c- shpejtësia e dritës.

Vlera numerike J s −1 m −2 K −4 .

Ligji i rrezatimit i Kirchhoff - ligji fizik, themeluar nga fizikani gjerman Kirchhoff në 1859.

NË formulim modern ligji thotë si më poshtë:

Raporti i emetimit të çdo trupi ndaj kapacitetit të tij absorbues është i njëjtë për të gjithë trupat në një temperaturë të caktuar për një frekuencë të caktuar dhe nuk varet nga forma dhe natyra e tyre kimike.

Dihet se kur bie rrezatimi elektromagnetik në një pjesë të trupit reflektohet, një pjesë absorbohet dhe një pjesë mund të transmetohet. Pjesa e rrezatimit të absorbuar në një frekuencë të caktuar quhet kapaciteti absorbues trupi. Nga ana tjetër, çdo trup i nxehtë lëshon energji sipas një ligji të quajtur emetimi i trupit.

Sasitë dhe mund të ndryshojnë shumë kur lëvizin nga një trup në tjetrin, megjithatë, sipas ligjit të rrezatimit të Kirchhoff, raporti i emetimit dhe aftësive të përthithjes nuk varet nga natyra e trupit dhe është funksion universal frekuenca (gjatësia valore) dhe temperatura:

Gjatësia e valës në të cilën energjia e rrezatimit të një trupi plotësisht të zi është maksimale përcaktohet nga Ligji i zhvendosjes së Wien-it:

Ku Tështë temperatura në Kelvin, dhe λ max është gjatësia e valës me intensitet maksimal në metra.

Karakteristikat rrezatimi termik

Trupat e ngrohur në temperatura deri në 424e43ie shkëlqim. Shkëlqimi i trupave i shkaktuar nga ngrohja quhet rrezatimi termik (temperaturë).. Rrezatimi termik, duke qenë më i zakonshmi në natyrë, ndodh për shkak të energjisë së lëvizjes termike të atomeve dhe molekulave të një lënde (d.m.th. për shkak të energjisë së brendshme të saj) dhe është karakteristik për të gjithë trupat në temperatura mbi 0 K. Rrezatimi termik karakterizohet nga spektri i vazhdueshëm, pozicioni i maksimumit të të cilit varet nga temperatura. Në temperaturat e larta valët elektromagnetike të shkurtra (të dukshme dhe ultravjollcë) lëshohen në ato të ulëta, emetohen kryesisht valë të gjata (infra të kuqe).

Rrezatimi termik është praktikisht i vetmi lloj rrezatimi që mund të jetë ekuilibri. Le të supozojmë se një trup i nxehtë (rrezatues) vendoset në një zgavër të kufizuar nga një guaskë reflektuese ideale. Me kalimin e kohës, si rezultat i shkëmbimit të vazhdueshëm të energjisë midis trupit dhe rrezatimit, do të ndodhë ekuilibri, d.m.th., trupi do të thithë aq energji për njësi të kohës sa lëshon. Le të supozojmë se ekuilibri midis trupit dhe rrezatimit është i shqetësuar për ndonjë arsye dhe trupi lëshon më shumë energji sesa thith. Nëse për njësi të kohës një trup lëshon më shumë sesa thith (ose anasjelltas), atëherë temperatura e trupit do të fillojë të ulet (ose të rritet). Si rezultat, sasia e energjisë e emetuar nga trupi do të dobësohet (ose plaket) derisa, më në fund, të vendoset ekuilibri. Të gjitha llojet e tjera të rrezatimit nuk janë në ekuilibër.

Karakteristikat sasiore rrezatimi termik shërben dendësia spektrale e ndriçimit të energjisë (emisivitetit) të një trupi≈ Fuqia e rrezatimit për njësi sipërfaqe të një trupi në një gamë frekuence të gjerësisë së njësisë:

ku d ≈ energjia e rrezatimit elektromagnetik e emetuar për njësi të kohës (fuqia e rrezatimit) për njësi sipërfaqe të trupit në intervalin e frekuencës nga n te n+d n.

Njësia e densitetit spektral të shkëlqimit energjetik ( Rn, T) ≈xhaul për metër në katror(J/m2).

Formula e shkruar mund të përfaqësohet si funksion i gjatësisë së valës:

Sepse c=ln, Se

ku shenja minus tregon që nga mosha 424e43ie ;mungesa e njërës prej sasive ( n ose l) një sasi tjetër zvogëlohet. Prandaj, në atë që vijon ne do të heqim shenjën minus. Kështu,

Duke përdorur formulën (197.1) mund të shkoni nga R n,T ═ te R l, T dhe anasjelltas.

Duke ditur dendësia spektrale ndriçimi energjik, mund të llogaritet ndriçimi integral i energjisë (emisiviteti integral)(ajo quhet thjesht ndriçim energjik trup), duke përmbledhur mbi të gjitha frekuencat:

Aftësia e trupave për të thithur rrezatimin e rënë në to karakterizohet nga kapaciteti spektral absorbues

duke treguar se çfarë fraksioni të energjisë solli për njësi të kohës për njësi sipërfaqe të një trupi nga objektet që përplasen valët elektromagnetike frekuenca nga n te n+d n, përthithet nga trupi. Kapaciteti absorbues spektral është një sasi pa dimension. Sasitë Rn, T═dhe A n, T varen nga natyra e trupit, e tij temperatura termodinamike dhe në të njëjtën kohë ndryshojnë për rrezatim me frekuenca të ndryshme. Prandaj, këto vlera quhen të sigurta T Dhe n(ose më mirë, në mjaftueshëm 424e43ie; saktësisht një gamë e ngushtë frekuence nga n te n+d n).

Një trup i aftë për të thithur plotësisht në çdo temperaturë të gjithë rrezatimin e çdo frekuence që ka rënë në të quhet i zi. Rrjedhimisht, kapaciteti spektral i absorbimit të një trupi të zi për të gjitha frekuencat dhe temperaturat është identikisht i barabartë me unitetin ( ). Në natyrë nuk ka trupa absolutisht të zinj, por trupa të tillë si bloza, platini i zi, kadifeja e zezë dhe disa të tjerë, në një gamë të caktuar frekuencash, janë afër tyre në vetitë e tyre.

Modeli ideal trupi i zi është një zgavër e mbyllur me një vrimë të vogël RRETH, sipërfaqe e brendshme e cila është nxirë (Fig. 286). Një rreze drite që hyn në një zgavër të tillë përjeton reflektime të shumta nga muret, si rezultat i të cilave intensiteti i rrezatimit të emetuar është pothuajse e barabartë me zero. Përvoja tregon se kur madhësia e vrimës është më e vogël se 0.1 e diametrit të zgavrës, rrezatimi i incidentit i të gjitha frekuencave absorbohet plotësisht. Si rezultat, dritaret e hapura të shtëpive nga ana e rrugës duken të zeza, megjithëse brenda dhomave është pothuajse e lehtë për shkak të reflektimit të dritës nga muret.

Së bashku me konceptin e një trupi të zi, përdoret koncepti trup gri≈ një trup kapaciteti absorbues i të cilit është më i vogël se uniteti, por është i njëjtë për të gjitha frekuencat dhe varet vetëm nga temperatura, materiali dhe gjendja e sipërfaqes së trupit. Kështu, për një trup gri = Një T= konst

Studimi i rrezatimit termik luajti një rol të rëndësishëm në krijimin e teorisë kuantike të dritës, prandaj është e nevojshme të merren parasysh ligjet që ajo i bindet.

Shkëlqimi energjetik i trupitR T, është numerikisht i barabartë me energjinë W, emetuar nga trupi në të gjithë gamën e gjatësisë valore (0<<) për njësi sipërfaqe trupore, për njësi kohë, në temperaturën e trupit T, d.m.th.

(1)

Emisioni i trupitr ,T numerikisht e barabartë me energjinë e trupit dW, emetuar nga një trup nga një njësi e sipërfaqes së trupit, për njësi të kohës në temperaturën e trupit T, në diapazonin e gjatësisë së valës nga  në  +d, ato.

(2)

Kjo sasi quhet edhe dendësia spektrale e shkëlqimit të energjisë së trupit.

Shkëlqimi energjetik lidhet me emetim sipas formulës

(3)

Absorbueshmëria trupi  ,T- një numër që tregon se cila pjesë e energjisë së rrezatimit që bie në sipërfaqen e një trupi absorbohet prej tij në intervalin e gjatësisë së valës nga  në  +d, ato.

. (4)

Një trup për të cilin  ,T =1 mbi të gjithë diapazonin e gjatësisë valore quhet trup i zi absolut (BLB).

Një trup për të cilin  ,T =konst<1 mbi të gjithë diapazonin e gjatësisë valore quhet gri.

46. Instrumentet fizike speciale të quajtura aktinometra mund të matin sasinë e energjisë diellore të marrë në sipërfaqen e tokës për njësi sipërfaqe për njësi të kohës. Përpara rrezet e diellit Kur arrijnë në sipërfaqen e Tokës dhe hyjnë në aktinometri, ato duhet të kalojnë nëpër të gjithë trashësinë e atmosferës sonë, si rezultat i së cilës një pjesë e energjisë do të absorbohet nga atmosfera. Madhësia e këtij absorbimi ndryshon shumë në varësi të gjendjes së atmosferës, kështu që sasia e energjisë diellore të marrë në sipërfaqen e tokës në kohë të ndryshme është shumë e ndryshme.

Konstanta diellore është sasia e energjisë së marrë nga një centimetër katror i sipërfaqes së ekspozuar në kufirin e atmosferës së tokës pingul me rrezet e Diellit, në një minutë në kalori të vogla. Nga një seri e madhe vëzhgimesh aktinometrike nga shumë observatorë gjeofizikë, është marrë vlera e mëposhtme për konstantën diellore:

A = 1,94 cal/cm2 min.

Çdo sekondë, 1400 J energji e transferuar nga rrezatimi elektromagnetik diellor merret për 1 metër katror të sipërfaqes së zonës përballë Diellit në afërsi të Tokës. Kjo vlerë quhet konstante diellore. Me fjalë të tjera, dendësia e fluksit të energjisë së rrezatimit diellor është 1.4 kW/m2.

SPEKTRIMI DIELLOR - shpërndarja e energjisë së rrezatimit elektromagnetik nga Dielli në diapazonin e gjatësisë valore nga disa fraksione të nm (rrezatimit gama) deri në valët metër radio. Në rajonin e dukshëm, spektri diellor është afër spektrit të një trupi plotësisht të zi në një temperaturë prej rreth 5800 K; ka një maksimum energjie në rajonin 430-500 nm. Spektri diellor është një spektër i vazhdueshëm në të cilin mbivendosen më shumë se 20 mijë linja thithëse (linjat Fraunhofer) të elementeve të ndryshëm kimikë.

Aktin O metër- një pajisje për matjen e intensitetit të rrezatimit të drejtpërdrejtë diellor. Parimi i funksionimit të aluminit bazohet në thithjen e rrezatimit të rënë nga një sipërfaqe e nxirë dhe shndërrimin e energjisë së tij në nxehtësi. A. është një pajisje relative, sepse Intensiteti i rrezatimit gjykohet nga fenomene të ndryshme që shoqërojnë ngrohjen, në ndryshim nga pirheliometrat - instrumente absolute. Për shembull, parimi i funksionimit të aktinometrit Michelson bazohet në ngrohjen e një pllake bimetalike të nxirë me blozë nga rrezet e diellit. 1 , i shtypur nga hekuri dhe invari Kur nxehet, hekuri zgjatet dhe invar nuk përjeton pothuajse asnjë zgjerim termik, kështu që pllaka përkulet. Sasia e përkuljes shërben si masë e intensitetit të rrezatimit diellor. Lëvizja e një filamenti kuarci vërehet duke përdorur një mikroskop. , ndodhet në fund të pllakës.

AGJENCIA FEDERALE PËR ARSIM

institucioni arsimor shtetëror i arsimit të lartë profesional

"UNIVERSITETI SHTETËROR I NAJTËS DHE GAZIT TYUMEN"

Abstrakt mbi disiplinën

"Optika teknike"

Tema: "Trup absolutisht i zi"

Plotësuar nga: studenti gr. OBDzs-07

Kobasnyan Stepan Sergeevich Kontrolluar nga: mësues i disiplinës

Sidorova Anastasia Eduardovna

Tyumen 2009

Trup absolutisht i zi- një abstraksion fizik i përdorur në termodinamikë, një trup që thith të gjithë rrezatimin elektromagnetik që bie mbi të në të gjitha vargjet dhe nuk reflekton asgjë. Pavarësisht nga emri, një trup plotësisht i zi mund të lëshojë vetë rrezatim elektromagnetik të çdo frekuence dhe vizualisht të ketë ngjyrë. Spektri i rrezatimit të një trupi absolutisht të zi përcaktohet vetëm nga temperatura e tij.

Substancat reale më të zeza, për shembull, bloza, thithin deri në 99% të rrezatimit rënës (d.m.th., kanë një albedo prej 0,01) në intervalin e gjatësisë së valës së dukshme, por ato thithin rrezatimin infra të kuqe shumë më pak mirë. Ndër trupat e Sistemit Diellor, Dielli ka vetitë e një trupi absolutisht të zi në masën më të madhe. Termi u prezantua nga Gustav Kirchhoff në 1862.

Model trupi i zi

Trupat absolutisht të zinj nuk ekzistojnë në natyrë, kështu që në fizikë përdoret një model për eksperimente. Është një zgavër e mbyllur me një vrimë të vogël. Drita që hyn përmes kësaj vrime do të absorbohet plotësisht pas reflektimeve të përsëritura dhe vrima do të duket plotësisht e zezë nga jashtë. Por kur kjo zgavër nxehet, ajo do të zhvillojë rrezatimin e vet të dukshëm.

Ligjet e rrezatimit të trupit të zi

Qasje klasike

Studimi i ligjeve të rrezatimit të trupit të zi ishte një nga parakushtet për shfaqjen e mekanikës kuantike.

Ligji i parë i Vjenës i rrezatimit

Në 1893, Wilhelm Wien, bazuar në konceptet e termodinamikës klasike, nxori formulën e mëposhtme:

Formula e parë e Wien-it është e vlefshme për të gjitha frekuencat. Çdo formulë më specifike (për shembull, ligji i Planck-ut) duhet të plotësojë formulën e parë të Wien-it.

Nga formula e parë e Wien-it mund të nxirret ligji i zhvendosjes së Wien-it (ligji maksimal) dhe ligji Stefan-Boltzmann, por nuk mund të gjenden vlerat e konstantave të përfshira në këto ligje.

Historikisht, ishte ligji i parë i Wien-it që u quajt ligji i zhvendosjes, por aktualisht termi "ligji i zhvendosjes së Wien-it" i referohet ligjit maksimal.

Ligji i dytë i Vjenës i rrezatimit

Në 1896, Wien nxori ligjin e dytë bazuar në supozime shtesë:

Përvoja tregon se formula e dytë e Wien-it është e vlefshme vetëm në kufirin e frekuencave të larta (gjatësi valore të shkurtra). Është një rast i veçantë i ligjit të parë të Wien-it.

Më vonë, Max Planck tregoi se ligji i dytë i Wien-it rrjedh nga ligji i Plankut për energjitë e larta kuantike, dhe gjithashtu gjeti konstantet C 1 dhe C 2. Duke marrë parasysh këtë, ligji i dytë i Wien-it mund të shkruhet si:

Ligji Rayleigh-Jeans

Një përpjekje për të përshkruar rrezatimin e një trupi plotësisht të zi bazuar në parimet klasike të termodinamikës dhe elektrodinamikës çon në ligjin Rayleigh-Jeans:

Kjo formulë supozon një rritje kuadratike të densitetit spektral të rrezatimit në varësi të frekuencës së tij. Në praktikë, një ligj i tillë do të nënkuptonte pamundësinë e ekuilibrit termodinamik midis materies dhe rrezatimit, pasi sipas tij e gjithë energjia termike do të duhej të shndërrohej në energji rrezatimi në rajonin me valë të shkurtër të spektrit. Ky fenomen hipotetik u quajt një katastrofë ultravjollcë.

Megjithatë, ligji i rrezatimit Rayleigh-Jeans është i vlefshëm për rajonin me valë të gjata të spektrit dhe përshkruan në mënyrë adekuate natyrën e rrezatimit. Fakti i korrespondencës së tillë mund të shpjegohet vetëm duke përdorur një qasje mekanike kuantike, sipas së cilës rrezatimi ndodh në mënyrë diskrete. Bazuar në ligjet kuantike, ne mund të marrim formulën e Planck, e cila do të përkojë me formulën Rayleigh-Jeans për

Ky fakt është një ilustrim i shkëlqyer i parimit të korrespondencës, sipas të cilit një teori e re fizike duhet të shpjegojë gjithçka që e vjetra ishte në gjendje të shpjegonte.

Ligji i Plankut

Varësia e fuqisë së rrezatimit të trupit të zi nga gjatësia e valës

Intensiteti i rrezatimit të një trupi absolutisht të zi, në varësi të temperaturës dhe frekuencës, përcaktohet nga Ligji i Plankut :

Ku I (ν) dν - fuqia e rrezatimit për njësi sipërfaqe të sipërfaqes rrezatuese në intervalin e frekuencës nga ν në ν + d ν.

Në mënyrë të barabartë,

Ku u (λ) dλ - fuqia e rrezatimit për njësi sipërfaqe të sipërfaqes emetuese në diapazonin e gjatësisë së valës nga λ në λ + d λ.

Ligji Stefan-Boltzmann

Përcaktohet energjia totale e rrezatimit termik Ligji Stefan-Boltzmann :

Ku jështë fuqia për njësi të sipërfaqes së sipërfaqes rrezatuese, dhe

W/(m²·K 4) - Konstante Stefan-Boltzmann .

Kështu, një trup absolutisht i zi në T= 100 K lëshon 5,67 vat për metër katror të sipërfaqes së tij. Në një temperaturë prej 1000 K, fuqia e rrezatimit rritet në 56.7 kilovat për metër katror.

Ligji i zhvendosjes së Wien-it

Gjatësia e valës në të cilën energjia e rrezatimit të një trupi plotësisht të zi është maksimale përcaktohet nga Ligji i zhvendosjes së Wien-it :

Ku Tështë temperatura në Kelvin, dhe λ max është gjatësia e valës me intensitet maksimal në metra.

Pra, nëse supozojmë si përafërsi të parë se lëkura e njeriut është afër në veti me një trup absolutisht të zi, atëherë maksimumi i spektrit të rrezatimit në një temperaturë prej 36°C (309 K) qëndron në një gjatësi vale prej 9400 nm (në rajoni infra i kuq i spektrit).

Ngjyra e dukshme e trupave krejtësisht të zinj në temperatura të ndryshme tregohet në diagram.

Rrezatimi i trupit të zi

Rrezatimi elektromagnetik që është në ekuilibër termodinamik me një trup të zi në një temperaturë të caktuar (për shembull, rrezatimi brenda një zgavër në një trup të zi) quhet rrezatim i trupit të zi (ose ekuilibrit termik). Rrezatimi termik i ekuilibrit është homogjen, izotrop dhe jo i polarizuar, nuk ka transferim energjie në të, të gjitha karakteristikat e tij varen vetëm nga temperatura e emetuesit absolutisht të trupit të zi (dhe, meqenëse rrezatimi i trupit të zi është në ekuilibër termik me këtë trup, kjo temperaturë mund të t'i atribuohet rrezatimit). Dendësia e energjisë vëllimore e rrezatimit të trupit të zi është e barabartë me

, presioni i tij është i barabartë

. I ashtuquajturi sfond mikrovalor kozmik, ose sfondi kozmik i mikrovalës, është shumë afër në vetitë e tij me rrezatimin e trupit të zi, një rrezatim që mbush Universin me një temperaturë prej rreth 3 K.

Kromatikiteti i trupit të zi

Shënim: Ngjyrat janë dhënë në krahasim me dritën e përhapur të ditës (D 65). Ngjyra e perceptuar aktuale mund të shtrembërohet nga përshtatja e syrit me kushtet e ndriçimit.

Trup i pastër i zi

Rrezatimi nga një trup i zi i ndezur në intervalin e dukshëm

Trup absolutisht i zi- një abstraksion fizik i përdorur në termodinamikë, një trup që thith të gjithë rrezatimin elektromagnetik që bie mbi të në të gjitha vargjet dhe nuk reflekton asgjë. Pavarësisht emrit, një trup plotësisht i zi në vetvete mund të lëshojë rrezatim elektromagnetik të çdo frekuence dhe vizualisht të ketë një . Spektri i rrezatimit të një trupi absolutisht të zi përcaktohet vetëm nga temperatura e tij.

Substancat reale më të zeza, për shembull, bloza, thithin deri në 99% të rrezatimit të rënë (d.m.th., kanë një albedo të barabartë me 0,01) në intervalin e gjatësisë së valës së dukshme, por ato thithin rrezatimin infra të kuqe shumë më keq. Ndër trupat e Sistemit Diellor, Dielli ka vetitë e një trupi absolutisht të zi në masën më të madhe. Termi u prezantua nga Gustav Kirchhoff në.

Modeli praktik

Model trupi i zi

Ligjet e rrezatimit të trupit të zi

Qasje klasike

Studimi i ligjeve të rrezatimit të trupit të zi ishte një nga parakushtet për shfaqjen e mekanikës kuantike.

Ligji i parë i Vjenës i rrezatimit

Megjithatë, ligji i rrezatimit Rayleigh-Jeans është i vlefshëm për rajonin me valë të gjata të spektrit dhe përshkruan në mënyrë adekuate natyrën e rrezatimit. Fakti i korrespondencës së tillë mund të shpjegohet vetëm duke përdorur një qasje mekanike kuantike, sipas së cilës rrezatimi ndodh në mënyrë diskrete. Bazuar në ligjet kuantike, mund të merret formula e Planck-ut, e cila do të përkojë me formulën Rayleigh-Jeans në .

Ky fakt është një ilustrim i shkëlqyer i parimit të korrespondencës, sipas të cilit një teori e re fizike duhet të shpjegojë gjithçka që e vjetra ishte në gjendje të shpjegonte.

Ligji i Plankut

Varësia e fuqisë së rrezatimit të trupit të zi nga gjatësia e valës

Intensiteti i rrezatimit të një trupi absolutisht të zi, në varësi të temperaturës dhe frekuencës, përcaktohet nga Ligji i Plankut:

Ku I(ν) dν - fuqia e rrezatimit për njësi sipërfaqe të sipërfaqes rrezatuese në intervalin e frekuencës nga ν në ν + dν .

Në mënyrë të barabartë,

Ku u(λ) dλ - fuqia e rrezatimit për njësi sipërfaqe të sipërfaqes emetuese në diapazonin e gjatësisë së valës nga λ në λ + dλ .

Ligji Stefan-Boltzmann

Përcaktohet energjia totale e rrezatimit termik Ligji Stefan-Boltzmann:

Ku jështë fuqia për njësi të sipërfaqes së sipërfaqes rrezatuese, dhe

W/(m²·K 4) - Konstante Stefan-Boltzmann.

Ligji i zhvendosjes së Wien-it

Gjatësia e valës në të cilën energjia e rrezatimit të një trupi plotësisht të zi është maksimale përcaktohet nga Ligji i zhvendosjes së Wien-it:

Ngjyra e dukshme e trupave krejtësisht të zinj në temperatura të ndryshme tregohet në diagram.

Rrezatimi i trupit të zi

Trup i pastër i zi- ky është një trup për të cilin kapaciteti absorbues është identikisht i barabartë me unitetin për të gjitha frekuencat ose gjatësitë e valëve dhe për çdo temperaturë, d.m.th.

Nga përkufizimi i një trupi absolutisht të zi rrjedh se ai duhet të thithë të gjithë rrezatimin që bie mbi të.

Koncepti i "trupit absolutisht të zi" është një koncept model. Trupat absolut të zi nuk ekzistojnë në natyrë, por është e mundur të krijohet një pajisje që është një përafrim i mirë me një trup absolutisht të zi - model trupi i zi .

Model trupi i zi- kjo është një zgavër e mbyllur me një vrimë të vogël në krahasim me madhësinë e saj (Fig. 1.2). Zgavra është bërë nga një material që thith mjaft mirë rrezatimin. Rrezatimi që hyn në vrimë reflektohet shumë herë nga sipërfaqja e brendshme e zgavrës përpara se të largohet nga vrima.

Me çdo reflektim, një pjesë e energjisë thithet, si rezultat, fluksi i reflektuar dF del nga vrima, e cila është një pjesë shumë e vogël e fluksit të rrezatimit dF që ka hyrë në të vrima në zgavër do të jetë afër unitetit.

Nëse muret e brendshme të zgavrës mbahen në temperaturën T, atëherë nga vrima do të dalë rrezatimi, vetitë e të cilit do të jenë shumë afër vetive të rrezatimit të trupit të zi. Brenda zgavrës, ky rrezatim do të jetë në ekuilibër termodinamik me lëndën e zgavrës.

Sipas përkufizimit të densitetit të energjisë, densiteti vëllimor i energjisë w(T) i rrezatimit të ekuilibrit në një zgavër është:

ku dE është energjia e rrezatimit në vëllimin dV. Shpërndarja spektrale e densitetit të vëllimit jepet nga funksionet u(λ,T) (ose u(ω,T)), të cilat futen në mënyrë të ngjashme me dendësinë spektrale të shkëlqimit energjetik ((1.6) dhe (1.9)), d.m.th.:

Këtu dw λ dhe dw ω janë dendësia vëllimore e energjisë në intervalin përkatës të gjatësive valore dλ ose frekuencave dω.

Ligji i Kirchhoff-it shprehet se marrëdhënia emetuese trupi ((1.6) dhe (1.9)) ndaj tij kapaciteti absorbues (1.14) është i njëjtë për të gjithë trupat dhe është një funksion universal i frekuencës ω (ose gjatësisë valore λ) dhe temperaturës T, d.m.th.:

Është e qartë se kapaciteti absorbues aω (ose një λ) është i ndryshëm për trupa të ndryshëm, atëherë nga ligji i Kirchhoff-it rrjedh se sa më i fortë të thithë një trup rrezatim, aq më i fortë duhet të emetojë këtë rrezatim. Që për një trup absolut të zi aω ≡ 1 (ose aλ ≡ 1), atëherë rrjedh se në rastin e një trupi plotësisht të zi:

Me fjalë të tjera, f(ω,T) ose φ(λ,T) , nuk është gjë tjetër veçse densiteti i ndriçimit të energjisë spektrale (ose emetimi) i një trupi krejtësisht të zi.

Funksioni φ(λ,T) dhe f(ω,T) lidhen me densitetin e energjisë spektrale të rrezatimit të trupit të zi nga relacionet e mëposhtme:

ku c është shpejtësia e dritës në vakum.

Diagrami i instalimit për përcaktimin eksperimental të varësisë φ(λ,T)është paraqitur në figurën 1.3.

Rrezatimi lëshohet nga hapja e një zgavër të mbyllur, nxehet në një temperaturë T, më pas godet një pajisje spektrale (prizëm ose monokromatik me grilë), i cili lëshon rrezatim në diapazonin e frekuencës nga λ në λ + dλ. Ky rrezatim godet një marrës, i cili lejon të matet fuqia e rrezatimit që ka rënë në të. Duke e ndarë këtë fuqi për interval nga λ në λ + dλ me sipërfaqen e emetuesit (sipërfaqja e vrimës në zgavër!), marrim vlerën e funksionit φ(λ,T) për një të dhënë. gjatësia e valës λ dhe temperatura T. Rezultatet eksperimentale të marra janë riprodhuar në figurën 1.4.

Rezultatet e leksionit nr.1

1. Fizikani gjerman Max Planck në vitin 1900 parashtroi një hipotezë sipas së cilës energjia elektromagnetike emetohet në pjesë, kuante energjetike. Madhësia e kuantit të energjisë (shih (1.2):

ε = h v,

ku h=6.6261·10 -34 J·s është konstanta e Planck, v- frekuenca e lëkundjeve të një vale elektromagnetike të emetuar nga një trup.

Kjo hipotezë e lejoi Plankun të zgjidhte problemin e rrezatimit të trupit të zi.

2. Dhe Ajnshtajni, duke zhvilluar konceptin e Plankut për kuantat e energjisë, prezantoi në vitin 1905 konceptin e "kuantit të dritës" ose fotonit. Sipas Ajnshtajnit, kuanti i energjisë elektromagnetike ε = h v lëviz në formën e një fotoni të lokalizuar në një zonë të vogël të hapësirës. Ideja e fotoneve i lejoi Ajnshtajnit të zgjidhte problemin e efektit fotoelektrik.

3. Fizikanti anglez E. Rutherford, bazuar në studimet eksperimentale të kryera në vitet 1909-1910, ndërtoi një model planetar të atomit. Sipas këtij modeli, në qendër të atomit ka një bërthamë shumë të vogël (r I ~ 10 -15 m), në të cilën është përqendruar pothuajse e gjithë masa e atomit. Ngarkesa bërthamore është pozitive. Elektronet e ngarkuara negativisht lëvizin rreth bërthamës si planetët e sistemit diellor në orbita, madhësia e të cilave është ~ 10 -10 m.

4. Atomi në modelin e Rutherford doli të ishte i paqëndrueshëm: sipas elektrodinamikës së Maxwell, elektronet, që lëvizin në orbita rrethore, duhet të lëshojnë vazhdimisht energji, si rezultat i së cilës ato duhet të bien në bërthamë në një kohë prej ~ 10 -8 s. . Por e gjithë përvoja jonë dëshmon për qëndrueshmërinë e atomit. Kështu lindi problemi i stabilitetit atomik.

5. Problemi i stabilitetit atomik u zgjidh në vitin 1913 nga fizikani danez Niels Bohr në bazë të dy postulateve që ai parashtroi. Në teorinë e atomit të hidrogjenit, të zhvilluar nga N. Bohr, konstanta e Planck-ut luan një rol të rëndësishëm.

6. Rrezatimi termik është rrezatim elektromagnetik i lëshuar nga një substancë për shkak të energjisë së saj të brendshme. Rrezatimi termik mund të jetë në ekuilibër termodinamik me trupat përreth.

7. Shkëlqimi energjetik i një trupi R është raporti i energjisë dE të emetuar gjatë një kohe dt nga sipërfaqja dS në të gjitha drejtimet ndaj dt dhe dS (shih (1.5)):

8. Dendësia spektrale e ndriçimit të energjisë r λ (ose emetimi i një trupi) është raporti i ndriçimit të energjisë dR, marrë në një interval të gjatësisë valore infiniteminale dλ, me vlerën dλ (shih (1.6)):

9. Fluksi i rrezatimit Ф është raporti i energjisë dE të transferuar nga rrezatimi elektromagnetik përmes çdo sipërfaqeje me kohën e transferimit dt, e cila tejkalon ndjeshëm periudhën e lëkundjeve elektromagnetike (shih (1.13)):

10. Kapaciteti absorbues i trupit një λështë raporti i fluksit të rrezatimit dΦ λ "të përthithur nga një trup në intervalin e gjatësisë valore dλ ndaj fluksit dΦ λ që bie mbi të në të njëjtin interval dλ, (shih (1.14):

11. Një trup absolutisht i zi është një trup për të cilin kapaciteti absorbues është identikisht i barabartë me unitetin për të gjitha gjatësitë valore dhe për çdo temperaturë, d.m.th.

Një trup tërësisht i zi është një koncept model.

12. Ligji i Kirchhoff-it thotë se raporti i emetimit të një trupi r λ me aftësinë e tij absorbuese a λ është i njëjtë për të gjithë trupat dhe është një funksion universal i gjatësisë valore λ (ose frekuencës ω) dhe temperaturës T (shih (1.17)):

LEKTURA N 2

Problemi i rrezatimit të trupit të zi. formula e Planck-ut. Ligji Stefan-Boltzmann, ligji i Wien-it

§ 1. Problemi i rrezatimit të trupit të zi. formula e Planck-ut

Problemi me rrezatimin e trupit të zi ishte të teorikisht bëhem i varurφ(λ,T)- dendësia spektrale e shkëlqimit të energjisë së një trupi absolutisht të zi.

Dukej se situata ishte e qartë: në një temperaturë të caktuar T, molekulat e substancës së zgavrës rrezatuese kanë një shpërndarje të shpejtësisë Maxwelliane dhe lëshojnë valë elektromagnetike në përputhje me ligjet e elektrodinamikës klasike. Rrezatimi është në ekuilibër termodinamik me lëndën, që do të thotë se ligjet e termodinamikës dhe statistikat klasike mund të përdoren për të gjetur densitetin e energjisë spektrale të rrezatimit u(λ,T) dhe funksionin shoqërues φ(λ,T).

Megjithatë, të gjitha përpjekjet e teoricienëve për të marrë ligjin e rrezatimit të trupit të zi bazuar në fizikën klasike kanë dështuar.

Kontribut të pjesshëm në zgjidhjen e këtij problemi dhanë Gustav Kirchhoff, Wilhelm Wien, Joseph Stefan, Ludwig Boltzmann, John William Rayleigh, James Honwood Jeans.

Problemi i rrezatimit të trupit të zi u zgjidh nga Max Planck. Për ta bërë këtë, ai duhej të braktiste konceptet klasike dhe të bënte supozimin se një ngarkesë lëkundet me një frekuencë v, mund të marrë ose të japë energji në pjesë, ose kuante.

Madhësia e kuantit të energjisë në përputhje me (1.2) dhe (1.4):

ku h është konstanta e Planck; v- frekuenca e lëkundjeve të një vale elektromagnetike të emetuar nga një ngarkesë lëkundëse; ω = 2π v- frekuenca rrethore.

Mbështetur në konceptin e kuanteve të energjisë, M. Planck, duke përdorur metodat e termodinamikës statistikore, përftoi një shprehje për funksionin u(ω,T), duke dhënë shpërndarja e densitetit të energjisë në spektrin e rrezatimit të një trupi absolut të zi:

Derivimi i kësaj formule do të jepet në leksionin nr. 12, § 3 pasi të njihemi me bazat e statistikës kuantike.

Për të shkuar te dendësia spektrale e ndriçimit të energjisë f(ω,T), shkruajmë formulën e dytë (1.19):

Duke përdorur këtë relacion dhe formulën e Planck (2.1) për u(ω,T), marrim se:

Kjo është formula e Planck për dendësia spektrale e shkëlqimit energjetik f(ω ,T).

Tani marrim formulën e Planck-ut për φ(λ,T) Siç e dimë nga (1.18), në rastin e një trupi plotësisht të zi f(ω,T) = r ω, dhe φ(λ,T) = r λ.

Marrëdhënia midis r λ dhe r ω jepet me formulën (1.12), duke e zbatuar atë marrim:

Këtu kemi shprehur argumentin ω të funksionit f(ω,T) në terma të gjatësisë valore λ. Duke zëvendësuar këtu formulën e Planck-ut për f(ω,T) nga (2.2), marrim formulën e Planck-ut për φ(λ,T) - dendësia spektrale e shkëlqimit të energjisë në varësi të gjatësisë së valës λ:

Grafiku i këtij funksioni përkon mirë me grafikët eksperimentalë të φ(λ,T) për të gjitha gjatësitë valore dhe temperaturat.

Kjo do të thotë se problemi i rrezatimit të trupit të zi është zgjidhur.

§ 2. Ligji Stefan-Boltzmann dhe ligji i Wien-it

Nga (1.11) për një trup absolutisht të zi, kur r ω = f(λ,T), marrim shkëlqimin e energjisë R(T) , duke integruar funksionin f(ω,Т) (2.2) në të gjithë diapazonin e frekuencës.

Integrimi jep:

Le të prezantojmë shënimin:

atëherë shprehja për shkëlqimin energjetik R do të marrë formën e mëposhtme:

Kjo është ajo Ligji Stefan-Boltzmann .

M. Stefan, bazuar në një analizë të të dhënave eksperimentale, arriti në përfundimin në 1879 se shkëlqimi energjetik i çdo trupi është në proporcion me fuqinë e katërt të temperaturës.

L. Boltzmann në 1884 zbuloi nga konsideratat termodinamike se një varësi e tillë e shkëlqimit energjetik nga temperatura është e vlefshme vetëm për një trup absolutisht të zi.

Konstanta σ quhet Konstante Stefan-Boltzmann . Rëndësia e tij eksperimentale:

Llogaritjet duke përdorur formulën teorike japin një rezultat për σ që është në përputhje shumë të mirë me atë eksperimentale.

Vini re se grafikisht shkëlqimi energjetik është i barabartë me sipërfaqen e kufizuar nga grafiku i funksionit f(ω,T), kjo është ilustruar në figurën 2.1.

Maksimumi i grafikut të densitetit spektral të ndriçimit të energjisë φ(λ,T) zhvendoset në rajonin e valëve më të shkurtra me rritjen e temperaturës (Fig. 2.2). Për të gjetur ligjin sipas të cilit maksimumi φ(λ,T) zhvendoset në varësi të temperaturës, është e nevojshme të studiohet funksioni φ(λ,T) në maksimum. Pasi kemi përcaktuar pozicionin e kësaj maksimumi, marrim ligjin e lëvizjes së tij me ndryshimin e temperaturës.

Siç dihet nga matematika, për të studiuar një funksion në maksimum, duhet të gjeni derivatin e tij dhe ta barazoni atë me zero:

Duke zëvendësuar këtu φ(λ,Т) nga (1.23) dhe duke marrë derivatin, marrim tre rrënjë të ekuacionit algjebrik në lidhje me ndryshoren λ. Dy prej tyre (λ = 0 dhe λ = ∞) i përgjigjen minimales zero të funksionit φ(λ,Τ). Për rrënjën e tretë, merret një shprehje e përafërt:

Le të prezantojmë shënimin:

atëherë pozicioni i maksimumit të funksionit φ(λ,T) do të përcaktohet me një formulë të thjeshtë:

Kjo është ajo Ligji i zhvendosjes së Wien-it .

Është emëruar pas V. Wien, i cili teorikisht e ka marrë këtë raport në 1894. Konstanta në ligjin e zhvendosjes së Wien-it ka vlerën numerike të mëposhtme:

Rezultatet e leksionit nr.2

1. Problemi i rrezatimit të trupit të zi ishte se të gjitha përpjekjet për të marrë, në bazë të fizikës klasike, varësinë φ(λ,T) - dendësia spektrale e shkëlqimit të energjisë së një trupi të zi dështuan.

2. Ky problem u zgjidh në vitin 1900 nga M. Planck në bazë të hipotezës së tij kuantike: një ngarkesë që lëkundet me një frekuencë v, mund të marrë ose të japë energji në pjesë ose kuanta. Vlera kuantike e energjisë:

këtu h = 6,626 10 -34 është konstanta e Planck-ut, vlera J s quhet edhe konstanta e Planck-ut ["hiri" me shirit], ω është frekuenca rrethore (ciklike).

3. Formula e Planck-ut për dendësinë spektrale të shkëlqimit të energjisë së një trupi absolutisht të zi ka formën e mëposhtme (shih (2.4):

këtu λ është gjatësia e valës së rrezatimit elektromagnetik, T është temperatura absolute, h është konstanta e Planck-ut, c është shpejtësia e dritës në vakum, k është konstanta e Boltzmann-it.

4. Nga formula e Planck-ut vijon shprehja për ndriçimin e energjisë R të një trupi absolutisht të zi:

e cila na lejon të llogarisim teorikisht konstantën Stefan-Boltzmann (shih (2.5)):

vlera teorike e së cilës përkon mirë me vlerën e saj eksperimentale:

në ligjin Stefan-Boltzmann (shih (2.6)):

5. Nga formula e Planck-ut vijon ligji i zhvendosjes së Wien-it, i cili përcakton λ max - pozicionin e maksimumit të funksionit φ(λ,T) në varësi të temperaturës absolute (shih (2.9):

Për b - konstanta e Wien - shprehja e mëposhtme është marrë nga formula e Planck (shih (2.8)):

Konstanta e Wien-it ka vlerën e mëposhtme b = 2,90 ·10 -3 m·K.

LEKTURA N 3

Problemi i efektit fotoelektrik . Ekuacioni i Ajnshtajnit për efektin fotoelektrik

§ 1. Problemi i efektit fotoelektrik A

Efekti fotoelektrik është emetimi i elektroneve nga një substancë nën ndikimin e rrezatimit elektromagnetik.

Ky efekt fotoelektrik quhet i jashtëm. Kjo është ajo për të cilën do të flasim në këtë kapitull. Ekziston gjithashtu efekti i brendshëm fotoelektrik . (shih leksionin 13, § 2).

Në 1887, fizikani gjerman Heinrich Hertz zbuloi se drita ultravjollcë që shkëlqente mbi elektrodën negative në një hendek shkëndijë lehtësonte kalimin e shkarkimit. Në vitet 1888-89 Fizikani rus A. G. Stoletov është i angazhuar në një studim sistematik të efektit fotoelektrik (një diagram i instalimit të tij tregohet në figurë). Hulumtimi u krye në një atmosferë gazi, e cila ndërlikoi shumë proceset që po ndodhin.

Stoletov zbuloi se:

1) rrezet ultraviolet kanë ndikimin më të madh;

2) rryma rritet me rritjen e intensitetit të dritës që ndriçon fotokatodën;

3) ngarkesat e emetuara nën ndikimin e dritës kanë një shenjë negative.

Studime të mëtejshme të efektit fotoelektrik u kryen në 1900-1904. Fizikani gjerman F. Lenard në vakumin më të lartë të arritur në atë kohë.

Lenard ishte në gjendje të përcaktonte se shpejtësia e elektroneve që ikin nga fotokatoda nuk varet në intensitetin e dritës dhe në përpjesëtim të drejtë me frekuencën e tij . Kështu kam lindur problemi i efektit fotoelektrik . Ishte e pamundur të shpjegoheshin rezultatet e eksperimenteve të Lenardit në bazë të elektrodinamikës së Maxwell!

Figura 3.2 tregon një konfigurim që ju lejon të studioni efektin fotoelektrik në detaje.

Elektroda, fotokatodë Dhe anodë , vendosur në tullumbace, nga i cili është nxjerrë ajri. Drita i jepet fotokatodës përmes dritare kuarci . Kuarci, ndryshe nga qelqi, transmeton mirë rrezet ultravjollcë. Diferenca potenciale (tensioni) ndërmjet matjeve të fotokatodës dhe anodës voltmetër . Rryma në qarkun e anodës matet nga një i ndjeshëm mikroampermetër . Për të rregulluar tensionin bateria e fuqisë lidhur me reostat me një mes. Nëse motori i reostatit është përballë pikës së mesit të lidhur përmes një mikroammetri në anodë, atëherë diferenca potenciale midis fotokatodës dhe anodës është zero. Kur rrëshqitësi zhvendoset në të majtë, potenciali i anodës bëhet negativ në raport me katodën. Nëse rrëshqitësi i reostatit zhvendoset në të djathtë nga pika e mesit, atëherë potenciali i anodës bëhet pozitiv.

Karakteristika e tensionit aktual të instalimit për studimin e efektit fotoelektrik ju lejon të merrni informacion në lidhje me energjinë e elektroneve të emetuara nga fotokatoda.

Karakteristika e tensionit aktual është varësia e rrymës foto i nga tensioni midis katodës dhe anodës U. Kur ndriçohet me dritë, frekuenca v e cila është e mjaftueshme që të ndodhë efekti fotoelektrik, karakteristika aktuale e tensionit ka formën e grafikut të paraqitur në Fig. 3.3:

Nga kjo karakteristikë rezulton se në një tension të caktuar pozitiv në anodë, fotorryma i arrin ngopjen. Në këtë rast, të gjitha elektronet e emetuara nga fotokatoda për njësi të kohës bien në anodë gjatë së njëjtës kohë.

Në U = 0, disa elektrone arrijnë në anodë dhe krijojnë një fotorrymë i 0. Në një tension negativ në anodë - U mbrapa - fotorryma ndalon. Në këtë vlerë të tensionit, energjia kinetike maksimale e fotoelektronit në fotokatodë (mv 2 max)/2 harxhohet plotësisht për të kryer punë kundër forcave të fushës elektrike:

Në këtë formulë, m e është masa e elektronit; v max - shpejtësia e saj maksimale në fotokatodë; e është vlera absolute e ngarkesës së elektronit.

Kështu, duke matur tensionin ngadalësues U prapa, mund të gjeni energjinë kinetike (dhe shpejtësinë e elektronit) menjëherë pas largimit të tij nga fotokatoda.

Përvoja e ka treguar këtë

1)energjia e elektroneve të emetuara nga fotokatoda (dhe shpejtësia e tyre) nuk varej nga intensiteti i dritës! Kur frekuenca e dritës ndryshon v U mbrapa gjithashtu ndryshon, d.m.th. energjia maksimale kinetike e elektroneve që largohen nga fotokatoda;

2)energjia kinetike maksimale e elektroneve në fotokatodë,(mv 2 max)/2 , është drejtpërdrejt proporcionale me frekuencën v të dritës që ndriçon fotokatodën.

Problem, si në rastin e rrezatimit të trupit të zi, ishte se Parashikimet teorike të bëra për efektin fotoelektrik të bazuara në fizikën klasike (elektrodinamika maxwelliane) kundërshtuan rezultatet eksperimentale. Intensiteti i dritës I në elektrodinamikën klasike është dendësia e fluksit të energjisë të një valë drite. Së pari, nga ky këndvështrim, energjia e transferuar nga një valë drite në një elektron duhet të jetë proporcionale me intensitetin e dritës. Përvoja nuk e konfirmon këtë parashikim. Së dyti, në elektrodinamikën klasike nuk ka shpjegime për proporcionalitetin e drejtpërdrejtë të energjisë kinetike të elektroneve,(mv 2 max)/2 , frekuenca e dritës v.

Kikoin A.K. Trup absolutisht i zi // Kuantik. - 1985. - Nr. 2. - F. 26-28.

Me marrëveshje të veçantë me redaksinë dhe redaktorët e revistës "Kvant"

Drita dhe ngjyra

Kur shikojmë trupa të ndryshëm rreth nesh në dritën e ditës (dritën e diellit), i shohim ato të pikturuara me ngjyra të ndryshme. Pra, gjethet e barit dhe pemëve janë jeshile, lulet janë të kuqe ose blu, të verdha ose vjollcë. Ka edhe trupa të zinj, të bardhë, gri. E gjithë kjo nuk mund të mos shkaktojë habi. Duket se të gjithë trupat ndriçohen nga e njëjta dritë - drita e Diellit. Pse ngjyrat e tyre janë të ndryshme? Le të përpiqemi t'i përgjigjemi kësaj pyetjeje.

Do të vazhdojmë nga fakti se drita është një valë elektromagnetike, domethënë një fushë elektromagnetike e alternuar që përhapet. Drita e diellit përmban valë në të cilat fushat elektrike dhe magnetike lëkunden në frekuenca të ndryshme.

Çdo substancë përbëhet nga atome dhe molekula që përmbajnë grimca të ngarkuara që ndërveprojnë me njëra-tjetrën. Meqenëse grimcat janë të ngarkuara, nën ndikimin e një fushe elektrike ato mund të lëvizin, dhe nëse fusha është e ndryshueshme, atëherë ato mund të lëkunden, dhe secila grimcë në trup ka një frekuencë të caktuar natyrore të lëkundjes.

Kjo pamje e thjeshtë, edhe pse jo shumë e saktë, do të na lejojë të kuptojmë se çfarë ndodh kur drita ndërvepron me materien.

Kur drita bie mbi një trup, fusha elektrike e "sjellur" prej saj bën që grimcat e ngarkuara në trup të kryejnë lëkundje të detyruara (fusha e valës së dritës është e ndryshueshme!). Në këtë rast, për disa grimca, frekuenca e tyre natyrore e lëkundjeve mund të përkojë me disa frekuencë të lëkundjeve të fushës së valës së dritës. Atëherë, siç dihet, do të ndodhë fenomeni i rezonancës - një rritje e mprehtë e amplitudës së lëkundjeve (kjo diskutohet në § 9 dhe 20 të Fizikës 10). Gjatë rezonancës, energjia e sjellë nga vala transferohet në atomet e trupit, gjë që në fund e bën atë të nxehet. Drita frekuenca e së cilës rezonon thuhet se absorbohet nga trupi.

Por disa valë nga drita e incidentit nuk rezonojnë. Megjithatë, ato gjithashtu bëjnë që grimcat në trup të dridhen, por të dridhen me një amplitudë të vogël. Vetë këto grimca bëhen burime të të ashtuquajturave valë elektromagnetike sekondare të së njëjtës frekuencë. Valët dytësore, duke i shtuar valës rënëse, përbëjnë dritën e reflektuar ose të transmetuar.

Nëse trupi është i errët, atëherë përthithja dhe reflektimi janë gjithçka që mund të ndodhë me dritën që bie mbi trup: drita që nuk rezonon reflektohet dhe drita që arrin absorbohet. Ky është "sekret" i ngjyrës së trupave. Nëse, për shembull, dridhjet që korrespondojnë me ngjyrën e kuqe përfshihen në rezonancën nga përbërja e dritës së diellit rënëse, atëherë ato nuk do të jenë të pranishme në dritën e reflektuar. Dhe syri ynë është projektuar në atë mënyrë që rrezet e diellit, të privuara nga pjesa e tij e kuqe, të shkaktojnë ndjesinë e gjelbërimit. Prandaj, ngjyra e trupave të errët varet nga ajo se cilat frekuenca të dritës rënëse mungojnë në dritën e reflektuar nga trupi.

Ka trupa në të cilët grimcat e ngarkuara kanë aq shumë frekuenca natyrore të ndryshme vibrimi sa secila ose pothuajse çdo frekuencë në dritën rënëse bie në rezonancë. Atëherë e gjithë drita e rënë thithet dhe thjesht nuk ka asgjë për t'u reflektuar. Trupat e tillë quhen të zinj, domethënë trupa me ngjyrë të zezë. Në realitet, e zeza nuk është një ngjyrë, por mungesa e ndonjë ngjyre.

Ekzistojnë gjithashtu trupa në të cilët asnjë frekuencë e vetme në dritën e rënies nuk godet rezonancën, atëherë nuk ka fare përthithje dhe e gjithë drita rënëse reflektohet. Trupat e tillë quhen të bardhë. E bardha gjithashtu nuk është një ngjyrë, është një përzierje e të gjitha ngjyrave.

Duke emetuar dritë

Dihet se çdo trup mund të bëhet vetë burim drite. Kjo është e kuptueshme - në fund të fundit, në çdo trup ka grimca të ngarkuara lëkundëse që mund të bëhen burime të valëve të emetuara. Por në kushte normale - në temperatura të ulëta - frekuencat e këtyre dridhjeve janë relativisht të vogla, dhe gjatësitë e valëve të emetuara tejkalojnë ndjeshëm gjatësinë e valës së dritës së dukshme (dritën infra të kuqe). Në një temperaturë të lartë, dridhjet e frekuencave më të larta "ndizen" në trup dhe ai fillon të lëshojë valë drite të dukshme për syrin.

Çfarë lloj drite lëshon një trup, çfarë dridhjesh frekuence mund të "ndizen" kur nxehen? Natyrisht, mund të lindin vetëm lëkundje me frekuenca natyrore. Në temperatura të ulëta, numri i grimcave të ngarkuara me frekuenca të larta të dridhjeve natyrore është i vogël dhe rrezatimi i tyre është i padukshëm. Me rritjen e temperaturës, numri i grimcave të tilla rritet dhe emetimi i dritës së dukshme bëhet i mundur.

Marrëdhënia midis emetimit dhe përthithjes së dritës

Absorbimi dhe emetimi janë dukuri të kundërta. Megjithatë, ka diçka të përbashkët mes tyre.

Të përthithësh do të thotë "të marrësh", të lëshosh do të thotë "të japësh". Çfarë “merr” trupi kur thith dritën? Natyrisht, ajo që mund të marrë është drita e atyre frekuencave që janë të barabarta me frekuencat natyrore të dridhjeve të grimcave të saj. Çfarë “jap” trupi kur lëshon dritë? Ajo që ka është drita që korrespondon me frekuencat e veta të dridhjeve. Prandaj, duhet të ketë një lidhje të ngushtë midis aftësisë së trupit për të emetuar dritë dhe aftësisë së tij për ta thithur atë. Dhe kjo lidhje është e thjeshtë: sa më shumë që një trup lëshon, aq më shumë thith. Në këtë rast, natyrisht, emituesi më i ndritshëm duhet të jetë një trup i zi, i cili thith dridhjet e të gjitha frekuencave. Kjo lidhje u krijua matematikisht në 1859 nga fizikani gjerman Gustav Kirchhoff.

Le ta quajmë emetim të një trupi energjinë e emetuar për njësi të sipërfaqes së tij për njësi të kohës dhe ta shënojmë me Eλ,T . Është i ndryshëm për gjatësi vale të ndryshme ( λ ) dhe temperatura të ndryshme ( T), pra indekset λ Dhe T. Kapaciteti absorbues i një trupi është raporti i energjisë së dritës të përthithur nga trupi për njësi të kohës ndaj energjisë së rënë. Le ta shënojmë me Aλ,T - është gjithashtu e ndryshme për të ndryshme λ Dhe T.

Ligji i Kirchhoff-it thotë se raporti i aftësive emetuese dhe absorbuese është i njëjtë për të gjithë trupat:

\(~\frac(E_(\lambda, T))(A_(\lambda, T)) = C\) .

Madhësia ME nuk varet nga natyra e trupave, por varet nga gjatësia e valës së dritës dhe temperatura: C = f(λ , T). Sipas ligjit të Kirchhoff, një trup që përthithet më mirë në një temperaturë të caktuar duhet të rrezatojë më intensivisht.

Trup i pastër i zi

Ligji i Kirchhoff është i vlefshëm për të gjitha organet. Kjo do të thotë se mund të aplikohet në një trup që thith të gjitha gjatësitë e valëve pa përjashtim. Një trup i tillë quhet plotësisht i zi. Për të, kapaciteti absorbues është i barabartë me unitetin, kështu që ligji i Kirchhoff merr formën

\(~E_(\lambda, T) = C = f(\lambda, T)\) .

Kështu, kuptimi i funksionit bëhet i qartë f(λ , T): është e barabartë me emetimin e një trupi krejtësisht të zi. Problemi i gjetjes së funksionit C = f(λ , T) u kthye në problemin e gjetjes së varësisë së energjisë së rrezatimit të një trupi krejtësisht të zi nga temperatura dhe gjatësia valore. Më në fund, pas dy dekadash përpjekjesh të kota, ajo u zgjidh. Zgjidhja e saj, e dhënë nga fizikani teorik gjerman Max Planck, u bë fillimi i një fizike të re - fizika kuantike.

Vini re se trupat absolutisht të zinj nuk ekzistojnë në natyrë. Edhe më e zeza nga të gjitha substancat e njohura - bloza - thith jo 100, por 98% të dritës që bie mbi të. Prandaj, një pajisje artificiale u përdor për të studiuar eksperimentalisht rrezatimin e trupit të zi.

Doli se vetitë e një trupi absolutisht të zi zotërohen nga... një zgavër e mbyllur me një vrimë të vogël (shih figurën). Në fakt, kur një rreze drite hyn në një vrimë, ajo përjeton shumë reflektime të njëpasnjëshme brenda zgavrës, kështu që ka shumë pak mundësi për ta lënë vrimën jashtë. (Për të njëjtën arsye, një dritare e hapur në shtëpi duket e errët edhe në një ditë të ndritshme me diell). Nëse një trup i tillë nxehet, atëherë rrezatimi që del nga vrima praktikisht nuk ndryshon nga rrezatimi i një trupi absolutisht të zi.

Një tub, një fund i të cilit është i mbyllur, mund të shërbejë gjithashtu si një imitim i mirë i një trupi krejtësisht të zi. Nëse tubi nxehet, fundi i tij i hapur shkëlqen si një trup krejtësisht i zi. Në temperatura normale, duket krejtësisht e zezë, si vrima në zgavër.