Energiaa, jonka keho menettää lämpösäteilyn vuoksi, kuvaavat seuraavat arvot.

Vuo (F) - energiaa, joka vapautuu aikayksikköä kohden kehon koko pinnasta.

Itse asiassa tämä on lämpösäteilyn teho. Säteilyvuon mitta on [J / s \u003d W].

Energian kirkkaus (Re) - lämpösäteilyn energia aikayksikköä kohden lämmitetyn kappaleen yksikköpinnasta:

SI-järjestelmässä energian valoisuus mitataan - [W / m 2].

Säteilyvirta ja energian kirkkaus riippuvat aineen rakenteesta ja lämpötilasta: F = F(T),

Energian kirkkauden jakautuminen lämpösäteilyn spektrissä on ominaista sille spektritiheys. Merkitään yksittäisen pinnan 1 sekunnissa säteilemän lämpösäteilyn energiaa kapealla aallonpituusalueella λ ennen λ +d λ, dRe:n kautta.

Energian luminositeetti(r) tai emissiivisyyden spektritiheys on energian kirkkauden suhde spektrin kapeassa osassa (dRe) tämän osan leveyteen (dλ):

Likimääräinen näkymä spektritiheydestä ja energian valoisuudesta (dRe) aallonpituusalueella λ ennen λ +d λ, esitetty kuvassa. 13.1.

Riisi. 13.1. Energian valoisuuden spektritiheys

Energian valoisuuden spektritiheyden riippuvuutta aallonpituudesta kutsutaan kehon säteilyspektri. Tämän riippuvuuden tunteminen mahdollistaa kappaleen energian valoisuuden laskemisen millä tahansa aallonpituusalueella. Kaava kappaleen energian kirkkauden laskemiseksi aallonpituusalueella on:

Kokonaisvalovoima on:

Kehot eivät vain säteile, vaan myös absorboivat lämpösäteilyä. Kehon kyky absorboida säteilyenergiaa riippuu sen aineesta, lämpötilasta ja säteilyn aallonpituudesta. Kehon absorptiokyvylle on ominaista monokromaattinen absorptiokerroinα.

Anna virran pudota kehon pinnalle yksivärinen säteily Φ λ aallonpituudella λ. Osa tästä virtauksesta heijastuu ja osa imeytyy kehoon. Merkitään absorboituneen vuon arvoa Φ λ abs.

Monokromaattinen absorptiokerroin α λ on tietyn kappaleen absorboiman säteilyvuon suhde tulevan monokromaattisen vuon suuruuteen:

Monokromaattinen absorptiokerroin on dimensioton suure. Sen arvot ovat nollan ja yhden välillä: 0 ≤ α ≤ 1.

Toiminto α = α(λ,Τ) , joka ilmaisee monokromaattisen absorptiokertoimen riippuvuuden aallonpituudesta ja lämpötilasta, on ns. imukyky kehon. Hänen ulkonäkönsä voi olla melko monimutkainen. Yksinkertaisimpia absorptiotyyppejä tarkastellaan alla.

Täysin musta runko on kappale, jonka absorptiokerroin on yhtä suuri kuin yksikkö kaikilla aallonpituuksilla: α = 1.

harmaa vartalo on kappale, jonka absorptiokerroin ei riipu aallonpituudesta: α = const< 1.

Ehdottomasti valkoinen runko on kappale, jonka absorptiokerroin on nolla kaikilla aallonpituuksilla: α = 0.

Kirchhoffin laki

Kirchhoffin laki- kappaleen emissiokyvyn suhde sen absorptiokykyyn on sama kaikille kappaleille ja on yhtä suuri kuin mustan kappaleen energian valovoiman spektritiheys:

= /

Lain seuraus:

1. Jos keho tietyssä lämpötilassa ei absorboi mitään säteilyä, se ei lähetä sitä. Todellakin, jos jollain aallonpituudella absorptiokerroin α = 0, niin r = α∙ε(λT) = 0

1. Samassa lämpötilassa musta runko säteilee enemmän kuin mikään muu. Todellakin kaikille elimille paitsi musta,α < 1, поэтому для них r = α∙ε(λT) < ε

2. Jos jollekin kappaleelle määritetään kokeellisesti monokromaattisen absorptiokertoimen riippuvuus aallonpituudesta ja lämpötilasta - α = r = α(λT), niin voimme laskea sen emissiospektrin.

§ 4 Energian kirkkaus. Stefan-Boltzmannin laki.

Wienin siirtymälaki

RE(integrated energy luminosity) - energiavaloisuus määrittää yhdestä pinnasta säteilevän energian määrän aikayksikköä kohden koko taajuusalueella 0 - ∞ tietyssä lämpötilassa T.

Yhteys energian kirkkaus ja säteily

[R e ] \u003d J / (m 2 s) \u003d W / m 2

J. Stefanin (itävaltalainen tiedemies) ja L. Boltzmannin (saksalainen tiedemies) laki

missä

σ \u003d 5,67 10 -8 W / (m 2 K 4) - Stef-on-Boltzmann-vakio.

Mustan kappaleen energian kirkkaus on verrannollinen termodynaamisen lämpötilan neljänteen potenssiin.

Stefan-Boltzmannin laki, joka määrittelee riippuvuudenRElämpötilasta, ei anna vastausta täysin mustan kappaleen säteilyn spektrikoostumuksesta. Kokeellisista riippuvuuskäyristärλ, T alkaen λ erilaisissa T tästä seuraa, että energian jakautuminen mustan kappaleen spektrissä on epätasainen. Kaikilla käyrillä on maksimi, joka kasvaessa T siirtyy lyhyemmille aallonpituuksille. Alue, jota rajoittaa riippuvuuskäyrärλ ,T arvosta λ, on yhtä suuri kuin RE(tämä seuraa integraalin geometrisestä merkityksestä) ja on verrannollinen T 4 .

Wienin siirtymälaki (1864 - 1928): Pituus, aallot (λ max), joka vastaa a.ch.t.:n suurimman emissiivisuuden. tietyssä lämpötilassa on kääntäen verrannollinen lämpötilaan T.

b\u003d 2,9 10 -3 m K - Wienin vakio.

Wien-siirtymä johtuu siitä, että lämpötilan noustessa suurin emissiokyky siirtyy kohti lyhyempiä aallonpituuksia.

§ 5 Rayleigh-Jeansin kaava, Wienin kaava ja ultraviolettikatastrofi

Stefan-Boltzmannin lain avulla voit määrittää energian kirkkaudenREa.h.t. lämpötilansa mukaan. Wienin siirtymälaki liittää kehon lämpötilan aallonpituuteen, jolla suurin emissiivisyys laskee. Mutta kumpikaan laki ei ratkaise pääongelmaa, kuinka suuri on säteilykyky jokaista λ:ta kohden A.Ch.T.:n spektrissä. lämpötilassa T. Tätä varten sinun on luotava toiminnallinen riippuvuusrλ ,T arvosta λ ja T.

Perustuen käsitteeseen sähkömagneettisten aaltojen emission jatkuvasta luonteesta energian tasaisen jakautumisen laissa vapausasteiden välillä, saatiin kaksi kaavaa a.ch.t.:n emissiokyvylle:

• Viinin kaava

missä a, b = konst.

• Rayleigh-Jeansin kaava

k =1,38·10 -23 J/K - Boltzmannin vakio.

Kokeellinen todentaminen osoitti, että tietyssä lämpötilassa Wienin kaava on oikea lyhyille aalloille ja antaa teräviä eroja kokemuksen kanssa pitkien aaltojen alueella. Rayleigh-Jeansin kaava osoittautui oikeaksi pitkille aalloille eikä sovellu lyhyille.

Lämpösäteilyn tutkimus Rayleigh-Jeansin kaavalla osoitti, että klassisen fysiikan puitteissa on mahdotonta ratkaista AChT:n emissiivisuutta kuvaavan funktion ongelmaa. Tämä epäonnistunut yritys selittää A.Ch.T.:n säteilylakeja. klassisen fysiikan laitteiston avulla sitä kutsuttiin "ultraviolettikatastrofiksi".

Jos yritämme laskeaREkäyttämällä sitten Rayleigh-Jeansin kaavaa

• “ ultraviolettikatastrofi”

§6 Kvanttihypoteesi ja Planckin kaava.

Vuonna 1900 M. Planck (saksalainen tiedemies) esitti hypoteesin, jonka mukaan energian emissio ja absorptio eivät tapahdu jatkuvasti, vaan tietyissä pienissä osissa - kvantteina, ja kvanttienergia on verrannollinen värähtelytaajuuteen (Planckin kaava). ):

h \u003d 6,625 10 -34 J s - Planckin vakio tai

missä

Koska säteily tapahtuu osissa, oskillaattorin (värähtelevä atomi, elektroni) E energia ottaa vain arvoja, jotka ovat energian alkuaineosien kokonaisluvun kerrannaisia, eli vain diskreettejä arvoja.

E = n E o = nhν .

VALOSÄHKÖINEN ILMIÖ

Hertz tutki ensimmäisen kerran valon vaikutusta sähköisten prosessien kulkuun vuonna 1887. Hän suoritti kokeita sähköisellä kipinävälillä ja havaitsi, että kun sitä säteilytetään ultraviolettisäteilyllä, purkaus tapahtuu paljon pienemmällä jännitteellä.

Vuosina 1889-1895. A.G. Stoletov tutki valon vaikutusta metalleihin seuraavan kaavion avulla. Kaksi elektrodia: tutkittavasta metallista valmistettu katodi K ja anodi A (Stoletovin mallissa - valoa läpäisevä metalliverkko) tyhjiöputkessa on kytketty akkuun niin, että vastuksen avulla R voit muuttaa niihin syötetyn jännitteen arvoa ja etumerkkiä. Kun sinkkikatodi säteilytettiin, piirissä kulki virta, joka mitattiin milliammetrilla. Säteilyttämällä katodia eri aallonpituuksilla olevalla valolla Stoletov vahvisti seuraavat peruslait:

• Voimakkain vaikutus on ultraviolettisäteilyllä;
• Valon vaikutuksesta katodista karkaavat negatiiviset varaukset;
• Valon vaikutuksesta muodostuvan virran voimakkuus on suoraan verrannollinen sen voimakkuuteen.

Lenard ja Thomson vuonna 1898 mittasivat ominaisvarauksen ( e/ m), irronneet hiukkaset, ja kävi ilmi, että se on yhtä suuri kuin elektronin ominaisvaraus, joten elektronit irtoavat katodista.

§ 2 Ulkoinen valosähköinen efekti. Ulkoisen valosähköisen vaikutuksen kolme lakia

Ulkoinen valosähköinen vaikutus on aineen elektronien emissio valon vaikutuksesta. Aineesta karkaavia elektroneja, joilla on ulkoinen valosähköinen vaikutus, kutsutaan fotoelektroneiksi ja niiden tuottamaa virtaa kutsutaan valovirraksi.

Stoletov-kaaviota käyttämällä seuraava valovirran riippuvuussyötetty jännite vakiolla valovirralla F(eli saatiin I–V-ominaisuus - virta-jännite-ominaisuus):

Jollain jännitteelläUHvalovirta saavuttaa kyllästymisenminä n - kaikki katodin emittoimat elektronit saavuttavat anodin, joten kyllästysvirtaminä n määräytyy katodin valon vaikutuksesta emittoimien elektronien lukumäärän perusteella aikayksikköä kohti. Vapautuneiden fotoelektronien määrä on verrannollinen katodin pinnalle osuvien valokvanttien määrään. Ja valokvanttien lukumäärä määräytyy valovirran mukaan F putoaminen katodille. Fotonien lukumääräNputoaminen ajan myötät pintaan määritetään kaavalla:

missä W- pinnan vastaanottama säteilyenergia ajan Δ aikanat,

fotonienergia,

F e -valovirta (säteilyteho).

Ulkoisen valosähköisen vaikutuksen ensimmäinen laki (Stoletovin laki):

Tulevan valon kiinteällä taajuudella kyllästysvalovirta on verrannollinen tulevaan valovirtaan:

minämeille~ Ф, ν =konst

Uh - hidastava jännite on jännite, jolla yksikään elektroni ei pääse anodiin. Siksi energian säilymisen laki voidaan tässä tapauksessa kirjoittaa: emittoivien elektronien energia on yhtä suuri kuin sähkökentän hidastusenergia

siksi voidaan löytää emittoivien fotoelektronien maksiminopeusVmax

Valosähköisen vaikutuksen 2. laki : suurin alkunopeusVmaxfotoelektronien arvo ei riipu tulevan valon voimakkuudesta (päällä F), mutta sen määrää vain sen taajuus ν

Valosähköisen vaikutuksen kolmas laki : jokaiselle aineelle on olemassa "punainen reunus" valokuvatehoste, eli aineen kemiallisesta luonteesta ja pinnan tilasta riippuen minimitaajuus ν kp , jolla ulkoinen valosähköilmiö on vielä mahdollinen.

Valosähköisen vaikutuksen toista ja kolmatta lakia ei voida selittää valon aaltoluonteen (tai klassisen sähkömagneettisen valon teorian) avulla. Tämän teorian mukaan johtavuuselektronien irtoaminen metallista on seurausta niiden "keinumisesta" valoaallon sähkömagneettisen kentän vaikutuksesta. Kun valon voimakkuus kasvaa ( F) metallin elektronin välittämän energian pitäisi kasvaa, joten sen pitäisi kasvaaVmax, ja tämä on ristiriidassa valosähköisen vaikutuksen toisen lain kanssa.

Koska aaltoteorian mukaan sähkömagneettisen kentän välittämä energia on verrannollinen valon voimakkuuteen ( F), sitten mikä tahansa valo; taajuudella, mutta riittävän korkea intensiteetti joutuisi vetämään elektroneja pois metallista, eli valosähköisen vaikutuksen punaista rajaa ei olisi olemassa, mikä on ristiriidassa valosähköisen vaikutuksen 3. lain kanssa. Ulkoinen valosähköinen vaikutus on inertiaton. Eikä aaltoteoria voi selittää sen inertiattomuutta.

§ 3 Einsteinin yhtälö ulkoiselle valosähköiselle efektille.

Työtoiminto

Vuonna 1905 A. Einstein selitti valosähköisen vaikutuksen kvanttikäsitteiden perusteella. Einsteinin mukaan valoa ei ainoastaan ​​säteile kvantit Planckin hypoteesin mukaan, vaan se etenee avaruudessa ja absorboituu aineeseen erillisissä osissa - kvantit energialla E0 = hv. Sähkömagneettisen säteilyn kvantteja kutsutaan fotonit.

Einsteinin yhtälö (ulkoisen valokuvaefektin energian säilymisen laki):

Tapahtumafotonienergia hv kuluu elektronin vetämiseen metallista eli työfunktioon A ulos, ja välittää kineettistä energiaa emittoituneelle fotoelektronille.

Pienin energia, joka on välitettävä elektronille, jotta se voidaan poistaa kiinteästä kappaleesta tyhjiöön, on ns. työtoiminto.

Koska energia Ferm E Friippuu lämpötilasta ja E F, muuttuu myös lämpötilan mukaan, joten A ulos lämpötilasta riippuvainen.

Lisäksi työtoiminto on erittäin herkkä pintakäsittelylle. Kalvon levittäminen pinnalle Sa, SG, Wa) päällä WA uloslaskee 4,5 eV:stä puhtaalleW jopa 1,5 h 2 eV epäpuhtaudelleW.

Einsteinin yhtälön avulla on mahdollista selittää c e ulkoisen valoefektin kolme lakia,

Ensimmäinen laki: vain yksi elektroni absorboi jokaisen kvantin. Siksi irrotettujen fotoelektronien lukumäärän tulisi olla verrannollinen intensiteettiin ( F) Sveta

2. laki: Vmax~ ν ja siitä lähtien A ulos ei riipu F, sitten jaVmax ei riipu F

3. laki: Kun ν pienenee,Vmax ja ν = ν 0 Vmax = 0, jotenhν 0 = A ulos, siis ts. on olemassa minimitaajuus, josta alkaen ulkoinen valosähköinen vaikutus on mahdollinen.

d Φ e (\displaystyle d\Phi _(e)), jonka säteilylähteen pinta-ala lähettää sen alueelle d S (\displaystyle dS) : M e = d Φ e d S. (\displaystyle M_(e)=(\frac (d\Phi _(e))(dS)).)

He sanovat myös, että energian kirkkaus on emittoidun säteilyvuon pintatiheys.

Numeerisesti energian kirkkaus on yhtä suuri kuin pintaan nähden kohtisuorassa olevan Poynting-vektorin komponentin aikakeskiarvoinen moduuli. Tässä tapauksessa keskiarvon laskeminen suoritetaan ajanjaksolla, joka ylittää merkittävästi sähkömagneettisten värähtelyjen ajanjakson.

Säteilevä säteily voi olla peräisin itse pinnasta, jolloin puhutaan itsevalaisevasta pinnasta. Toinen muunnelma havaitaan, kun pintaa valaistaan ​​ulkopuolelta. Tällaisissa tapauksissa osa tulevasta vuosta palaa välttämättä takaisin sironnan ja heijastuksen seurauksena. Silloin energian valoisuuden lauseke on muotoa:

M e = (ρ + σ) ⋅ E e , (\displaystyle M_(e)=(\rho +\sigma)\cdot E_(e),)

missä ρ (\displaystyle \rho ) ja σ (\displaystyle \sigma )- pinnan heijastuskerroin ja sirontakerroin ja - sen irradianssi.

Muut energian kirkkauden nimet, joita joskus käytetään kirjallisuudessa, mutta joita GOST ei tarjoa: - emissiivisyys ja integraalinen emissiokyky.

Energian valoisuuden spektritiheys

Energian valoisuuden spektritiheys M e , λ (λ) (\displaystyle M_(e,\lambda )(\lambda))- energian valoisuuden suuruuden suhde d M e (λ) , (\displaystyle dM_(e)(\lambda),) pientä spektriväliä kohti d λ , (\displaystyle d\lambda ,) väliin suljettuna λ (\displaystyle \lambda) ja λ + d λ (\displaystyle \lambda +d\lambda), tämän välin leveydelle:

Me, λ (λ) = d M e (λ) d λ. (\displaystyle M_(e,\lambda )(\lambda)=(\frac (dM_(e)(\lambda))(d\lambda )).)

SI-mittayksikkö on W m −3 . Koska optisen säteilyn aaltojen pituus  mitataan yleensä nanometreinä, niin käytännössä käytetään usein arvoa W m −2 · nm −1.

Joskus kirjallisuudessa M e , λ (\displaystyle M_(e,\lambda )) kutsutaan spektrinen emissiokyky.

Kevyt analogi

M v = K m ⋅ ∫ 380 n m 780 n m M e , λ (λ) V (λ) d λ , (\displaystyle M_(v)=K_(m)\cdot \int \limits _(380~nm)^ (780~nm)M_(e,\lambda )(\lambda)V(\lambda)d\lambda ,)

missä K m (\näyttötyyli K_(m))- säteilyn suurin valotehokkuus, joka on SI-järjestelmässä 683 lm / W. Sen numeerinen arvo seuraa suoraan kandelan määritelmästä.

Tietoja muista perusenergian fotometrisistä suureista ja niiden valoanalogeista on taulukossa. Määrien nimet on annettu GOST 26148-84:n mukaisesti.

SI-energia fotometriset suureet

Nimi (synonyymi)	Arvonimitys	Määritelmä	SI-yksikön merkintä	Kevyt määrä
Energia säteily (säteilyenergia)	Q e (\displaystyle Q_(e)) tai W (\displaystyle W)	Säteilyn kuljettama energia	J	Valoenergia
Flux säteily (säteilyvuo)	Φ (\displaystyle \Phi ) tai P (\displaystyle P)	Φ e = d Q e d t (\displaystyle \Phi _(e)=(\frac (dQ_(e))(dt)))	ti	Valon virtaus
Vahvuus säteily (valon energiavoimakkuus)	I e (\displaystyle I_(e))	I e = d Φ e d Ω (\displaystyle I_(e)=(\frac (d\Phi _(e))(d\Omega )))	Ti sr −1	Valon voima
Volumetrisen säteilyn energiatiheys	U e (\displaystyle U_(e))	U e = d Q e d V (\displaystyle U_(e)=(\frac (dQ_(e))(dV)))	J m -3	Valon energian tilavuustiheys
Energiaa kirkkautta	L e (\displaystyle L_(e))	L e = d 2 Φ e d Ω d S 1 cos ⁡ ε (\displaystyle L_(e)=(\frac (d^(2)\Phi _(e))(d\Omega \,dS_(1)\, \cos\varepsilon)))	W m −2 sr −1	Kirkkaus
Integroitu energian kirkkaus	e (\displaystyle \Lambda _(e))	Λ e = ∫ 0 t L e (t ′) d t ′ (\displaystyle \Lambda _(e)=\int _(0)^(t)L_(e)(t")dt")	J m −2 sr −1	Integroitu kirkkaus
Säteilytys (energiavalo)	E e (\displaystyle E_(e))	E e = d Φ e d S 2 (\displaystyle E_(e)=(\frac (d\Phi _(e))(dS_(2))))	W m −2

1. Lämpösäteilyn ominaisuudet.

2. Kirchhoffin laki.

3. Mustan kappaleen säteilyn lait.

4. Auringon säteily.

5. Termografian fyysiset perusteet.

6. Valoterapia. Ultraviolettivalon terapeuttinen käyttö.

7. Peruskäsitteet ja kaavat.

8. Tehtävät.

Kaikesta ihmissilmälle näkyvästä tai näkymättömästä sähkömagneettisesta säteilystä voidaan erottaa, joka on luontainen kaikille kehoille - tämä on lämpösäteilyä.

lämpösäteilyä- aineen lähettämä sähkömagneettinen säteily, joka syntyy sen sisäisestä energiasta.

Lämpösäteilyä aiheuttaa aineen hiukkasten virittyminen törmäysten aikana lämpöliikkeen prosessissa tai varausten kiihtyvästä liikkeestä (kidehila-ionien värähtelyt, vapaiden elektronien lämpöliike jne.). Sitä esiintyy missä tahansa lämpötilassa ja se on luontainen kaikissa kehoissa. Lämpösäteilylle tyypillinen piirre on jatkuva spektri.

Säteilyn intensiteetti ja spektrikoostumus riippuvat kehon lämpötilasta, joten silmä ei aina havaitse lämpösäteilyä hehkuna. Esimerkiksi korkeaan lämpötilaan kuumennetut kappaleet säteilevät merkittävän osan energiasta näkyvällä alueella, ja huoneenlämpötilassa lähes kaikki energia säteilee spektrin infrapunaosassa.

26.1. Lämpösäteilyn ominaisuudet

Energiaa, jonka keho menettää lämpösäteilyn vuoksi, kuvaavat seuraavat arvot.

säteilyvirta(F) - energia, joka säteilee aikayksikköä kohti koko kehon pinnalta.

Itse asiassa tämä on lämpösäteilyn teho. Säteilyvuon mitta on [J / s \u003d W].

Energian kirkkaus(Re) on lämpösäteilyn energia, joka lähtee aikayksikköä kohti kuumennetun kappaleen yksikköpinnasta:

Tämän ominaisuuden mitta on [W / m 2].

Sekä säteilyvuo että energian kirkkaus riippuvat aineen rakenteesta ja lämpötilasta: Ф = Ф(Т), Re = Re(T).

Energian kirkkauden jakautuminen lämpösäteilyn spektrissä on ominaista sille spektritiheys. Merkitään yksittäisen pinnan 1 sekunnissa säteilemän lämpösäteilyn energiaa kapealla aallonpituusalueella λ ennen λ +d λ, dRe:n kautta.

Energian valoisuuden spektritiheys(r) tai emissiivisyys on energian kirkkauden suhde spektrin kapeassa osassa (dRe) tämän osan leveyteen (dλ):

Likimääräinen näkymä spektritiheydestä ja energian valoisuudesta (dRe) aallonpituusalueella λ ennen λ +d λ, esitetty kuvassa. 26.1.

Riisi. 26.1. Energian valoisuuden spektritiheys

Energian valoisuuden spektritiheyden riippuvuutta aallonpituudesta kutsutaan kehon säteilyspektri. Kun tiedät tämän riippuvuuden, voit laskea kehon energian kirkkauden millä tahansa aallonpituusalueella:

Kehot eivät vain säteile, vaan myös absorboivat lämpösäteilyä. Kehon kyky absorboida säteilyenergiaa riippuu sen aineesta, lämpötilasta ja säteilyn aallonpituudesta. Kehon absorptiokyvylle on ominaista monokromaattinen absorptiokerroinα.

Anna virran pudota kehon pinnalle yksivärinen säteily Φ λ aallonpituudella λ. Osa tästä virtauksesta heijastuu ja osa imeytyy kehoon. Merkitään absorboituneen vuon arvoa Φ λ abs.

Monokromaattinen absorptiokerroin α λ on tietyn kappaleen absorboiman säteilyvuon suhde tulevan monokromaattisen vuon suuruuteen:

Monokromaattinen absorptiokerroin on dimensioton suure. Sen arvot ovat nollan ja yhden välillä: 0 ≤ α ≤ 1.

Funktiota α = α(λ,Τ), joka ilmaisee monokromaattisen absorptiokertoimen riippuvuuden aallonpituudesta ja lämpötilasta, on ns. imukyky kehon. Hänen ulkonäkönsä voi olla melko monimutkainen. Yksinkertaisimpia absorptiotyyppejä tarkastellaan alla.

Täysin musta runko- sellainen kappale, jonka absorptiokerroin on yhtä suuri kuin yksikkö kaikilla aallonpituuksilla: α \u003d 1. Se absorboi kaiken siihen tulevan säteilyn.

Imeytymisominaisuuksiltaan noki, musta sametti, platinamusta ovat lähellä täysin mustaa runkoa. Erittäin hyvä malli mustakappaleesta on suljettu onkalo, jossa on pieni reikä (O). Ontelon seinät ovat mustat kuvassa. 26.2.

Tähän reikään tuleva säde absorboituu lähes kokonaan useiden seinien heijastusten jälkeen. Samanlaisia ​​laitteita

Riisi. 26.2. Musta runkomalli

käytetään valostandardeina, käytetään korkeiden lämpötilojen mittaamiseen jne.

Täysin mustan kappaleen energiavaloisuuden spektritiheyttä merkitään ε(λ, Τ). Tällä toiminnolla on tärkeä rooli lämpösäteilyn teoriassa. Sen muoto määritettiin ensin kokeellisesti ja sitten saatiin teoreettisesti (Planckin kaava).

Ehdottomasti valkoinen runko- sellainen kappale, jonka absorptiokerroin on nolla kaikilla aallonpituuksilla: α = 0.

Luonnossa ei ole aidosti valkoisia kappaleita, mutta niitä ominaisuuksiltaan lähellä olevia kappaleita on melko laajalla lämpötila- ja aallonpituusalueella. Esimerkiksi spektrin optisessa osassa oleva peili heijastaa lähes kaiken tulevan valon.

harmaa vartalo on kappale, jonka absorptiokerroin ei riipu aallonpituudesta: α = const< 1.

Joillakin todellisilla kappaleilla on tämä ominaisuus tietyllä aallonpituus- ja lämpötila-alueella. Esimerkiksi "harmaata" (α = 0,9) voidaan pitää ihmisen ihona infrapuna-alueella.

26.2. Kirchhoffin laki

Säteilyn ja absorption välisen kvantitatiivisen suhteen määritti G. Kirchhoff (1859).

Kirchhoffin laki- asenne emissiivisyys ruumis hänelle imukyky sama kaikille kappaleille ja yhtä suuri kuin täysin mustan kappaleen energiavaloisuuden spektritiheys:

Panemme merkille joitain tämän lain seurauksia.

1. Jos keho tietyssä lämpötilassa ei absorboi mitään säteilyä, se ei lähetä sitä. Todellakin, jos varten

26.3. Mustan kehon säteilyn lait

Mustan kappaleen säteilyn lait määritettiin seuraavassa järjestyksessä.

Vuonna 1879 J. Stefan kokeellisesti ja vuonna 1884 L. Boltzmann teoreettisesti määritti energian kirkkaus täysin musta runko.

Stefan-Boltzmannin laki - Mustan kappaleen energian kirkkaus on verrannollinen sen absoluuttisen lämpötilan neljänteen potenssiin:

Joidenkin materiaalien absorptiokertoimien arvot on annettu taulukossa. 26.1.

Taulukko 26.1. absorptiokertoimet

Saksalainen fyysikko W. Wien (1893) loi kaavan aallonpituudelle, joka vastaa maksimia emissiivisyys täysin musta runko. Hänen saamansa suhde on nimetty hänen mukaansa.

Kun lämpötila nousee, suurin emissiokyky on siirtymässä vasemmalle (kuva 26.3).

Riisi. 26.3. Wienin siirtymälain kuva

Taulukossa. 26.2 näyttää spektrin näkyvän osan värit, jotka vastaavat kappaleiden säteilyä eri lämpötiloissa.

Taulukko 26.2. Lämmitettyjen kappaleiden värit

Stefan-Boltzmannin ja Wienin lakien avulla on mahdollista määrittää kappaleiden lämpötilat mittaamalla näiden kappaleiden säteilyä. Tällä tavalla määritetään esimerkiksi Auringon pinnan lämpötila (~6000 K), lämpötila räjähdyksen keskipisteessä (~10 6 K) jne. Näiden menetelmien yleinen nimi on pyrometria.

Vuonna 1900 M. Planck sai laskentakaavan emissiivisyys täysin musta vartalo teoriassa. Tätä varten hänen täytyi luopua klassisista ideoista jatkuvuus sähkömagneettisten aaltojen säteilyprosessi. Planckin mukaan säteilyvuo koostuu erillisistä osista - kvantti, joiden energiat ovat verrannollisia valon taajuuksiin:

Kaavasta (26.11) voidaan saada teoreettisesti Stefan-Boltzmannin ja Wienin lait.

26.4. Auringon säteily

Aurinkokunnassa aurinko on voimakkain lämpösäteilyn lähde, joka määrää elämän maapallolla. Auringon säteilyllä on parantavia ominaisuuksia (helioterapia), sitä käytetään kovettumiseen. Sillä voi myös olla negatiivinen vaikutus kehoon (poltto, lämpö

Auringon säteilyn spektrit maan ilmakehän rajalla ja maan pinnalla ovat erilaisia ​​(kuva 26.4).

Riisi. 26.4. Auringon säteilyn spektri: 1 - ilmakehän rajalla, 2 - maan pinnalla

Ilmakehän rajalla Auringon spektri on lähellä mustan kappaleen spektriä. Suurin emissiokyky on λ1max= 470 nm (sininen).

Maan pinnan lähellä auringon säteilyn spektrillä on monimutkaisempi muoto, mikä liittyy absorptioon ilmakehässä. Erityisesti se ei sisällä eläville organismeille haitallista ultraviolettisäteilyn suurtaajuista osaa. Otsonikerros absorboi nämä säteet lähes kokonaan. Suurin emissiokyky on λ2max= 555 nm (vihreä-keltainen), mikä vastaa parasta silmän herkkyyttä.

Auringon lämpösäteilyn virtaus maan ilmakehän rajalla määrää aurinkovakio minä

Maan pintaa saavuttava vuo on paljon pienempi ilmakehän absorption vuoksi. Edullisimmissa olosuhteissa (aurinko zeniitissä) se ei ylitä 1120 W / m 2. Moskovassa kesäpäivänseisauksen aikaan (kesäkuu) - 930 W / m 2.

Sekä auringon säteilyn voima lähellä maan pintaa että sen spektrikoostumus riippuvat eniten Auringon korkeudesta horisontin yläpuolella. Kuvassa 26.5 on annettu auringonvalon energian jakautumisen tasoitetut käyrät: I - ilmakehän ulkopuolella; II - Auringon asemassa zeniitissä; III - 30 ° horisontin yläpuolella; IV - olosuhteissa lähellä auringonnousua ja -laskua (10° horisontin yläpuolella).

Riisi. 26.5. Energian jakautuminen Auringon spektrissä eri korkeuksilla horisontin yläpuolella

Auringon spektrin eri komponentit kulkevat maapallon ilmakehän läpi eri tavoin. Kuva 26.6 näyttää ilmakehän läpinäkyvyyden korkeilla Auringon korkeuksilla.

26.5. Termografian fyysinen perusta

Ihmisen lämpösäteily muodostaa merkittävän osan hänen lämpöhäviöistään. Henkilön säteilyhäviö on yhtä suuri kuin erotus päästää virtaus ja imeytyy ympäristön säteilyvirta. Säteilyhäviöteho lasketaan kaavalla

missä S on pinta-ala; δ - ihon (vaatteet) alentunut absorptiokerroin, katsotaan harmaa runko; T 1 - kehon pintalämpötila (vaatteet); T 0 - ympäristön lämpötila.

Harkitse seuraavaa esimerkkiä.

Lasketaan alaston ihmisen säteilyhäviöiden teho ympäristön lämpötilassa 18°C ​​(291 K). Otetaan: kappaleen pinta-ala S = 1,5 m 2; ihon lämpötila T 1 = 306 K (33 °C). Ihon alentunut absorptiokerroin löytyy taulukosta. 26.1 (δ \u003d 5,1 * 10 -8 W / m 2 K 4). Korvaamalla nämä arvot kaavaan (26.11), saamme

P \u003d 1,5 * 5,1 * 10 -8 * (306 4 - 291 4) ≈122 W.

Riisi. 26.6. Maan ilmakehän läpinäkyvyys (prosentteina) spektrin eri osissa korkealla Auringosta.

Ihmisen lämpösäteilyä voidaan käyttää diagnostisena parametrina.

Termografia - diagnostinen menetelmä, joka perustuu ihmiskehon pinnan tai sen yksittäisten osien lämpösäteilyn mittaamiseen ja rekisteröintiin.

Lämpötilan jakautuminen pienelle kehon pinnan alueelle voidaan määrittää erityisillä nestekidekalvoilla. Tällaiset kalvot ovat herkkiä pienille lämpötilan muutoksille (värin muutoksille). Siksi filmille ilmestyy värillinen lämpö "muotokuva" kehon alueesta, jonka päälle se on asetettu.

Edistyksellisempi tapa on käyttää lämpökameroita, jotka muuttavat infrapunasäteilyn näkyväksi valoksi. Kehon säteily projisoidaan lämpökameran matriisiin erityisellä linssillä. Muuntamisen jälkeen näytölle muodostuu yksityiskohtainen lämpömuotokuva. Alueet, joilla on erilainen lämpötila, eroavat väriltään tai intensiteetiltä. Nykyaikaiset menetelmät mahdollistavat lämpötilaeron korjaamisen jopa 0,2 asteeseen.

Lämpömuotokuvia käytetään toiminnallisessa diagnostiikassa. Erilaisia ​​sisäelinten patologioita voi muodostua ihon pintavyöhykkeille lämpötilan muuttuessa. Tällaisten vyöhykkeiden havaitseminen osoittaa patologian olemassaolon. Termografinen menetelmä helpottaa hyvänlaatuisten ja pahanlaatuisten kasvainten välistä erotusdiagnoosia. Tämä menetelmä on objektiivinen keino seurata terapeuttisten hoitomenetelmien tehokkuutta. Joten psoriaasipotilaiden termografisessa tutkimuksessa havaittiin, että plakkien vakavan infiltraation ja hyperemian esiintyessä lämpötila nousee. Useimmissa tapauksissa lämpötilan lasku ympäröivien alueiden tasolle osoittaa regressio prosessia iholla.

Kuume on usein merkki infektiosta. Ihmisen lämpötilan määrittämiseksi riittää, että katsot infrapunalaitteen läpi hänen kasvojaan ja kaulaansa. Terveillä ihmisillä otsan ja kaulavaltimon lämpötilan suhde vaihtelee välillä 0,98-1,03. Tätä suhdetta voidaan käyttää pikadiagnostiikassa epidemioiden aikana karanteenitoimenpiteissä.

26.6. Valohoito. Ultraviolettivalon terapeuttinen käyttö

Infrapunasäteilyä, näkyvää valoa ja ultraviolettisäteilyä käytetään laajalti lääketieteessä. Muista niiden aallonpituuksien alueet:

Valohoito kutsutaan infrapuna- ja näkyvän säteilyn käytöksi terapeuttisiin tarkoituksiin.

Infrapunasäteet (sekä näkyvät) tunkeutuessaan kudoksiin absorptiopaikallaan aiheuttavat lämmön vapautumista. Infrapunasäteiden ja näkyvien säteiden ihoon tunkeutumissyvyys on esitetty kuvassa. 26.7.

Riisi. 26.7. Säteilyn ihoon tunkeutumissyvyys

Lääketieteellisessä käytännössä infrapunasäteilyn lähteinä käytetään erityisiä säteilyttimiä (kuva 26.8).

Minin lamppu on hehkulamppu, jossa on heijastin, joka paikantaa säteilyn haluttuun suuntaan. Säteilylähteenä on 20-60 W hehkulamppu, joka on valmistettu värittömästä tai sinisestä lasista.

Kevyt lämpökylpy on puolisylinterimäinen runko, joka koostuu kahdesta puolikkaasta, jotka on liitetty liikkuvasti toisiinsa. Kehyksen sisäpinnalle potilasta päin on kiinnitetty hehkulamput, joiden teho on 40 W. Tällaisissa kylvyissä biologiseen kohteeseen vaikuttaa infrapuna- ja näkyvä säteily sekä lämmitetty ilma, jonka lämpötila voi nousta 70 °C:seen.

Lamppu Sollux on tehokas hehkulamppu, joka on sijoitettu kolmijalan erityiseen heijastimeen. Säteilylähteenä on hehkulamppu, jonka teho on 500 W (volframilangan lämpötila 2800°C, säteilymaksimi putoaa 2 μm:n aallonpituudella).

Riisi. 26.8. Säteilyttimet: Minin-lamppu (a), lämpökylpy (b), Sollux-lamppu (c)

Ultraviolettivalon terapeuttinen käyttö

Lääketieteellisiin tarkoituksiin käytetty ultraviolettisäteily on jaettu kolmeen alueeseen:

Kun ultraviolettisäteily imeytyy kudoksiin (ihoon), tapahtuu erilaisia ​​fotokemiallisia ja fotobiologisia reaktioita.

käytetään säteilylähteinä. korkeapainelamput(kaari, elohopea, putkimainen), fluoresoiva lamput, kaasupurkaus matalapainelamput yksi lajikkeista on bakterisidisiä lamppuja.

Säteily on punoittava ja ruskettava vaikutus. Sitä käytetään monien dermatologisten sairauksien hoidossa. Jotkut furokumariinisarjan kemialliset yhdisteet (esimerkiksi psoraleeni) pystyvät herkistämään näiden potilaiden ihon pitkäaaltoiselle ultraviolettisäteilylle ja stimuloivat melaniinipigmentin muodostumista melanosyyteissä. Näiden lääkkeiden yhdistetty käyttö A-säteilyn kanssa on perustana hoitomenetelmälle ns valokemoterapia tai PUVA-hoito(PUVA: P - psoraleeni; UVA - ultraviolettisäteilyvyöhyke A). Osa tai koko keho altistuu säteilylle.

B säteilyä on vitamiineja muodostava, anti-rachitic vaikutus.

C-säteilyä sillä on bakterisidinen vaikutus. Säteilytys tuhoaa mikro-organismien ja sienten rakenteen. C-säteilyä synnyttävät erityiset bakterisidiset lamput (kuva 26.9).

Jotkut lääketieteelliset tekniikat käyttävät C-säteilyä veren säteilyttämiseen.

Ultraviolettinen nälkä. Ultraviolettisäteily on välttämätöntä kehon normaalille kehitykselle ja toiminnalle. Sen puute johtaa useisiin vakaviin sairauksiin. Äärimmäisen alueen asukkaat kohtaavat ultraviolettinälkää

Riisi. 26.9. Bakterisidinen säteilytin (a), nenänielun säteilytin (b)

Pohjois, kaivosteollisuuden työntekijät, metro, suurten kaupunkien asukkaat. Kaupungeissa ultraviolettisäteilyn puute liittyy pölyn, savun ja kaasujen aiheuttamaan ilmansaasteisiin, jotka estävät auringon spektrin UV-osan. Tilojen ikkunat eivät läpäise UV-säteitä, joiden aallonpituus on λ< 310 нм. Значительно снижают УФ-поток загрязненные стекла и занавеси (тюлевые занавески снижают УФ-излучение на 20 %). Поэтому на многих производствах и в быту наблюдается так называемая «биологическая полутьма». В первую очередь страдают дети (возрастает вероятность заболевания рахитом).

Ultraviolettisäteilyn vaarat

Altistuminen liialliselle Ultraviolettisäteilyannokset koko kehoon ja sen yksittäisiin elimiin johtaa useisiin patologioihin. Ensinnäkin tämä viittaa hallitsemattoman auringonoton seurauksiin: palovammoihin, ikäpisteisiin, silmävaurioihin - valoftalmian kehittymiseen. Ultraviolettisäteilyn vaikutus silmään on samanlainen kuin punoitus, koska se liittyy proteiinien hajoamiseen silmän sarveiskalvon ja limakalvojen soluissa. Ihmisen elävät ihosolut ovat suojassa UV-säteiden tuhoisalta vaikutukselta "kuollut-

mi" ihon marraskeden solut. Silmiltä puuttuu tämä suoja, joten merkittävällä silmäsäteilyannoksella silmän sarveiskalvon (keratiitti) ja limakalvojen tulehdus (sidekalvotulehdus) kehittyy piilevän ajanjakson jälkeen. Tämä vaikutus johtuu säteistä, joiden aallonpituus on alle 310 nm. Silmä on suojattava tällaisilta säteiltä. Erityistä huomiota tulee kiinnittää UV-säteilyn blastomogeeniseen vaikutukseen, joka johtaa ihosyövän kehittymiseen.

26.7. Peruskäsitteet ja kaavat

Taulukon jatko

Pöydän loppu

26.8. Tehtävät

2. Määritä, kuinka monta kertaa ihmiskehon pinnan alueiden energiavalovoimat eroavat toisistaan, joiden lämpötila on 34 ja 33 ° C?

3. Kun rintakasvain diagnosoidaan termografialla, potilaalle annetaan juotavaksi glukoosiliuosta. Jonkin ajan kuluttua kehon pinnan lämpösäteily tallennetaan. Kasvainkudossolut imevät intensiivisesti glukoosia, minkä seurauksena niiden lämmöntuotanto lisääntyy. Kuinka monta astetta kasvaimen yläpuolella olevan ihoalueen lämpötila muuttuu, jos pinnasta tuleva säteily lisääntyy 1 % (1,01 kertaa)? Kehon alueen alkulämpötila on 37°C.

6. Kuinka paljon ihmisen kehon lämpötila nousi, jos kehon pinnalta tuleva säteilyvirta lisääntyi 4 %? Alkuperäinen ruumiinlämpö on 35°C.

7. Huoneessa on kaksi identtistä vedenkeitintä, jotka sisältävät yhtä suuret massat vettä 90 °C:ssa. Toinen on niklattu ja toinen musta. Mikä vedenkeitin jäähtyy nopeimmin? Miksi?

Ratkaisu

Kirchhoffin lain mukaan emittoivien ja absorboivien kykyjen suhde on sama kaikille kehoille. Nikkelipinnoitettu teekannu heijastaa lähes kaiken valon. Siksi sen imukyky on pieni. Vastaavasti emissiokyky on myös pieni.

Vastaus: tumma kattila jäähtyy nopeammin.

8. Tuholaisten tuhoamiseksi vilja altistetaan infrapunasäteilylle. Miksi ötökät kuolevat, mutta vilja ei?

Vastaus: vikoja on musta väriä, joten ne imevät intensiivisesti infrapunasäteilyä ja tuhoutuvat.

9. Teräspalaa lämmitettäessä havaitsemme kirkkaan kirsikanpunaista lämpöä 800 ° C:n lämpötilassa, mutta läpinäkyvä sulatetun kvartsin sauva ei hehku ollenkaan samassa lämpötilassa. Miksi?

Ratkaisu

Katso tehtävä 7. Läpinäkyvä kappale imee pienen osan valosta. Siksi sen emissiokyky on pieni.

Vastaus: läpinäkyvä kappale ei käytännössä säteile, vaikka se olisi voimakkaasti kuumennettu.

10. Miksi monet eläimet nukkuvat käpertyneenä kylmällä säällä?

Vastaus: tässä tapauksessa kehon avoin pinta pienenee ja vastaavasti säteilyhäviöt pienenevät.

Kappaleiden lämpösäteilyä kutsutaan sähkömagneettiseksi säteilyksi, joka johtuu kehon sisäisen energian siitä osasta, joka liittyy sen hiukkasten lämpöliikkeeseen.

Lämpötilaan kuumennettujen kappaleiden lämpösäteilyn pääominaisuudet T ovat:

1. Energiaa kirkkausR (T ) -aikayksikköä kohden säteilevän energian määrä kehon pintayksikköä kohti koko aallonpituusalueella. Riippuu säteilevän kehon lämpötilasta, luonteesta ja pinnan tilasta. SI-järjestelmässä R ( T ) on mitat [W/m 2 ].

2. Energian valoisuuden spektritiheysr (  ,T) =dW/ d - kehon pintayksikön lähettämän energian määrä aikayksikköä kohti yksikköaallonpituusvälillä (lähellä tarkasteltua aallonpituutta ). Nuo. tämä määrä on numeerisesti yhtä suuri kuin energiasuhde dW säteilee pinta-alayksikköä kohti aikayksikköä kohden kapealla aallonpituusalueella alkaen  ennen  +d , tämän välin leveydelle. Se riippuu kehon lämpötilasta, aallonpituudesta ja myös säteilevän kehon pinnan luonteesta ja tilasta. SI-järjestelmässä r( , T) on mitat [W/m 3 ].

Energian kirkkaus R(T) liittyvät energian valoisuuden spektritiheyteen r( , T) seuraavalla tavalla:

(1) [W/m2]

3. Kaikki kappaleet eivät vain säteile, vaan myös absorboivat niiden pinnalle tulevia sähkömagneettisia aaltoja. Kappaleiden absorptiokyvyn määrittämiseksi suhteessa tietyn aallonpituuden sähkömagneettisiin aaltoihin otetaan käyttöön käsite monokromaattinen absorptiokerroin-kehon pinnan absorboiman monokromaattisen aallon energian suhde tulevan monokromaattisen aallon energiaan:

Monokromaattinen absorptiokerroin on dimensioton suure, joka riippuu lämpötilasta ja aallonpituudesta. Se osoittaa, kuinka suuri osa tulevan monokromaattisen aallon energiasta absorboituu kehon pintaan. Arvo  ( , T) voi ottaa arvot välillä 0-1.

Säteilyä adiabaattisesti suljetussa järjestelmässä (ei vaihda lämpöä ympäristön kanssa) kutsutaan tasapainoksi.. Jos onkalon seinämään syntyy pieni reikä, tasapainotila muuttuu hieman ja onkalosta lähtevä säteily vastaa tasapainosäteilyä.

Jos säde suunnataan tällaiseen reikään, niin toistuvien heijastusten ja ontelon seinien absorption jälkeen se ei voi palata ulos. Tämä tarkoittaa, että tällaisen reiän absorptiokerroin ( , T) = 1.

Tarkoitettu suljettu onkalo pienellä reiällä toimii yhtenä malleista täysin musta runko.

Täysin musta runkokutsutaan kappaleeksi, joka absorboi kaiken siihen tulevan säteilyn riippumatta tulevan säteilyn suunnasta, sen spektrikoostumuksesta ja polarisaatiosta (heijastamatta tai välittämättä mitään).

Mustalle kappaleelle energian valoisuuden spektritiheys on jokin universaali aallonpituuden ja lämpötilan funktio f( , T) eikä se riipu sen luonteesta.

Kaikki luonnonkappaleet heijastavat osittain pinnalle tulevaa säteilyä eivätkä siksi kuulu täysin mustiin kappaleisiin. Jos kappaleen monokromaattinen absorptiokerroin on sama kaikki aallonpituudet ja vähemmänyksiköitä(( , T) = Т =vakio<1),silloin sellaista kehoa kutsutaan harmaa. Harmaan kappaleen monokromaattinen absorptiokerroin riippuu vain kappaleen lämpötilasta, sen luonteesta ja pinnan tilasta.

Kirchhoff osoitti, että kaikille kappaleille niiden luonteesta riippumatta energian valoisuuden spektritiheyden suhde monokromaattiseen absorptiokertoimeen on sama universaali aallonpituuden ja lämpötilan funktio. f( , T) , joka on mustan kappaleen energian kirkkauden spektritiheys :

Yhtälö (3) on Kirchhoffin laki.

Kirchhoffin laki voidaan muotoilla näin: kaikille järjestelmän kappaleille, jotka ovat termodynaamisessa tasapainossa, energian valovoiman spektritiheyden suhde kertoimeen monokromaattinen absorptio ei riipu kehon luonteesta, se on sama toiminto kaikille kehoille riippuen aallonpituudesta ja lämpötila T.

Edellä olevasta ja kaavasta (3) on selvää, että tietyssä lämpötilassa ne harmaat kappaleet, joilla on suuri absorptiokerroin, säteilevät voimakkaammin ja ehdottomasti mustat kappaleet voimakkaimmin. Koska täysin mustalle vartalolle(  , T)=1, niin kaava (3) tarkoittaa, että universaali funktio f( , T) on mustan kappaleen energian kirkkauden spektritiheys