Shkëlqimi energjetik i trupit - - sasi fizike, që është funksion i temperaturës dhe numerikisht e barabartë me energjinë, emetuar nga një trup për njësi të kohës nga një sipërfaqe njësi në të gjitha drejtimet dhe në të gjithë spektrin e frekuencës. J/s m²=W/m²
Dendësia spektrale shkëlqim energjik - një funksion i frekuencës dhe temperaturës që karakterizon shpërndarjen e energjisë së rrezatimit në të gjithë spektrin e frekuencave (ose gjatësive valore). , Një funksion i ngjashëm mund të shkruhet për sa i përket gjatësisë valore
Mund të vërtetohet se dendësia spektrale Shkëlqimi energjetik, i shprehur në terma të frekuencës dhe gjatësisë valore, lidhen me lidhjen:
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 emrit, 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.
Rëndësia e një trupi absolutisht të zi në çështjen e spektrit të rrezatimit termik të çdo trupi (të gri dhe me ngjyrë) në përgjithësi, përveç faktit se ai përfaqëson rastin më të thjeshtë jo të parëndësishëm, qëndron edhe në faktin se pyetja i spektrit të rrezatimit termik të ekuilibrit të trupave të çdo ngjyre dhe koeficienti i reflektimit zbret në metoda termodinamika klasike për çështjen e rrezatimit të ngjyrës absolutisht të zezë (dhe historikisht kjo tashmë është bërë fundi i shekullit të 19-të shekulli, kur doli në pah problemi i rrezatimit të trupit të 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 të nxehet, ajo do të ketë të sajën rrezatimi i dukshëm. Meqenëse rrezatimi i emetuar nga muret e brendshme të zgavrës, para se të dalë (në fund të fundit, vrima është shumë e vogël), në shumicën dërrmuese të rasteve do t'i nënshtrohet sasi e madhe thithjet dhe emetimet e reja, atëherë mund të themi me besim se rrezatimi brenda zgavrës është në ekuilibër termodinamik me muret. (Në fakt, vrima nuk është aspak e rëndësishme për këtë model, është e nevojshme vetëm për të theksuar vëzhgueshmërinë themelore të rrezatimit të vendosur brenda; vrima, për shembull, mund të mbyllet plotësisht dhe të hapet shpejt vetëm kur ekuilibri është tashmë vendoset dhe matja po kryhet).
2. Ligji i rrezatimit i Kirchhoff - ligji fizik, themeluar nga fizikani gjerman Kirchhoff në 1859. NË formulim modern ligji është 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 e tyre, përbërjen kimike e kështu me radhë.
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:
Sipas përkufizimit, një trup absolutisht i zi thith të gjithë rrezatimin që bie mbi të, domethënë për të. Prandaj, funksioni përkon me emetimin e një trupi absolutisht të zi, i përshkruar nga ligji Stefan-Boltzmann, si rezultat i të cilit emetimi i çdo trupi mund të gjendet vetëm në bazë të aftësisë së tij absorbuese.
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: Fuqia e rrezatimit të një trupi absolutisht të zi është drejtpërdrejt proporcionale me sipërfaqen dhe fuqinë e katërt të temperaturës së trupit: P = Sεσ T 4, ku ε është shkalla e emetimit (për të gjitha substancat ε< 1, для абсолютно черного тела ε = 1).
Duke përdorur ligjin e Plankut për rrezatimin, konstanta σ mund të përkufizohet si ku është konstanta e Plankut, k - konstante Boltzmann, c- shpejtësia e dritës.
Vlera numerike J s −1 m −2 K −4 .
Fizikani gjerman W. Wien (1864-1928), duke u mbështetur në ligjet e termo- dhe elektrodinamikës, vendosi varësinë e gjatësisë së valës l max që korrespondon me maksimumin e funksionit. r l , T , në temperaturë T. Sipas Ligji i zhvendosjes në Wien,l max =b/T
dmth gjatësia e valës l max që korrespondon vlera maksimale dendësia spektrale e shkëlqimit energjetik r l, T trupi i zi është në përpjesëtim të zhdrejtë me të temperatura termodinamike, b- Faji i vazhdueshëm: ajo vlera eksperimentale barazohet me 2.9 10 -3 m K. Prandaj shprehja (199.2) quhet ligj kompensimet Faji është se tregon një zhvendosje në pozicionin e maksimumit të funksionit r l, T ndërsa temperatura rritet në rajonin e gjatësive të valëve të shkurtra. Ligji i Wien-it shpjegon pse, ndërsa temperatura e trupave të nxehtë ulet, rrezatimi me valë të gjata dominon gjithnjë e më shumë në spektrin e tyre (për shembull, tranzicioni nxehtësia e bardhë bëhet e kuqe kur metali ftohet).
Pavarësisht se ligjet Stefan-Boltzmann dhe Wien luajnë, në teorinë e rrezatimit termik rol të rëndësishëm, janë ligje të veçanta, pasi nuk japin një pamje të përgjithshme të shpërndarjes së energjisë mbi frekuenca në temperatura të ndryshme.
3. Lërini muret e kësaj zgavër të reflektojnë plotësisht dritën që bie mbi to. Le të vendosim një trup në zgavër që do të lëshojë energji drite. Një fushë elektromagnetike do të shfaqet brenda zgavrës dhe, në fund të fundit, ajo do të mbushet me rrezatim në një gjendje ekuilibri termik me trupin. Ekuilibri do të ndodhë edhe në rastin kur në një farë mënyre shkëmbimi i nxehtësisë së trupit në studim me mjedisin rrethues eliminohet plotësisht (për shembull, këtë eksperiment mendor do ta kryejmë në vakum, kur nuk ka fenomene të përcjellshmërisë termike dhe konvekcioni). Vetëm përmes proceseve të emetimit dhe thithjes së dritës do të ndodhë domosdoshmërisht ekuilibri: trupi që lëshon do të ketë një temperaturë e barabartë me temperaturën rrezatimi elektromagnetik që mbush në mënyrë izotropike hapësirën brenda zgavrës dhe secila pjesë e zgjedhur e sipërfaqes së trupit do të lëshojë aq energji për njësi të kohës sa thith. Në këtë rast, ekuilibri duhet të ndodhë pavarësisht nga vetitë e trupit të vendosur brenda një zgavër të mbyllur, të cilat, megjithatë, ndikojnë në kohën që duhet për të vendosur ekuilibrin. Dendësia e energjisë e fushës elektromagnetike në zgavër, siç do të tregohet më poshtë, në një gjendje ekuilibri përcaktohet vetëm nga temperatura.
Për të karakterizuar rrezatimin termik të ekuilibrit, është e rëndësishme jo vetëm dendësia e madhe energjinë, por edhe shpërndarjen e kësaj energjie në të gjithë spektrin. Prandaj, ne do të karakterizojmë rrezatimin e ekuilibrit që mbush në mënyrë izotropike hapësirën brenda zgavrës duke përdorur funksionin u ω - spektrale dendësia e rrezatimit, dmth. energji mesatare njësi vëllimore fushë elektromagnetike, e shpërndarë në intervalin e frekuencës nga ω në ω + δω dhe e lidhur me vlerën e këtij intervali. Padyshim kuptimi uω duhet të varet ndjeshëm nga temperatura, kështu që ne e shënojmë atë u(ω, T). Dendësia totale e energjisë U(T) lidhet me u(ω, T) formula.
Në mënyrë rigoroze, koncepti i temperaturës është i zbatueshëm vetëm për rrezatimin termik të ekuilibrit. Në kushte ekuilibri, temperatura duhet të mbetet konstante. Sidoqoftë, koncepti i temperaturës shpesh përdoret gjithashtu për të karakterizuar trupat inkandeshentë që nuk janë në ekuilibër me rrezatimin. Për më tepër, me një ndryshim të ngadaltë në parametrat e sistemit, në çdo periudhë të caktuar kohore është e mundur të karakterizohet temperatura e tij, e cila do të ndryshojë ngadalë. Kështu, për shembull, nëse nuk ka fluks nxehtësie dhe rrezatimi është për shkak të një rënie të energjisë së trupit të ndritshëm, atëherë temperatura e tij gjithashtu do të ulet.
Le të vendosim një lidhje midis emetimit të një trupi plotësisht të zi dhe dendësisë spektrale të rrezatimit të ekuilibrit. Për ta bërë këtë, ne llogarisim incidentin e rrjedhës së energjisë në një zonë të vetme të vendosur brenda një zgavër të mbyllur të mbushur me energji elektromagnetike. dendësi mesatare U ω . Le të bjerë rrezatimi në një sipërfaqe njësi në drejtimin e përcaktuar nga këndet θ dhe ϕ (Fig. 6a) brenda këndit të ngurtë dΩ:
Meqenëse rrezatimi i ekuilibrit është izotropik, një fraksion që përhapet në një kënd të caktuar të ngurtë është i barabartë me energjinë totale që mbush zgavrën. Rrjedha e energjisë elektromagnetike që kalon nëpër një njësi sipërfaqe për njësi të kohës
Duke zëvendësuar dΩ shprehje dhe duke integruar mbi ϕ brenda kufijve (0, 2π) dhe mbi θ brenda kufijve (0, π/2), marrim rrjedhje e plotë incidenti energjetik në një sipërfaqe të njësisë:
Natyrisht, në kushte ekuilibri është e nevojshme të barazohet shprehja (13) e emetimit të një trupi absolutisht të zi rω, duke karakterizuar fluksin e energjisë të emetuar nga platforma në një interval frekuence njësi afër ω:
Kështu, tregohet se emetimi i një trupi plotësisht të zi, deri në një faktor c/4, përkon me dendësinë spektrale të rrezatimit ekuilibër. Barazia (14) duhet të plotësohet për çdo komponent spektral të rrezatimit, prandaj rrjedh se f(ω, T)= u(ω, T) (15)
Si përfundim, theksojmë se rrezatimi i një trupi të zi absolut (për shembull, drita e emetuar nga një vrimë e vogël në një zgavër) nuk do të jetë më në ekuilibër. Në veçanti, ky rrezatim nuk është izotropik, pasi nuk përhapet në të gjitha drejtimet. Por shpërndarja e energjisë mbi spektrin për një rrezatim të tillë do të përkojë me dendësinë spektrale të rrezatimit të ekuilibrit që mbush në mënyrë izotropike hapësirën brenda zgavrës. Kjo na lejon të përdorim relacionin (14), i cili është i vlefshëm në çdo temperaturë. Asnjë burim tjetër drite nuk ka një shpërndarje të ngjashme të energjisë në të gjithë spektrin. Për shembull, një shkarkesë elektrike në gazra ose një shkëlqim nën ndikimin e reaksionet kimike ka spektra dukshëm të ndryshëm nga shkëlqimi i një trupi krejtësisht të zi. Shpërndarja e energjisë në të gjithë spektrin e trupave inkandeshentë gjithashtu ndryshon dukshëm nga shkëlqimi i një trupi absolutisht të zi, i cili ishte më i lartë duke krahasuar spektrat e një burimi të zakonshëm drite (llambë inkandeshente me një filament tungsteni) dhe një trup absolutisht të zi.
4. Bazuar në ligjin e shpërndarjes së barabartë të energjisë në shkallët e lirisë: për secilën lëkundje elektromagnetike energjia mesatare është shuma e dy pjesëve kT. Një gjysmë kontribuon nga komponenti elektrik i valës, dhe i dyti nga komponenti magnetik. Në vetvete, rrezatimi i ekuilibrit në një zgavër mund të përfaqësohet si një sistem valët në këmbë. Numri i valëve në këmbë në hapësirë tredimensionale jepet me shprehjen:
Në rastin tonë, shpejtësia v duhet të vendosen të barabartë c, për më tepër, dy valë elektromagnetike me të njëjtën frekuencë, por me polarizime reciproke pingule, mund të lëvizin në të njëjtin drejtim, atëherë (1) përveç kësaj duhet të shumëzohet me dy:
Pra, Rayleigh dhe Jeans, energjia iu caktua çdo vibrimi. Duke shumëzuar (2) me , marrim densitetin e energjisë që bie në intervalin e frekuencës dω:
Njohja e marrëdhënies midis emetimit të një trupi plotësisht të zi f(ω, T) me dendësi ekuilibër të energjisë së rrezatimit termik, për f(ω, T) gjejmë: Quhen shprehjet (3) dhe (4). Formula Rayleigh-Jeans.
Formulat (3) dhe (4) janë në përputhje të kënaqshme me të dhënat eksperimentale vetëm për gjatësi vale të gjata, në më shumë valë të shkurtra marrëveshja me eksperimentin është shumë në kundërshtim. Për më tepër, integrimi (3) mbi ω në rangun nga 0 në për densitetin e energjisë ekuilibër u(T) jep pafundësisht vlerë të madhe. Ky rezultat, i quajtur fatkeqësi ultravjollcë, padyshim kundërshton eksperimentin: ekuilibri ndërmjet rrezatimit dhe trupit rrezatues duhet të vendoset kur vlerat përfundimtare u(T).
Fatkeqësi ultravjollcë - term fizik, duke përshkruar paradoksin fizikës klasike, që konsiston në faktin se fuqi të plotë Rrezatimi termik i çdo trupi të nxehtë duhet të jetë i pafund. Paradoksi mori emrin e tij për shkak të faktit se densiteti i fuqisë spektrale të rrezatimit duhet të ishte rritur pafundësisht ndërsa gjatësia e valës shkurtohej. Në thelb, ky paradoks tregoi, nëse jo mospërputhje e brendshme fizikës klasike, atëherë në çdo rast një mospërputhje jashtëzakonisht e mprehtë (absurde) me vëzhgime elementare dhe eksperiment.
5. Hipoteza e Plankut- një hipotezë e paraqitur më 14 dhjetor 1900 nga Max Planck dhe e cila thotë se gjatë rrezatimit termik energjia emetohet dhe absorbohet jo vazhdimisht, por në kuante (porcione të veçanta). Çdo pjesë e tillë kuantike ka energji , proporcionale me frekuencën ν rrezatimi:
Ku h ose - koeficienti i proporcionalitetit, i quajtur më vonë konstanta e Planck-ut. Bazuar në këtë hipotezë, ai propozoi një derivim teorik të marrëdhënies midis temperaturës së një trupi dhe rrezatimit të emetuar nga ky trup - formula e Planck-ut.
formula e Planck-ut- shprehje për densitetin e fuqisë spektrale të rrezatimit të trupit të zi, e cila është marrë nga Max Planck. Për densitetin e energjisë së rrezatimit u(ω, T):
Formula e Planck-ut u mor pasi u bë e qartë se formula Rayleigh-Jeans përshkruan në mënyrë të kënaqshme rrezatimin vetëm në rajon valë të gjata. Për të nxjerrë formulën, Planck në vitin 1900 bëri supozimin se rrezatimi elektromagnetik emetohet në formën e pjesëve individuale të energjisë (kuanta), madhësia e të cilave lidhet me frekuencën e rrezatimit me shprehjen:
Koeficienti i proporcionalitetit u quajt më pas konstanta e Planck-ut, = 1,054 · 10 −27 erg s.
Për të shpjeguar vetitë e rrezatimit termik, ishte e nevojshme të prezantohej koncepti i emetimit të rrezatimit elektromagnetik në pjesë (kuante). Natyra kuantike e rrezatimit konfirmohet gjithashtu nga ekzistenca e një kufiri me gjatësi vale të shkurtër në spektrin e rrezeve X bremsstrahlung.
Rrezatimi me rreze X ndodh kur objektivat e ngurta bombardohen nga elektrone të shpejta Këtu anoda përbëhet nga W, Mo, Cu, Pt - metale të rënda zjarrduruese ose me përçueshmëri të lartë termike. Vetëm 1–3% e energjisë së elektronit përdoret për rrezatim, pjesa tjetër lirohet në anodë në formën e nxehtësisë, kështu që anodat ftohen me ujë. Pasi në substancën anodë, elektronet përjetojnë frenim i fortë dhe të bëhet burim valët elektromagnetike(rrezet X).
Shpejtësia fillestare elektroni që godet anodën përcaktohet nga formula:
Ku U– tension përshpejtues.
>Emetimi i dukshëm vërehet vetëm me një ngadalësim të mprehtë të elektroneve të shpejta, duke filluar nga U~ 50 kV, ndërsa ( Me- shpejtësia e dritës). Në përshpejtuesit e elektroneve me induksion - betatronet, elektronet marrin energji deri në 50 MeV, = 0,99995 Me. Duke i drejtuar elektrone të tilla në një objektiv të fortë, ne marrim rrezatimi me rreze x me një gjatësi vale të shkurtër. Ky rrezatim ka fuqi të madhe depërtuese. Sipas elektrodinamika klasike Kur një elektron ngadalësohet, duhet të shfaqet rrezatimi i të gjitha gjatësive valore nga zero në pafundësi. Gjatësia e valës në të cilën ndodh fuqia maksimale e rrezatimit duhet të ulet me rritjen e shpejtësisë së elektronit. Megjithatë ka dallimi themelor nga teoria klasike: shpërndarjet e energjisë zero nuk shkojnë në origjinë, por shkëputen në vlera të fundme - kjo është Fundi me gjatësi vale të shkurtër të spektrit të rrezeve X.
Është vërtetuar eksperimentalisht se
Ekzistenca e një kufiri me valë të shkurtër rrjedh drejtpërdrejt nga natyra kuantike rrezatimi. Në të vërtetë, nëse rrezatimi ndodh për shkak të energjisë së humbur nga elektroni gjatë frenimit, atëherë energjia e kuantit nuk mund të kalojë energjinë e elektronit. eU, d.m.th. , nga këtu ose .
Në këtë eksperiment ne mund të përcaktojmë konstantën e Planck-ut h. Nga të gjitha metodat për përcaktimin e konstantës së Planck-ut, metoda e bazuar në matjen e kufirit me gjatësi vale të shkurtër të spektrit bremsstrahlung të rrezeve X është më e sakta.
7. Efekt foto- ky është emetimi i elektroneve nga një substancë nën ndikimin e dritës (dhe, në përgjithësi, çdo rrezatim elektromagnetik). Në substancat e kondensuar (të ngurta dhe të lëngshme), ekziston një efekt fotoelektrik i jashtëm dhe i brendshëm.
Ligjet e efektit fotoelektrik:
Formulimi Ligji i parë i efektit fotoelektrik: numri i elektroneve të emetuara nga drita nga sipërfaqja e një metali për njësi të kohës në një frekuencë të caktuar është drejtpërdrejt proporcional fluksi ndriçues, duke ndriçuar metalin.
Sipas Ligji i dytë i efektit fotoelektrik, maksimale energjia kinetike elektronet e emetuara nga drita rriten në mënyrë lineare me frekuencën e dritës dhe nuk varen nga intensiteti i saj.
Ligji i tretë i efektit fotoelektrik: për secilën substancë ekziston një kufi i kuq i efektit fotoelektrik, domethënë frekuenca minimale e dritës ν 0 (ose gjatësia maksimale vala λ 0), në të cilën efekti fotoelektrik është ende i mundur, dhe nëse ν 0, atëherë efekti fotoelektrik nuk ndodh më.
Shpjegimi teorik Këto ligje u dhanë në vitin 1905 nga Ajnshtajni. Sipas tij, rrezatimi elektromagnetik është një rrjedhë kuantesh individuale (fotone) me energji hν secila, ku h është konstanta e Planck-ut. Me efektin fotoelektrik, një pjesë e rrezatimit elektromagnetik të rënë reflektohet nga sipërfaqja metalike, dhe një pjesë depërton në shtresën sipërfaqësore të metalit dhe përthithet atje. Pasi ka thithur një foton, elektroni merr energji prej tij dhe, duke kryer një funksion pune, largohet nga metali: hν = Një jashtë + Ne e, Ku Ne e- energjia kinetike maksimale që mund të ketë një elektron kur largohet nga metali.
Nga ligji i ruajtjes së energjisë, kur përfaqësohet drita në formën e grimcave (fotone), formula e Ajnshtajnit për efektin fotoelektrik vijon: hν = Një jashtë + Ek
Ku Një jashtë- të ashtuquajturat funksioni i punës (energjia minimale e nevojshme për të hequr një elektron nga një substancë), Ek është energjia kinetike e elektronit të emetuar (në varësi të shpejtësisë, energjia kinetike e një grimce relativiste mund të llogaritet ose jo), ν është frekuenca të fotonit të rënë me energji hν, h- Konstante e Planck-ut.
Funksioni i punës- diferenca midis energjisë minimale (zakonisht e matur në elektron volt) që duhet t'i jepet një elektroni në mënyrë që ai të hiqet "drejtpërsëdrejti" nga vëllimi të ngurta, dhe energjia Fermi.
Kufiri "i kuq" i efektit fotografik- frekuenca minimale ose gjatësia valore maksimale λ maksimumi drita, në të cilën efekti i jashtëm fotoelektrik është ende i mundur, domethënë energjia kinetike fillestare e fotoelektroneve më i madh se zero. Frekuenca varet vetëm nga funksioni i daljes Një jashtë elektron: , ku Një jashtë- funksioni i punës për një fotokatodë specifike, hështë konstante e Plankut, dhe Me- shpejtësia e dritës. Funksioni i punës Një jashtë varet nga materiali i fotokatodës dhe gjendja e sipërfaqes së saj. Emetimi i fotoelektroneve fillon sapo drita e frekuencës ose e gjatësisë valore λ bie në fotokatodë.
Rrezatimi termik i trupave është rrezatim elektromagnetik që rrjedh nga ajo pjesë e energjisë së brendshme të trupit, e cila shoqërohet me lëvizjen termike të grimcave të saj.
Karakteristikat kryesore të rrezatimit termik të trupave të ngrohur në një temperaturë T janë:
1. Energjisë ndriçimiR (T ) -sasia e energjisë e emetuar për njësi të kohës nga një njësi sipërfaqe e një trupi, në të gjithë diapazonin e gjatësisë valore. Varet nga temperatura, natyra dhe gjendja e sipërfaqes trup rrezatues. Në sistemin SI R ( T ) ka një dimension [W/m2].
2. Dendësia spektrale e shkëlqimit energjetikr ( ,T) =dW/ d - sasia e energjisë e emetuar nga një njësi sipërfaqe e një trupi për njësi të kohës në një interval njësi të gjatësisë valore (afër gjatësisë valore në fjalë ). Ato. kjo sasi numerikisht është e barabartë me raportin e energjisë dW, emetuar nga një njësi sipërfaqe për njësi të kohës në një gamë të ngushtë gjatësi vale nga te +d , në gjerësinë e këtij intervali. Varet nga temperatura e trupit, gjatësia e valës, si dhe nga natyra dhe gjendja e sipërfaqes së trupit që lëshon. Në sistemin SI r( , T) ka një dimension [W/m 3].
Shkëlqim energjik R(T) lidhur me dendësinë spektrale të shkëlqimit energjetik r( , T) si më poshtë:
(1) [W/m2]
3. Të gjithë trupat jo vetëm që lëshojnë, por edhe thithin valë elektromagnetike që bien në sipërfaqen e tyre. Për të përcaktuar aftësinë absorbuese të trupave në lidhje me valët elektromagnetike të një gjatësi vale të caktuar, është paraqitur koncepti koeficienti i absorbimit monokromatik-raporti i madhësisë së energjisë së një vale monokromatike të përthithur nga sipërfaqja e një trupi me madhësinë e energjisë së valës monokromatike rënëse:
(2)
Koeficienti i absorbimit monokromatik është një sasi pa dimension që varet nga temperatura dhe gjatësia e valës. Ai tregon se çfarë fraksioni të energjisë së një vale monokromatike rënëse absorbohet nga sipërfaqja e trupit. Vlera ( , T) mund të marrë vlera nga 0 në 1.
Rrezatimi në mënyrë adiabatike sistem i mbyllur(moskëmbimi i nxehtësisë me mjedisin e jashtëm) quhet ekuilibër. Nëse krijoni një vrimë të vogël në murin e zgavrës, gjendja e ekuilibrit do të ndryshojë pak dhe rrezatimi që del nga zgavra do të korrespondojë me rrezatimin e ekuilibrit.
Nëse një rreze drejtohet në një vrimë të tillë, atëherë pas reflektimeve të përsëritura dhe thithjes në muret e zgavrës, ajo nuk do të jetë në gjendje të dalë përsëri. Kjo do të thotë se për një vrimë të tillë koeficienti i absorbimit ( , T) = 1.
Zgavra e konsideruar e mbyllur me një vrimë të vogël shërben si një nga modelet trup absolutisht i zi.
Trup absolutisht i ziështë një trup që thith të gjithë rrezatimin që bie mbi të, pavarësisht nga drejtimi i rrezatimit rënës, përbërja spektrale dhe polarizimi i tij (pa reflektuar apo transmetuar asgjë).
Për një trup krejtësisht të zi, densiteti i shkëlqimit spektral është një funksion universal i gjatësisë së valës dhe temperaturës f( , T) dhe nuk varet nga natyra e tij.
Të gjithë trupat në natyrë reflektojnë pjesërisht rrezatim që ka rënë në sipërfaqen e tyre dhe për këtë arsye nuk klasifikohen si trupa të zinj absolut. Nëse koeficienti i përthithjes monokromatik i një trupi është i njëjtë për të gjitha gjatësitë valore dhe më paknjësi(( , T) = Т =konst<1),atëherë një trup i tillë quhet gri. Koeficienti i përthithjes monokromatik i një trupi gri varet vetëm nga temperatura e trupit, natyra e tij dhe gjendja e sipërfaqes së tij.
Kirchhoff tregoi se për të gjithë trupat, pavarësisht nga natyra e tyre, raporti i densitetit spektral të ndriçimit të energjisë me koeficientin e përthithjes monokromatike është i njëjti funksion universal i gjatësisë së valës dhe temperaturës. f( , T) , e njëjtë me dendësinë spektrale të shkëlqimit të energjisë së një trupi krejtësisht të zi :
(3)
Ekuacioni (3) paraqet ligjin e Kirchhoff-it.
Ligji i Kirchhoff-it mund të formulohet në këtë mënyrë: për të gjithë trupat e sistemit që janë në ekuilibër termodinamik, raporti i densitetit spektral të ndriçimit të energjisë me koeficientin absorbimi monokromatik nuk varet nga natyra e trupit, është i njëjti funksion për të gjithë trupat, në varësi të gjatësisë së valës. dhe temperatura T.
Nga sa më sipër dhe formula (3) është e qartë se në një temperaturë të caktuar ata trupa gri që kanë një koeficient të madh absorbimi lëshojnë më fort, dhe trupat absolutisht të zinj lëshojnë më fort. Meqenëse për një trup absolutisht të zi( , T)=1, atëherë nga formula (3) del se funksioni universal f( , T) përfaqëson densitetin e ndriçimit spektral të një trupi të zi
Shkëlqimi energjetik i trupit R T, është numerikisht i barabartë me energjinë W, emetuar nga trupi në të gjithë gamën e gjatësisë valore (0
Emisioni i trupit rl, T numerikisht e barabartë me energjinë e trupit dWl, emetuar nga një trup nga një njësi e sipërfaqes së trupit, për njësi të kohës në temperaturën e trupit T, në intervalin e gjatësisë valore nga l në l +dl, ato.
(2)
Kjo sasi quhet edhe dendësia spektrale e shkëlqimit të energjisë së trupit.
Shkëlqimi energjetik lidhet me emetim sipas formulës
(3)
Absorbueshmëria trupi al, T- një numër që tregon se çfarë fraksioni i energjisë së rrezatimit që ka rënë në sipërfaqen e një trupi absorbohet prej tij në intervalin e gjatësisë së valës nga l në l +dl, ato.
Trupi për të cilin al ,T =1 mbi të gjithë diapazonin e gjatësisë valore quhet trup i zi absolut (BLB).
Trupi për të cilin al ,T =konst<1 mbi të gjithë diapazonin e gjatësisë valore quhet gri.
ku- dendësia spektrale shkëlqimi energjik, ose emetimi i trupit .
Përvoja tregon se emetimi i një trupi varet nga temperatura e trupit (për çdo temperaturë rrezatimi maksimal qëndron në diapazonin e vet të frekuencës). Dimensioni .
Duke ditur emetueshmërinë, ne mund të llogarisim shkëlqimin energjetik:
thirrur kapaciteti absorbues i trupit . Gjithashtu varet shumë nga temperatura.
Sipas përkufizimit, nuk mund të jetë më i madh se një. Për një trup që thith plotësisht rrezatimin e të gjitha frekuencave,. Një trup i tillë quhet absolutisht e zezë (ky është një idealizim).
Një trup për të cilin dhe është më pak se uniteti për të gjitha frekuencat,thirrur trup gri (edhe ky eshte nje idealizim).
Ekziston një lidhje e caktuar midis aftësisë emetuese dhe absorbuese të një trupi. Le të kryejmë mendërisht eksperimentin e mëposhtëm (Fig. 1.1).
Oriz. 1.1
Le të ketë tre trupa brenda një guaskë të mbyllur. Trupat janë në vakum, prandaj shkëmbimi i energjisë mund të ndodhë vetëm përmes rrezatimit. Përvoja tregon se një sistem i tillë, pas njëfarë kohe, do të arrijë një gjendje ekuilibri termik (të gjithë trupat dhe guaska do të kenë të njëjtën temperaturë).
Në këtë gjendje, një trup me emetim më të madh humbet më shumë energji për njësi të kohës, por, për rrjedhojë, ky trup duhet të ketë gjithashtu kapacitet më të madh absorbues:
Gustav Kirchhoff formuluar në 1856 ligji dhe sugjeroi model trupi i zi .
Raporti i emetimit ndaj absorbimit nuk varet nga natyra e trupit, ai është i njëjtë për të gjithë trupat(universale)funksioni i frekuencës dhe temperaturës.
| , | (1.2.3) |
ku - funksioni universal Kirchhoff.
Ky funksion ka një karakter universal, ose absolut.
Sasitë vetë dhe, të marra veçmas, mund të ndryshojnë jashtëzakonisht fuqishëm kur lëvizin nga një trup në tjetrin, por raporti i tyre vazhdimisht për të gjithë trupat (në një frekuencë dhe temperaturë të caktuar).
Për një trup absolutisht të zi, pra, për të, d.m.th. Funksioni universal Kirchhoff nuk është asgjë më shumë se emetimi i një trupi krejtësisht të zi.
Trupat absolutisht të zinj nuk ekzistojnë në natyrë. Bloza ose platini i zi ka kapacitet absorbues, por vetëm në një gamë të kufizuar frekuence. Megjithatë, një zgavër me një vrimë të vogël është shumë afër në vetitë e saj me një trup krejtësisht të zi. Një rreze që futet brenda thithet domosdoshmërisht pas reflektimeve të shumta, dhe një rreze e çdo frekuence (Fig. 1.2).
Oriz. 1.2
Emisionueshmëria e një pajisjeje të tillë (zgavër) është shumë afër f(ν, ,T). Kështu, nëse muret e zgavrës mbahen në një temperaturë T, atëherë rrezatimi del nga vrima, shumë afër në përbërjen spektrale me rrezatimin e një trupi absolutisht të zi në të njëjtën temperaturë.
Duke e zbërthyer këtë rrezatim në një spektër, mund të gjendet forma eksperimentale e funksionit f(ν, ,T)(Fig. 1.3), në temperatura të ndryshme T 3 > T 2 > T 1 .
Oriz. 1.3
Zona e mbuluar nga kurba jep shkëlqimin energjetik të një trupi të zi në temperaturën përkatëse.
Këto kthesa janë të njëjta për të gjithë trupat.
Lakoret janë të ngjashme me funksionin e shpërndarjes së shpejtësisë molekulare. Por atje zonat e mbuluara nga kthesat janë konstante, por këtu me rritjen e temperaturës sipërfaqja rritet ndjeshëm. Kjo sugjeron që përputhshmëria energjetike varet shumë nga temperatura. Rrezatimi maksimal (emisiviteti) me rritjen e temperaturës ndërrime drejt frekuencave më të larta.
Ligjet e rrezatimit termik
Çdo trup i nxehtë lëshon valë elektromagnetike. Sa më e lartë të jetë temperatura e trupit, aq më të shkurtra janë valët që lëshon. Një trup në ekuilibër termodinamik me rrezatimin e tij quhet absolutisht e zezë (ACHT). Rrezatimi i një trupi krejtësisht të zi varet vetëm nga temperatura e tij. Në vitin 1900, Max Planck nxori një formulë me të cilën, në një temperaturë të caktuar të një trupi absolutisht të zi, mund të llogaritet intensiteti i rrezatimit të tij.
Fizikanët austriakë Stefan dhe Boltzmann vendosën një ligj që shpreh marrëdhënien sasiore midis emetimit total dhe temperaturës së një trupi të zi:
Ky ligj quhet Ligji Stefan-Boltzmann . Konstanta σ = 5,67∙10 –8 W/(m 2 ∙K 4) quhet Konstanta Stefan–Boltzmann .
Të gjitha kthesat e Planck kanë një maksimum të theksuar dukshëm në gjatësinë e valës
|
Ky ligj u quajt Ligji i Vjenës . Kështu, për Diellin T 0 = 5,800 K, dhe maksimumi ndodh në gjatësinë e valës λ max ≈ 500 nm, që korrespondon me ngjyrën e gjelbër në intervalin optik.
Me rritjen e temperaturës, rrezatimi maksimal i një trupi krejtësisht të zi zhvendoset në pjesën me gjatësi vale më të shkurtër të spektrit. Një yll më i nxehtë emeton pjesën më të madhe të energjisë së tij në rrezet ultravjollcë, ndërsa një yll më i ftohtë lëshon pjesën më të madhe të energjisë në rrezet infra të kuqe.
Efekt fotografik. Fotonet
Efekti fotoelektrik u zbulua në 1887 nga fizikani gjerman G. Hertz dhe u studiua eksperimentalisht nga A. G. Stoletov në 1888-1890. Studimi më i plotë i fenomenit të efektit fotoelektrik u krye nga F. Lenard në vitin 1900. Në këtë kohë, elektroni ishte zbuluar tashmë (1897, J. Thomson), dhe u bë e qartë se efekti fotoelektrik (ose më shumë pikërisht, fotoefekti i jashtëm) konsiston në nxjerrjen e elektroneve nga një substancë nën ndikimin e dritës që bie mbi të.
Diagrami i konfigurimit eksperimental për studimin e efektit fotoelektrik është paraqitur në Fig. 5.2.1.
Eksperimentet përdorën një shishe qelqi me vakum me dy elektroda metalike, sipërfaqja e së cilës u pastrua tërësisht. Njëfarë tensioni u aplikua në elektroda U, polariteti i të cilit mund të ndryshohet duke përdorur një çelës të dyfishtë. Njëra prej elektrodave (katoda K) u ndriçua përmes një dritareje kuarci me dritë monokromatike me një gjatësi vale të caktuar λ. Me një fluks të vazhdueshëm ndriçues, u mor varësia e forcës së fotorrymës I nga tensioni i aplikuar. Në Fig. Figura 5.2.2 tregon kthesa tipike të një varësie të tillë, të marra në dy vlera të intensitetit të fluksit të dritës që bie në katodë.
Lakoret tregojnë se në tensione mjaft të mëdha pozitive në anodin A, fotorryma arrin ngopjen, pasi të gjitha elektronet e nxjerra nga katoda nga drita arrijnë në anodë. Matjet e kujdesshme treguan se rryma e ngopjes I n është drejtpërdrejt proporcionale me intensitetin e dritës rënëse. Kur voltazhi në anodë është negativ, fusha elektrike midis katodës dhe anodës pengon elektronet. Vetëm ato elektrone, energjia kinetike e të cilëve tejkalon | eU|. Nëse voltazhi në anodë është më i vogël se - U h, fotorryma ndalon. Matja U h, mund të përcaktojmë energjinë kinetike maksimale të fotoelektroneve:
Eksperimentues të shumtë kanë vendosur parimet themelore të mëposhtme të efektit fotoelektrik:
- Energjia kinetike maksimale e fotoelektroneve rritet në mënyrë lineare me rritjen e frekuencës së dritës ν dhe nuk varet nga intensiteti i saj.
- Për çdo substancë ekziston një i ashtuquajtur kufiri i efektit të fotos së kuqe , pra frekuenca më e ulët ν min në të cilën efekti i jashtëm fotoelektrik është ende i mundur.
- Numri i fotoelektroneve të emetuara nga drita nga katoda në 1 s është drejtpërdrejt proporcional me intensitetin e dritës.
- Efekti fotoelektrik është praktikisht pa inercion, fotorryma ndodh menjëherë pas fillimit të ndriçimit të katodës, me kusht që frekuenca e dritës ν > ν min.
Të gjitha këto ligje të efektit fotoelektrik kundërshtuan rrënjësisht idetë e fizikës klasike për ndërveprimin e dritës me lëndën. Sipas koncepteve të valës, kur bashkëvepron me një valë drite elektromagnetike, një elektron do të grumbullonte gradualisht energji dhe do të duhej një sasi e konsiderueshme kohe, në varësi të intensitetit të dritës, që elektroni të grumbullonte energji të mjaftueshme për të fluturuar jashtë katodë. Siç tregojnë llogaritjet, kjo kohë duhet të llogaritet në minuta ose orë. Sidoqoftë, përvoja tregon se fotoelektronet shfaqen menjëherë pas fillimit të ndriçimit të katodës. Në këtë model ishte gjithashtu e pamundur të kuptohej ekzistenca e kufirit të kuq të efektit fotoelektrik. Teoria valore e dritës nuk mund të shpjegonte pavarësinë e energjisë së fotoelektroneve nga intensiteti i fluksit të dritës dhe proporcionaliteti i energjisë maksimale kinetike me frekuencën e dritës.
Kështu, teoria elektromagnetike e dritës nuk ishte në gjendje të shpjegonte këto modele.
Zgjidhja u gjet nga A. Ajnshtajni në vitin 1905. Një shpjegim teorik i ligjeve të vëzhguara të efektit fotoelektrik u dha nga Ajnshtajni bazuar në hipotezën e M. Planck se drita emetohet dhe absorbohet në pjesë të caktuara, dhe energjia e secilit prej tyre. pjesa përcaktohet nga formula E = hν, ku h- Konstantja e Planck-ut. Ajnshtajni ndërmori hapin tjetër në zhvillimin e koncepteve kuantike. Ai arriti në përfundimin se drita ka një strukturë të ndërprerë (diskrete).. Një valë elektromagnetike përbëhet nga pjesë të veçanta - kuante, i quajtur më vonë fotone. Kur bashkëvepron me materien, një foton transferon plotësisht të gjithë energjinë e tij h asnjë elektron. Elektroni mund të shpërndajë një pjesë të kësaj energjie gjatë përplasjeve me atomet e materies. Përveç kësaj, një pjesë e energjisë së elektronit shpenzohet për tejkalimin e pengesës së mundshme në ndërfaqen metal-vakum. Për ta bërë këtë, elektroni duhet të kryejë një funksion pune A, në varësi të vetive të materialit katodik. Energjia kinetike maksimale që mund të ketë një fotoelektron i emetuar nga katoda përcaktohet nga ligji i ruajtjes së energjisë:
|
Kjo formulë zakonisht quhet Ekuacioni i Ajnshtajnit për efektin fotoelektrik .
Duke përdorur ekuacionin e Ajnshtajnit, mund të shpjegohen të gjitha ligjet e efektit të jashtëm fotoelektrik. Ekuacioni i Ajnshtajnit nënkupton një varësi lineare të energjisë maksimale kinetike nga frekuenca dhe pavarësia e intensitetit të dritës, ekzistenca e një kufiri të kuq dhe efekti fotoelektrik pa inerci. Numri total i fotoelektroneve që largohen nga sipërfaqja e katodës në 1 s duhet të jetë proporcional me numrin e fotoneve që bien në sipërfaqe gjatë së njëjtës kohë. Nga kjo rrjedh se rryma e ngopjes duhet të jetë drejtpërdrejt proporcionale me intensitetin e fluksit të dritës.
Siç del nga ekuacioni i Ajnshtajnit, tangjentja e këndit të prirjes së drejtëzës që shpreh varësinë e potencialit bllokues U z nga frekuenca ν (Fig. 5.2.3), e barabartë me raportin e konstantës së Planck-ut h ndaj ngarkesës së elektronit e:
Ku c– shpejtësia e dritës, λ cr – gjatësia e valës që korrespondon me kufirin e kuq të efektit fotoelektrik. Shumica e metaleve kanë një funksion pune Aështë disa elektron volt (1 eV = 1,602·10 –19 J). Në fizikën kuantike, elektron volt përdoret shpesh si një njësi energjie. Vlera e konstantës së Plankut, e shprehur në elektron volt për sekondë, është
Ndër metalet, elementët alkali kanë funksionin më të ulët të punës. Për shembull, natriumi A= 1,9 eV, që i përgjigjet kufirit të kuq të efektit fotoelektrik λ cr ≈ 680 nm. Prandaj, komponimet e metaleve alkali përdoren për të krijuar katoda në fotocelat , i projektuar për regjistrimin e dritës së dukshme.
Pra, ligjet e efektit fotoelektrik tregojnë se drita, kur emetohet dhe absorbohet, sillet si një rrymë grimcash të quajtura fotone ose kuantë të lehta .
Energjia e fotonit është
rrjedh se fotoni ka momentum
| |
Kështu, doktrina e dritës, pasi kishte përfunduar një revolucion që zgjati dy shekuj, u kthye përsëri në idetë e grimcave të dritës - korpuskulave.
Por ky nuk ishte një kthim mekanik në teorinë korpuskulare të Njutonit. Në fillim të shekullit të 20-të, u bë e qartë se drita ka një natyrë të dyfishtë. Kur drita përhapet, shfaqen vetitë e saj valore (ndërhyrje, difraksion, polarizim), dhe kur ajo ndërvepron me lëndën, shfaqen vetitë e saj korpuskulare (efekti fotoelektrik). Kjo natyrë e dyfishtë e dritës quhet dualiteti valë-grimcë . Më vonë, u zbulua natyra e dyfishtë e elektroneve dhe grimcave të tjera elementare. Fizika klasike nuk mund të sigurojë një model vizual të kombinimit të vetive valore dhe korpuskulare të mikro-objekteve. Lëvizja e mikro-objekteve nuk rregullohet nga ligjet e mekanikës klasike të Njutonit, por nga ligjet e mekanikës kuantike. Teoria e rrezatimit të trupit të zi e zhvilluar nga M. Planck dhe teoria kuantike e Ajnshtajnit për efektin fotoelektrik qëndron në bazën e kësaj shkence moderne.
.
EMISIONI DHE ABORBIMI I ENERGJISË
ATOMET DHE MOLEKULAT
PYETJE PËR KLASËN MBI TEMA:
1. Rrezatimi termik. Karakteristikat e tij kryesore: fluksi i rrezatimit Ф, ndriçimi i energjisë (intensiteti) R, dendësia spektrale e ndriçimit të energjisë r λ; koeficienti i përthithjes α, koeficienti i përthithjes monokromatik α λ. Trup absolutisht i zi. Ligji i Kirchhoff-it.
2. Spektrat e rrezatimit termik të a.ch.t. (orari). Natyra kuantike e rrezatimit termik (hipoteza e Planck; nuk ka nevojë të mbahet mend formula për ε λ). Varësia e spektrit të a.ch.t. mbi temperaturën (grafik). Ligji i verës. Ligji Stefan-Boltzmann për a.ch.t. (pa dalje) dhe për organet e tjera.
3. Struktura e predhave elektronike të atomeve. Nivelet e energjisë. Emetimi i energjisë gjatë kalimit ndërmjet niveleve të energjisë. formula e Bohr-it ( për frekuencën dhe për gjatësinë valore). Spektrat e atomeve. Spektri i një atomi hidrogjeni. Seri spektrale. Koncepti i përgjithshëm i spektrave të molekulave dhe lëndës së kondensuar (lëngët, trupat e ngurtë). Koncepti i analizës spektrale dhe përdorimi i saj në mjekësi.
4. Shkëlqimi. Llojet e lumineshencës. Fluoreshenca dhe fosforeshenca. Roli i niveleve metastabile. Spektrat e lumineshencës. Rregulli i Stokes. Analiza lumineshente dhe përdorimi i saj në mjekësi.
5. Ligji i përthithjes së dritës (ligji i Bouguer-it; përfundim). Transmetimi τ dhe dendësia optike D. Përcaktimi i përqendrimit të tretësirave me thithjen e dritës.
Puna laboratorike: “Regjistrimi i spektrit të përthithjes dhe përcaktimi i përqendrimit të tretësirës duke përdorur një fotoelektrokolorimetër”.
LITERATURA:
E detyrueshme: A.N. Remizov. "Fizika mjekësore dhe biologjike", M., "Shkolla e lartë", 1996, kap. 27, §§ 1–3; Kapitulli 29, §§ 1,2
shtesë: Emetimi dhe përthithja e energjisë nga atomet dhe molekulat, leksion, rizograf, bot. departamenti, 2002
PËRKUFIZIMET DHE FORMULA THEMELORE
1. Rrezatimi termik
Të gjithë trupat, edhe pa ndonjë ndikim të jashtëm, lëshojnë valë elektromagnetike. Burimi i energjisë për këtë rrezatim është lëvizja termike e grimcave që përbëjnë trupin, prandaj quhet rrezatimi termik. Në temperatura të larta (rreth 1000 K ose më shumë), ky rrezatim bie pjesërisht në intervalin e dritës së dukshme në temperatura më të ulëta, rrezet infra të kuqe emetohen dhe në temperatura shumë të ulëta, valët e radios.
Fluksi i rrezatimit F -
Kjo fuqia e rrezatimit të emetuar nga burimi, ose Energjia e rrezatimit të emetuar për njësi të kohës: Ф = Р = ; njësia e rrjedhës - vat. 
Shkëlqim energjik
R
- Kjo fluksi i rrezatimit të emetuar nga një sipërfaqe njësi e një trupi: 
;
njësia e shkëlqimit energjetik - W.m –2
.
Dendësia spektrale e shkëlqimit energjetik
r
λ
- Kjo raporti i shkëlqimit energjetik të një trupi brenda një intervali të vogël gjatësi vale (ΔR λ
)
në vlerën e këtij intervali Δ λ: 
Dimensioni r λ - W.m - 3
Trup absolutisht i zi (a.b.t.) quajtur t hëngri të cilatplotësisht thith rrezatimin e rënë. Nuk ka trupa të tillë në natyrë, por një model i mirë i një a.ch.t. është një vrimë e vogël në një zgavër të mbyllur.
Aftësia e trupave për të absorbuar rrezatimin e rënë karakterizon koeficienti i përthithjes α , pra raporti i fluksit të rrezatimit të përthithur ndaj incidentit:
.
Koeficienti i absorbimit monokromatik 
është vlera e koeficientit të përthithjes e matur në një interval të ngushtë spektral rreth një vlere të caktuar λ.
Ligji i Kirchhoff: në temperaturë konstante, raporti i densitetit spektral të shkëlqimit energjetik në një gjatësi vale të caktuar me koeficientin e përthithjes monokromatike në të njëjtën gjatësi vale e njëjta gjë për të gjithë trupat dhe është e barabartë me dendësinë spektrale të ndriçimit të energjisë së a.b.t. në këtë gjatësi vale:
(nganjëherë r λ A.Ch.T tregojnë ε λ)
Një trup plotësisht i zi thith dhe lëshon rrezatim të gjitha gjatësitë e valëve, Kjo është arsyeja pse spektri i a.h.t. gjithmonë solid. Lloji i këtij spektri varet nga temperatura e trupit. Me rritjen e temperaturës, së pari, shkëlqimi energjetik rritet ndjeshëm; së dyti, gjatësi vale që korrespondon me rrezatimin maksimal(λ
maksimumi )
,
zhvendoset drejt gjatësive valore më të shkurtra
:
, ku b ≈ 29090 µm.K -1 ( ligji i Vjenës).
Ligji Stefan-Boltzmann: ndriçimi energjetik i a.h.t. proporcionale me fuqinë e katërt të temperaturës së trupit në shkallën Kelvin: R = σT 4
2. Emetimi i energjisë nga atomet dhe molekulat
Siç dihet, në shtresën elektronike të një atomi, energjia e një elektroni mund të marrë vetëm vlera të përcaktuara rreptësisht, karakteristike të një atomi të caktuar. Me fjalë të tjera ata thonë se elektroni mund të gjendet vetëm në disanivelet e energjisë. Kur një elektron është në një nivel të caktuar energjetik, ai nuk e ndryshon energjinë e tij, domethënë nuk thith ose lëshon dritë. Kur lëviz nga një nivel në tjetrin energjia e elektronit ndryshon, dhe në të njëjtën kohë absorbohet ose emetohetkuantike drite (foton).Energjia e një kuantike është e barabartë me ndryshimin në energjitë e niveleve midis të cilave ndodh kalimi: E KUANTUM = hν = E n – E m ku n dhe m janë numra niveli (Formula Bohr).
Kalimet e elektroneve midis niveleve të ndryshmendodhin me probabilitete të ndryshme. Në disa raste, probabiliteti i tranzicionit është shumë afër zeros; vijat spektrale përkatëse nuk vërehen në kushte normale. Kalime të tilla quhen e ndaluar.
Në shumë raste, energjia e një elektroni nuk mund të shndërrohet në energji kuantike, por më tepër të shndërrohet në energjinë e lëvizjes termike të atomeve ose molekulave. Kalime të tilla quhen jo rrezatuese.
Përveç probabilitetit të tranzicionit, shkëlqimi i vijave spektrale është drejtpërdrejt proporcional me numrin e atomeve të substancës që lëshon. Kjo varësi qëndron në themel analiza sasiore spektrale.
3. Shkëlqimi
Lumineshencë telefononi ndonjë jo rrezatimi termik. Burimet e energjisë për këtë rrezatim mund të jenë të ndryshme në përputhje me rrethanat, flasin ata lloje të ndryshme të lumineshencës. Më të rëndësishmet prej tyre janë: kimilumineshencë– shkëlqim që shfaqet gjatë disa reaksioneve kimike; biolumineshencë– kjo është kimilumineshenca në organizmat e gjallë; katodolumineshencë - shkëlqejnë nën ndikimin e një rryme elektronesh, e cila përdoret në tubat e fotove televizive, tubat e rrezeve katodike, llambat e dritës së gazit etj.; elektrolumineshencë– shkëlqim që shfaqet në një fushë elektrike (më shpesh në gjysmëpërçuesit). Lloji më interesant i luminescencës është fotolumineshencë. Ky është një proces në të cilin atomet ose molekulat thithin dritën (ose rrezatimin UV) në një varg gjatësi vale dhe e lëshojnë atë në një tjetër (për shembull, ato thithin rrezet blu dhe lëshojnë ato të verdha). Në këtë rast, substanca thith kuantet me energji relativisht të lartë hν 0 (me një gjatësi vale të shkurtër). Atëherë elektroni mund të mos kthehet menjëherë në nivelin e tokës, por së pari të shkojë në nivelin e ndërmjetëm, dhe më pas në nivelin e tokës (mund të ketë disa nivele të ndërmjetme). Në shumicën e rasteve, disa tranzicione janë jo-rrezatuese, domethënë, energjia e elektronit shndërrohet në energjinë e lëvizjes termike. Prandaj, energjia e kuanteve e emetuar gjatë lumineshencës do të jetë më e vogël se energjia e kuantit të zhytur. Gjatësia e valës së dritës së emetuar duhet të jetë më e madhe se gjatësia e valës së dritës së përthithur. Nëse formulojmë sa më sipër në formë të përgjithshme, marrim ligji Stokes : spektri i lumineshencës zhvendoset drejt valëve më të gjata në krahasim me spektrin e rrezatimit që shkakton luminescencën.
Ekzistojnë dy lloje të substancave ndriçuese. Në disa, shkëlqimi ndalet pothuajse menjëherë pasi drita emocionuese është fikur. Kjo afatshkurtër shkëlqimi quhet fluoreshencë.
Në substancat e një lloji tjetër, pas fikjes së dritës emocionuese, shkëlqimi zbehet gradualisht(sipas ligjit eksponencial). Kjo afatgjatë shkëlqimi quhet fosforeshencë. Arsyeja e shkëlqimit të gjatë është se atomet ose molekulat e substancave të tilla përmbajnë nivele metastabile.Metastabile
Ky nivel energjie quhet në të cilat elektronet mund të qëndrojnë shumë më gjatë se në nivelet normale. Prandaj, kohëzgjatja e fosforeshencës mund të jetë minuta, orë dhe madje ditë.
4. Ligji i përthithjes së dritës (ligji i Bouguer-it)
Kur një fluks rrezatimi kalon nëpër një substancë, ai humbet një pjesë të energjisë së tij (energjia e absorbuar shndërrohet në nxehtësi). Ligji i përthithjes së dritës quhet Ligji i Bouguer: Ф = Ф 0 ∙ e – κ λ · L ,
ku Ф 0 është rryma rënëse, Ф është rrjedha që kalon nëpër një shtresë lënde me trashësi L; quhet koeficienti κ λ natyrore shkalla e përthithjes ( madhësia e saj varet nga gjatësia e valës) . Për llogaritjet praktike, ata preferojnë të përdorin logaritme dhjetore në vend të logaritmeve natyrore. Atëherë ligji i Bouguerit merr formën: Ф = Ф 0 ∙ 10 – k λ ∙ L ,
ku k λ - dhjetore shkalla e përthithjes.
Transmetimi
emërtoni sasinë 
Dendësia optike D - kjo është sasia e përcaktuar nga barazia:
.
Mund ta themi ndryshe: dendësia optike D është një sasi që është në eksponent në formulën e ligjit të Bouguerit: D = k λ ∙ L
Për tretësirat e shumicës së substancave Dendësia optike është drejtpërdrejt proporcionale me përqendrimin e substancës së tretur:D =
χ
λ
∙
C∙
L ;
koeficienti χ λ quhet shkalla e përthithjes molare(nëse përqendrimi jepet në nishan) ose shkalla specifike e përthithjes(nëse përqendrimi tregohet në gram). Nga formula e fundit marrim: Ф = Ф 0 ∙10 - χ λ ∙ C ∙ L(ligj Bugera–Bera)
Këto janë formulat më të zakonshme në laboratorët klinikë dhe biokimikë metodë për përcaktimin e përqendrimeve të substancave të tretura me thithjen e dritës.
PROBLEME TË LLOJIT MËSIMOR ME ZGJIDHJE
(Në të ardhmen, për shkurtësi, ne thjesht do të shkruajmë "detyrat stërvitore")
Objektivi mësimor #1
Një ngrohës elektrik (radiator) lëshon një rrymë rrezesh infra të kuqe prej 500 W. Sipërfaqja e radiatorit është 3300 cm2. Gjeni energjinë e lëshuar nga radiatori në 1 orë dhe shkëlqimin energjik të radiatorit.
E dhënë: Gjeni
Ф = 500 W W dhe R
t = 1 orë = 3600 s
S = 3300 cm 2 = 0,33 m 2
Zgjidhja:
Fluksi i rrezatimit Ф është fuqia e rrezatimit ose energjia e emetuar për njësi të kohës: 
. Nga këtu
W = F t = 500 W 3600 s = 18 10 5 J = 1800 kJ
Objektivi mësimor #2
Në çfarë gjatësi vale është maksimumi rrezatimi termik i lëkurës së njeriut (d.m.th., r λ = max)? Temperatura e lëkurës në pjesët e ekspozuara të trupit (fytyrë, duar) është afërsisht 30 o C.
E dhënë: Gjeni:
Т = 30 о С = 303 К λ max
Zgjidhja:
Ne i zëvendësojmë të dhënat në formulën e Wien: 
,
domethënë, pothuajse i gjithë rrezatimi shtrihet në rangun IR të spektrit.
Objektivi mësimor #3
Elektroni është në një nivel energjie me një energji prej 4.7.10 – 19 J
Kur rrezatohej me dritë me një gjatësi vale prej 600 nm, ajo u zhvendos në një nivel më të lartë energjie. Gjeni energjinë e këtij niveli.
Zgjidhja:
Objektivi mësimor #4
Shkalla dhjetore e thithjes së ujit për rrezet e diellit është 0,09 m–1. Cila pjesë e rrezatimit do të arrijë thellësinë L = 100 m?
E dhënë Gjeni:
L = 100 m 
k = 0,09 m – 1
Zgjidhja:
Le të shkruajmë ligjin e Bouguer: 
. Pjesa e rrezatimit që arrin thellësinë L është, padyshim, 
,
domethënë, një e miliarda e dritës së diellit do të arrijë një thellësi prej 100 m.
Objektivi mësimor #5
Drita kalon në mënyrë sekuenciale nëpër dy filtra. E para ka një densitet optik D 1 = 0,6; e dyta ka D 2 = 0.4. Sa përqind e fluksit të rrezatimit do të kalojë përmes këtij sistemi?
Jepet: Gjeni:
D 1 = 0,6 (në %%)
Zgjidhja:
Zgjidhjen e fillojmë me një vizatim të këtij sistemi
SF-1 SF-2
Gjeni Ф 1: Ф 1 = Ф 0 10 – D 1
Në mënyrë të ngjashme, fluksi që kalon nëpër filtrin e dytë të dritës është i barabartë me:
Ф 2 = Ф 1 10 – D 2 = Ф 0 10 – D 1 10 – D 2 = Ф 0 10 – (D 1 + D 2)
Rezultati i marrë ka një rëndësi të përgjithshme: nëse drita kalon në mënyrë sekuenciale nëpër një sistem prej disa objektesh,dendësia totale optike do të jetë e barabartë me shumën e densitetit optik të këtyre objekteve .
Në kushtet e problemit tonë, një rrjedhë prej F 2 = 100%∙10 – (0,6 + 0,4) = 100%∙10 – 1 = 10% do të kalojë përmes një sistemi me dy filtra drite
Objektivi mësimor #6
Sipas ligjit Bouguer-Baer, është e mundur, në veçanti, të përcaktohet përqendrimi i ADN-së. Në zonën e dukshme, tretësirat e acideve nukleike janë transparente, por ato absorbohen fuqishëm në pjesën UV të spektrit; Maksimumi i përthithjes qëndron rreth 260 nm. Është e qartë se është pikërisht në këtë rajon të spektrit që është e nevojshme të matet përthithja e rrezatimit; në këtë rast, ndjeshmëria dhe saktësia e matjes do të jenë më të mirat.
Kushtet problematike: Gjatë matjes së përthithjes së rrezeve UV me një gjatësi vale prej 260 nm nga një tretësirë e ADN-së, fluksi i rrezatimit të transmetuar u dobësua me 15%. Gjatësia e traut në kuvetë me tretësirë “x” është 2 cm Indeksi i përthithjes molare (decimal) për ADN-në në gjatësi vale 260 nm është 1.3.10 5 mol – 1.cm 2 Gjeni përqendrimin e ADN-së në. zgjidhjen.
E dhënë:
Ф 0 = 100%; F = 100% - 15% = 85% Gjeni: Me ADN
x = 2 cm; λ = 260 nm
χ 260 = 1.3.10 5 mol –1 .cm 2
Zgjidhja:
(ne e "përmbysëm" thyesën për të hequr qafe eksponentin negativ). .
Tani le të marrim një logaritëm: 
, Dhe 
; ne zëvendësojmë:
0,07 dhe C = 
2.7.10 – 7 mol/cm 3
Ju lutemi vini re ndjeshmërinë e lartë të metodës!
DETYRA PËR ZGJIDHJE TË PAVARUR
Kur zgjidhni probleme, merrni vlerat e konstanteve:
b = 2900 μm.K; σ = 5.7.10 – 8 W.K 4; h = 6.6.10 – 34 J.s; c = 3,10 8 m.s –1
1. Sa është shkëlqimi energjetik i sipërfaqes së trupit të njeriut nëse rrezatimi maksimal ndodh në një gjatësi vale prej 9,67 mikron? Lëkura mund të konsiderohet një trup absolutisht i zi.
2. Dy llamba kanë saktësisht të njëjtin dizajn, përveç se në njërën filamenti është prej tungsteni të pastër (α = 0,3), dhe në tjetrin është i veshur me platin të zi (α = 0,93). Cila llambë ka më shumë fluks rrezatimi? Sa herë?
3. Në cilat zona të spektrit qëndrojnë gjatësitë e valëve që i përgjigjen dendësisë maksimale spektrale të ndriçimit të energjisë nëse burimi i rrezatimit është: a) spiralja e një llambë elektrike (T = 2,300 K); b) sipërfaqja e Diellit (T = 5,800 K); c) sipërfaqja e topit të zjarrit të një shpërthimi bërthamor në momentin kur temperatura e tij është rreth 30 000 K? Dallimi në vetitë e këtyre burimeve të rrezatimit nga a.ch.t. neglizhencë.
4. Një trup metalik i nxehtë i kuq, sipërfaqja e të cilit është 2,10 - 3 m 2, në temperaturën e sipërfaqes 1000 K lëshon një fluks prej 45,6. e martë Sa është koeficienti i përthithjes së sipërfaqes së këtij trupi?
5. Llamba ka fuqi 100 W. Sipërfaqja e filamentit është 0,5,10 - 4 m 2. Temperatura e filamentit është 2,400 K. Cili është koeficienti i absorbimit të sipërfaqes së filamentit?
6. Në një temperaturë të lëkurës prej 27 0 C, nga çdo centimetër katror i sipërfaqes së trupit emetohen 0,454 W. A është e mundur (me një saktësi jo më të keqe se 2%) të konsiderohet lëkura si një trup absolutisht i zi?
7. Në spektrin e një ylli blu, emetimi maksimal korrespondon me një gjatësi vale prej 0,3 mikron. Sa është temperatura e sipërfaqes së këtij ylli?
8. Çfarë energjie rrezaton një trup me sipërfaqe 4000 cm 2 në një orë?
në një temperaturë prej 400 K, nëse koeficienti i përthithjes së trupit është 0.6?
9. Pllaka (A) ka një sipërfaqe prej 400 cm 2; koeficienti i absorbimit të tij është 0.4. Një tjetër pllakë (B) me një sipërfaqe prej 200 cm 2 ka një koeficient absorbimi prej 0.2. Temperatura e pllakave është e njëjtë. Cila pjatë lëshon më shumë energji dhe sa?
10 – 16. Analiza spektrale cilësore. Bazuar në spektrin e përthithjes së njërit prej përbërjeve organike, spektri i të cilit
tregohen në figurë, përcaktoni se cilat grupe funksionale janë pjesë e kësaj substance, Përdorni të dhënat e tabelës:
|
Grupi; lloji i lidhjes |
Gjatesite valore te perthithura, mikrone |
Grupi, lloji i lidhjes |
Të përthithur gjatësi vale, μm |
|
- AI |
2,66 – 2,98 |
-NH 4 |
7,0 – 7,4 |
|
-NH |
2,94 – 3,0 |
-SH |
7,76 |
|
CH |
3,3 |
-CF |
8,3 |
|
-N N |
4,67 |
-NH 2 |
8,9 |
|
-C=N |
5,94 |
- JO |
12,3 |
|
-N=N |
6,35 |
-SO 2 |
19,2 |
|
-CN 2 |
6,77 |
-C=O |
23,9 |
10 – grafiku a); 11 – grafiku b); 12 – grafiku c); 13 – grafiku d);
14 – grafiku d); 15 – grafiku f); 16 – grafiku g).
Kushtojini vëmendje asaj se cila vlerë në grafikun tuaj është paraqitur në boshtin vertikal!
17. Drita kalon në mënyrë sekuenciale përmes dy filtrave të dritës me koeficientë transmetues 0.2 dhe 0.5. Sa përqind e rrezatimit do të dalë nga një sistem i tillë?
18. Drita kalon në mënyrë sekuenciale nëpër dy filtra me dendësi optike 0,7 dhe 0,4. Sa përqind e rrezatimit do të kalojë përmes një sistemi të tillë?
19. Për t'u mbrojtur nga rrezatimi i dritës i një shpërthimi bërthamor, ju nevojiten gota që e zbehin dritën me të paktën një milion herë. Xhami nga i cili duan të bëjnë gota të tilla ka një dendësi optike 3 me trashësi 1 mm Çfarë trashësie xhami duhet të merret për të arritur rezultatin e kërkuar?
20 Për të mbrojtur sytë kur punoni me lazer, kërkohet që një fluks rrezatimi që nuk kalon 0.0001% të fluksit të krijuar nga lazeri mund të hyjë në sy. Çfarë densiteti optik duhet të kenë syzet për të garantuar sigurinë?
Detyrë e përgjithshme për problemat 21 – 28 (analiza sasiore):
Figura tregon spektrat e absorbimit të tretësirave me ngjyrë të disa substancave. Për më tepër, problemet tregojnë vlerat e D (densiteti optik i zgjidhjes në gjatësinë e valës që korrespondon me thithjen maksimale të dritës) dhe X(trashësia e kuvetës). Gjeni përqendrimin e tretësirës.
Kushtojini vëmendje njësive në të cilat shkalla e përthithjes tregohet në grafikun tuaj.
21. Grafiku a). D = 0,8 x = 2 cm
22. Grafiku b). D = 1,2 x = 1 cm
... 23. Grafiku c). D = 0,5 x = 4 cm
24. Grafiku d). D = 0,25 x = 2 cm
25 Programi d). D = 0,4 x = 3 cm
26. Grafiku e) D = 0,9 x = 1 cm
27. Grafiku g). D = 0,2 x = 2 cm
