Kehon emissiokyky rl, T numeerisesti yhtä suuri kuin kehon energia dWl kehon säteilemä kehon pintayksiköstä aikayksikköä kohden kehon lämpötilassa T aallonpituusalueella l - l +dl, nuo.

Tätä arvoa kutsutaan myös kehon energian valovoiman spektritiheydeksi.

Energian luminositeetti suhteutetaan emissiivisyyteen kaavan mukaan

imukyky kehon al, T- luku, joka osoittaa kuinka suuri osa kehon pintaan tulevan säteilyn energiasta absorboituu aallonpituusalueella l - l +dl, nuo.

Keho, jolle al ,T=1 koko aallonpituusalueella, kutsutaan mustaksi kappaleeksi (musta kappale).

Keho, jolle al ,T=vakio<1 koko aallonpituusalueella kutsutaan harmaaksi.

missä- spektritiheys energian kirkkaus, tai kehon emissiokyky .

Kokemus osoittaa, että kehon emissiokyky riippuu kehon lämpötilasta (jokaiselle lämpötilalle suurin säteily on omalla taajuusalueellaan). Ulottuvuus .

Kun tiedät emissiivisyyden, voit laskea energian valoisuuden:

nimeltään kehon absorptiokyky . Se riippuu myös voimakkaasti lämpötilasta.

Määritelmän mukaan se ei voi olla suurempi kuin yksi. Keholle, joka absorboi täysin kaikkien taajuuksien säteilyä, . Sellaista ruumista kutsutaan aivan musta (tämä on idealisointi).

Runko, jolle ja on pienempi kuin yksikkö kaikilla taajuuksilla,nimeltään harmaa vartalo (tämä on myös idealisointi).

Kehon säteilevän ja absorboivan kyvyn välillä on tietty suhde. Suoritetaan henkisesti seuraava koe (kuva 1.1).

Riisi. 1.1

Olkoon suljetun kuoren sisällä kolme ruumista. Kehot ovat tyhjiössä, joten energian vaihto voi tapahtua vain säteilyn vaikutuksesta. Kokemus osoittaa, että jonkin ajan kuluttua tällainen järjestelmä tulee termisen tasapainon tilaan (kaikilla kappaleilla ja kuorella on sama lämpötila).

Tässä tilassa keho, jolla on suurempi säteilykapasiteetti, menettää enemmän energiaa aikayksikköä kohden, mutta siksi tällä keholla on myös oltava suurempi absorbointikyky:

Gustav Kirchhoff muotoili vuonna 1856 laki ja ehdotti musta runkomalli .

Emissiivisuuden suhde absorptiokykyyn ei riipu kehon luonteesta, se on sama kaikille kappaleille.(yleismaailmallinen)taajuuden ja lämpötilan funktio.

missä - universaali Kirchhoff-toiminto.

Tällä funktiolla on universaali eli absoluuttinen luonne.

Määrät ja itse, erikseen otettuna, voivat muuttua erittäin voimakkaasti siirtyessään kehosta toiseen, mutta niiden suhde jatkuvasti kaikille kehoille (tietyllä taajuudella ja lämpötilalla).

Täysin mustalle rungolle siis sille, ts. Kirchhoffin universaali tehtävä ei ole muuta kuin täysin mustan vartalon loisto.

Luonnossa ei ole täysin mustia ruumiita. Noen tai platinamustalla on vaimennusvoimaa, mutta vain rajoitetulla taajuusalueella. Pienen aukon omaava onkalo on kuitenkin ominaisuuksiltaan hyvin lähellä täysin mustaa kappaletta. Sisään joutunut säde usean heijastuksen jälkeen absorboituu välttämättä ja minkä tahansa taajuuden säde (kuva 1.2).

Riisi. 1.2

Tällaisen laitteen (ontelon) emissiokyky on hyvin lähellä f(ν, ,T). Siten, jos ontelon seinät pidetään lämpötilassa T, silloin reiästä tulee säteilyä, joka on spektrikoostumukseltaan hyvin lähellä täysin mustan kappaleen säteilyä samassa lämpötilassa.

Laajentamalla tätä säteilyä spektriksi voimme löytää funktion kokeellisen muodon f(ν, ,T) (Kuva 1.3), eri lämpötiloissa T 3 > T 2 > T 1 .

Riisi. 1.3

Käyrän peittämä alue antaa mustan kappaleen energian kirkkauden sopivassa lämpötilassa.

Nämä käyrät ovat samat kaikille kehoille.

Käyrät ovat samanlaisia ​​kuin molekyylien nopeusjakaumafunktio. Mutta siellä käyrien peittämät alueet ovat vakioita, kun taas täällä lämpötilan noustessa pinta-ala kasvaa merkittävästi. Tämä viittaa siihen, että energian yhteensopivuus riippuu suuresti lämpötilasta. Suurin säteily (emissiokyky) lämpötilan noustessa on siirtymässä kohti korkeampia taajuuksia.

Lämpösäteilyn lait

Mikä tahansa kuumennettu kappale lähettää sähkömagneettisia aaltoja. Mitä korkeampi kehon lämpötila on, sitä lyhyempiä aaltoja se lähettää. Kehoa, joka on termodynaamisessa tasapainossa sen säteilyn kanssa, kutsutaan aivan musta (AChT). Mustan kappaleen säteily riippuu vain sen lämpötilasta. Vuonna 1900 Max Planck johti kaavan, jolla täysin musta kappale voi tietyssä lämpötilassa laskea säteilynsä voimakkuuden.

Itävaltalaiset fyysikot Stefan ja Boltzmann loivat lain, joka ilmaisee kokonaisemissiivisyyden ja mustan kappaleen lämpötilan välisen kvantitatiivisen suhteen:

Tätä lakia kutsutaan Stefan-Boltzmannin laki . Vakio σ \u003d 5,67 ∙ 10 -8 W / (m 2 ∙ K 4) kutsuttiin Stefan-Boltzmannin vakio .

Kaikilla Planck-käyrillä on selvästi korostunut maksimi, joka johtuu aallonpituudesta

Tätä lakia kutsutaan Wienin laki . Joten Auringolle T 0 = 5800 K, ja maksimi osuu aallonpituudelle λ max ≈ 500 nm, mikä vastaa vihreää väriä optisella alueella.

Lämpötilan noustessa mustan kappaleen säteilymaksimi siirtyy spektrin lyhytaaltoiselle osalle. Kuumempi tähti säteilee suurimman osan energiastaan ​​ultraviolettialueella, vähemmän kuuma infrapunassa.

Valosähköinen ilmiö. Fotonit

valosähköinen ilmiö sen löysi vuonna 1887 saksalainen fyysikko G. Hertz, ja A. G. Stoletov tutki sitä kokeellisesti vuosina 1888–1890. Täydellisimmän tutkimuksen valosähköisen ilmiön ilmiöstä suoritti F. Lenard vuonna 1900. Siihen mennessä elektroni oli jo löydetty (1897, J. Thomson), ja kävi selväksi, että valosähköinen vaikutus (tai tarkemmin sanottuna ulkoinen valosähköinen vaikutus) koostuu elektronien vetämisestä ulos aineesta siihen putoavan valon vaikutuksesta.

Valosähköisen vaikutuksen tutkimiseen tarkoitetun kokeellisen järjestelyn asettelu on esitetty kuvassa. 5.2.1.

Kokeissa käytettiin lasista tyhjiöastiaa kahdella metallielektrodilla, jonka pinta puhdistettiin perusteellisesti. Elektrodeihin syötettiin jännite U, jonka napaisuutta voi muuttaa kaksoisavaimella. Yksi elektrodeista (katodi K) valaistiin kvartsiikkunan läpi monokromaattisella valolla, jolla oli tietty aallonpituus λ. Vakiovalovirralla otettiin valovirran voimakkuuden riippuvuus minä käytetystä jännitteestä. Kuvassa 5.2.2 esittää tyypillisiä tällaisen riippuvuuden käyriä, jotka on saatu katodille tulevan valovirran intensiteetin kahdelle arvolle.

Käyrät osoittavat, että riittävän korkeilla positiivisilla jännitteillä anodilla A valovirta saavuttaa kyllästymisen, koska kaikki katodista valon aiheuttamat elektronit saavuttavat anodin. Huolelliset mittaukset ovat osoittaneet, että kyllästysvirta minä n on suoraan verrannollinen tulevan valon voimakkuuteen. Kun jännite anodin yli on negatiivinen, katodin ja anodin välinen sähkökenttä hidastaa elektroneja. Anodi voi tavoittaa vain ne elektronit, joiden liike-energia ylittää | EU|. Jos anodin jännite on pienempi kuin - U h, valovirta pysähtyy. mittaamalla U h, on mahdollista määrittää fotoelektronien suurin kineettinen energia:

Lukuisat kokeet ovat vahvistaneet seuraavat valosähköisen vaikutuksen peruslait:

1. Fotoelektronien suurin kineettinen energia kasvaa lineaarisesti valotaajuuden ν kasvaessa eikä riipu sen intensiteetistä.
2. Jokaiselle aineelle on ns punaisen reunan valokuvatehoste , eli pienin taajuus ν min, jolla ulkoinen valosähköilmiö on vielä mahdollinen.
3. Katodista valon vetämien valoelektronien määrä 1 sekunnissa on suoraan verrannollinen valon voimakkuuteen.
4. Valosähköinen vaikutus on käytännössä inertiaton, valovirta syntyy välittömästi katodivalaistuksen alkamisen jälkeen, mikäli valon taajuus ν > ν min.

Kaikki nämä valosähköisen vaikutuksen lait olivat pohjimmiltaan ristiriidassa klassisen fysiikan ajatusten kanssa valon vuorovaikutuksesta aineen kanssa. Aaltokäsitteiden mukaan elektronin olisi vuorovaikutuksessa sähkömagneettisen valoaallon kanssa vähitellen kerryttävä energiaa ja kestäisi valon voimakkuudesta riippuen huomattavan ajan, ennen kuin elektroni kerää tarpeeksi energiaa lentääkseen katodista. . Laskelmat osoittavat, että tämä aika olisi pitänyt laskea minuuteissa tai tunneissa. Kokemus kuitenkin osoittaa, että fotoelektroneja ilmaantuu välittömästi katodin valaistuksen alkamisen jälkeen. Tässä mallissa oli myös mahdotonta ymmärtää valosähköisen vaikutuksen punaisen rajan olemassaoloa. Valon aaltoteoria ei pystynyt selittämään fotoelektronien energian riippumattomuutta valovirran intensiteetistä ja suurimman kineettisen energian suhteellisuutta valon taajuuteen.

Siten valon sähkömagneettinen teoria ei kyennyt selittämään näitä säännönmukaisuuksia.

A. Einstein löysi ulospääsyn vuonna 1905. Einstein antoi teoreettisen selityksen havaituille valosähköisen vaikutuksen laeille M. Planckin hypoteesin perusteella, jonka mukaan valo emittoituu ja absorboituu tietyissä osissa ja kunkin energian. tällainen osa määritetään kaavalla E = h v, missä h on Planckin vakio. Einstein otti seuraavan askeleen kvanttikäsitteiden kehittämisessä. Hän tuli siihen tulokseen valolla on epäjatkuva (erillinen) rakenne. Sähkömagneettinen aalto koostuu erillisistä osista - kvanteista, myöhemmin nimetty fotonit. Vuorovaikutuksessa aineen kanssa fotoni siirtää kaiken energiansa h yhdelle elektronille. Elektroni voi hajottaa osan tästä energiasta törmäyksessä aineatomien kanssa. Lisäksi osa elektronienergiasta kuluu metalli-tyhjiörajapinnan potentiaaliesteen ylittämiseen. Tätä varten elektronin on suoritettava työtoiminto A riippuen katodimateriaalin ominaisuuksista. Suurin kineettinen energia, joka katodista emittoidulla fotoelektronilla voi olla, määräytyy energian säilymislain mukaan:

Tätä kaavaa kutsutaan Einsteinin yhtälö valosähköiselle efektille .

Einsteinin yhtälön avulla voidaan selittää kaikki ulkoisen valosähköisen vaikutuksen säännöllisyydet. Einsteinin yhtälöstä seuraa suurimman kineettisen energian lineaarinen riippuvuus taajuudesta ja riippumattomuus valon intensiteetistä, punaisen rajan olemassaolo ja valosähköisen vaikutuksen inertia. Katodin pinnalta 1 sekunnissa poistuvien fotoelektronien kokonaismäärän tulee olla verrannollinen pinnalle samanaikaisesti putoavien fotonien lukumäärään. Tästä seuraa, että kyllästysvirran on oltava suoraan verrannollinen valovirran intensiteettiin.

Kuten Einsteinin yhtälöstä seuraa, suoran kaltevuus, joka ilmaisee estopotentiaalin riippuvuuden U h taajuudesta ν (kuva 5.2.3), on yhtä suuri kuin Planckin vakion suhde h elektronin varaukseen e:

missä c on valon nopeus, λcr on valosähköisen vaikutuksen punaista rajaa vastaava aallonpituus. Useimmille metalleille työtoiminto A on muutama elektronivoltti (1 eV = 1,602 10 -19 J). Kvanttifysiikassa elektronivolttia käytetään usein energian yksikkönä. Planckin vakion arvo, joka ilmaistaan ​​elektronivolteina sekunnissa, on

Metalleista alkalisilla alkuaineilla on alhaisin toimintakyky. Esimerkiksi natriumia A= 1,9 eV, mikä vastaa valosähköisen vaikutuksen punaista rajaa λcr ≈ 680 nm. Siksi alkalimetalliyhdisteitä käytetään katodien luomiseen valokennot suunniteltu havaitsemaan näkyvää valoa.

Joten valosähköisen vaikutuksen lait osoittavat, että valo käyttäytyy säteillään ja absorboituessaan hiukkasvirran ns. fotonit tai valokvantit .

Fotonienergia on

tästä seuraa, että fotonilla on liikemäärä

Siten valooppi, saatuaan päätökseen kaksi vuosisataa kestäneen vallankumouksen, palasi jälleen valohiukkasten - verisolujen - ajatuksiin.

Mutta tämä ei ollut mekaaninen paluu Newtonin korpuskulaariseen teoriaan. 1900-luvun alussa kävi selväksi, että valolla on kaksoisluonne. Kun valo etenee, sen aalto-ominaisuudet ilmaantuvat (häiriö, diffraktio, polarisaatio) ja vuorovaikutuksessa aineen kanssa korpuskulaariset ominaisuudet (valosähköinen vaikutus). Tätä valon kaksoisluonnetta kutsutaan aalto-hiukkanen kaksinaisuus . Myöhemmin kaksinaisuus löydettiin elektroneista ja muista alkeishiukkasista. Klassinen fysiikka ei voi antaa visuaalista mallia mikroobjektien aalto- ja korpuskulaaristen ominaisuuksien yhdistelmästä. Mikroobjektien liikettä ei ohjaa klassisen newtonilaisen mekaniikan, vaan kvanttimekaniikan lait. M. Planckin kehittämä mustan kappaleen säteilyteoria ja Einsteinin kvanttiteoria valosähköisestä vaikutuksesta ovat tämän modernin tieteen taustalla.

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 emittoivat merkittävän osan energiasta näkyvällä alueella, ja huoneenlämpötilassa lähes kaikki energia säteilee spektrin infrapuna-osassa.

26.1. Lämpösäteilyn ominaisuudet

Energiaa, jonka keho menettää lämpösäteilyn seurauksena, 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 emissiokyky 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 = 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 imeytyy lähes kokonaan useiden seinien heijastusten jälkeen. Samanlaisia ​​laitteita

Riisi. 26.2. Musta runkomalli

käytetään valostandardeina, käytetään korkeiden lämpötilojen mittaamiseen jne.

Täysin mustan kappaleen energiavaloisuuden spektritiheys on merkitty ε(λ, Τ). Tällä funktiolla 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 emissiokyky 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 säteile 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 emissiokyky 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 emissiokyky täysin musta vartalo teoriassa. Tätä varten hänen täytyi luopua klassisista käsityksistä 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) vähentynyt 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 havaitaan lämpötilan nousu. 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 imeytymispaikallaan 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:een.

Lamppu Sollux on tehokas hehkulamppu, joka on sijoitettu kolmijalan erityiseen heijastimeen. Säteilyn lähde on hehkulamppu, jonka teho on 500 W (volframilangan lämpötila 2800°C, säteilyn maksimi aallonpituudella 2 μm).

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 yhteiskäyttö A-säteilyn kanssa on perusta ns valokemoterapia tai PUVA-hoito(PUVA: P - psoraleeni; UVA - ultraviolettisäteilyvyöhyke A). Osa kehosta tai koko keho altistuu säteilylle.

B säteilyä sillä on vitamiineja muodostava anti-rachitic vaikutus.

C-säteilyä sillä on bakterisidinen vaikutus. Säteilytys tuhoaa mikro-organismien ja sienten rakenteen. C-säteilyä tuotetaan erityisillä bakteereja tappavilla lampuilla (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 ilman saastumiseen, 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 koskee hallitsemattoman auringonoton seurauksia: palovammoja, ikäpisteitä, silmävaurioita - valoftalmian kehittymistä. 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 soluja. 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 sellaisilta 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 kasvoi 4 %? Alkuperäinen ruumiinlämpö on 35°C.

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

Päätös

Kirchhoffin lain mukaan emittoivien ja absorboivien kykyjen suhde on sama kaikille kappaleille. 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?

Päätös

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 ontelo 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 valovoiman spektritiheyden suhde monokromaattiseen absorptiokertoimeen on sama universaali aallonpituuden ja lämpötilan funktio. f( , T) , joka on mustan kappaleen energian valoisuuden spektritiheys :

Yhtälö (3) on Kirchhoffin laki.

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

Edellä olevasta ja kaavasta (3) käy selväksi, 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

LÄMPÖSÄTEILY Stefan Boltzmannin laki Energiakirkkauden Re ja täysin mustan kappaleen energiavalovoiman spektritiheyden suhde Harmaan kappaleen energiakirkkaus Wienin siirtymälaki (1. laki) Mustan energian valovoiman maksimispektritiheyden riippuvuus kehon lämpötila (2. laki) Planckin kaava

LÄMPÖSÄTEILY 1. Auringon valovoiman maksimispektritiheys putoaa aallonpituudelle = 0,48 mikronia. Olettaen, että aurinko säteilee mustana kappaleena, määritä: 1) sen pinnan lämpötila; 2) sen pinnan säteilemä teho. Wienin siirtymälain mukaan Auringon pinnalta säteilevä voima Stefan Boltzmannin lain mukaan

LÄMPÖSÄTEILY 2. Määritä 50 cm 2:n lämpöhäviö sulan platinan pinnasta 1 minuutissa, jos platinan absorptiokyky AT = 0,8. Platinan sulamispiste on 1770 °C. Platinan menettämän lämmön määrä on yhtä suuri kuin sen kuuman pinnan lähettämä energia Stefan Boltzmannin lain mukaan.

LÄMPÖSÄTEILY 3. Sähköuuni kuluttaa tehoa P = 500 W. Sen sisäpinnan lämpötila, jossa on avoin pieni reikä, jonka halkaisija on d = 5,0 cm, on 700 °C. Mikä osa kulutetusta tehosta haihtuu seiniin? Kokonaisteho määräytyy reiän läpi hajaantuneen tehon summana. Seinien hajonneen tehon summa Stefan Boltzmannin lain mukaan

LÄMPÖSÄTEILY 4 Volframifilamentti kuumennetaan tyhjössä virralla I = 1 A lämpötilaan T 1 = 1000 K. Millä virranvoimakkuudella hehkulanka lämpenee lämpötilaan T 2 = 3000 K? Lämpötiloja T 1, T 2 vastaavat volframin absorptiokertoimet ja sen ominaisvastus ovat: a 1 = 0,115 ja a 2 = 0,334; 1 = 25, Ohm m, 2 = 96, Ohm m Säteilyteho on yhtä suuri kuin sähköpiiristä tasaisessa tilassa kulutettu teho. Johtimessa vapautuva sähköteho Stefan Boltzmannin lain mukaan

LÄMPÖSÄTEILY 5. Auringon spektrissä energian valoisuuden maksimispektritiheys osuu aallonpituudelle 0 = 0,47 µm. Olettaen, että aurinko säteilee täysin mustana kappaleena, selvitä auringon säteilyn intensiteetti (eli säteilyvuon tiheys) lähellä Maata sen ilmakehän ulkopuolelta. Valovoima (säteilyvoimakkuus) Valovirta Stefan Boltzmannin ja Wienin lakien mukaan

LÄMPÖSÄTEILY 6. Aallonpituus 0, joka vastaa maksimienergiaa mustan kappaleen säteilyspektrissä, on 0,58 mikronia. Määritä energian valoisuuden maksimispektritiheys (r,T) max, laskettuna aallonpituusvälille = 1 nm, lähellä 0. Energian valoisuuden maksimispektritiheys on verrannollinen lämpötilan viidenteen potenssiin ja ilmaistaan ​​2. Wienin lailla on annettu SI-yksiköissä, jossa yksi aallonpituusväli = 1 m. Tehtävän ehdon mukaan on laskettava energian valoisuuden spektritiheys, joka on laskettu aallonpituusvälille 1 nm, joten arvo kirjoitetaan ulos C:stä SI-yksiköissä ja laske se uudelleen tietylle aallonpituusvälille:

LÄMPÖSÄTEILY 7. Auringon säteilyspektrin tutkimus osoittaa, että energian valovoiman maksimispektritiheys vastaa aallonpituutta =500 nm. Kun otetaan aurinko mustaksi kappaleeksi, määritä: 1) Auringon energiakirkkaus R e; 2) Auringon säteilemä energiavirta Ф e; 3) Auringon 1 sekunnissa lähettämien (kaiken pituisten) sähkömagneettisten aaltojen massa. 1. Stefan Boltzmannin ja Wienin lakien mukaan 2. Valovirta 3. Auringon lähettämien (kaiken pituisten) sähkömagneettisten aaltojen massa ajan t = 1 s aikana määritetään soveltamalla massan ja energia E = ms 2. Aikana t säteilevien sähkömagneettisten aaltojen energia on yhtä suuri kuin energiavirran Ф e ((säteilyteho) ja ajan tulo: E \u003d Ф e t. Siksi Ф e \u003d ms 2 , josta m \u003d Ф e / s 2.

Kehon energian kirkkaus- - fysikaalinen suure, joka on lämpötilan funktio ja joka on numeerisesti yhtä suuri kuin kehon aikayksikköä kohti pinta-alayksikköä kohti säteilemä energia kaikkiin suuntiin ja koko taajuusspektrillä. J/s m²=W/m²

Energian valoisuuden spektritiheys- taajuuden ja lämpötilan funktio, joka kuvaa säteilyenergian jakautumista koko taajuusspektrin (tai aallonpituuksien) yli. , Samanlainen funktio voidaan kirjoittaa myös aallonpituudella

Voidaan todistaa, että energian valoisuuden spektritiheys, ilmaistuna taajuudella ja aallonpituudella, liittyy suhteeseen:

Täysin musta runko- termodynamiikassa käytetty fyysinen idealisointi, kappale, joka absorboi kaiken sille tulevan sähkömagneettisen säteilyn kaikilla alueilla eikä heijasta mitään. Nimestä huolimatta musta kappale itse voi lähettää minkä tahansa taajuuden sähkömagneettista säteilyä ja sillä on visuaalisesti väri. Mustan kappaleen säteilyspektri määräytyy vain sen lämpötilan perusteella.

Mustan kappaleen merkitys kysymyksessä minkä tahansa (harmaan ja värillisen) kappaleen lämpösäteilyn spektristä yleensä, sen lisäksi, että se on yksinkertaisin ei-triviaali tapaus, on myös siinä, että kysymys tasapainospektristä minkä tahansa väristen kappaleiden lämpösäteily ja heijastuskerroin pelkistetään klassisen termodynamiikan menetelmillä kysymykseen täysin mustasta kappaleesta tulevasta säteilystä (ja historiallisesti tämä tehtiin jo 1800-luvun lopulla, kun säteilyn ongelma ehdottoman musta ruumis tuli esiin).

Luonnossa ei ole täysin mustia kappaleita, joten fysiikassa käytetään mallia kokeisiin. Se on suljettu ontelo, jossa on pieni aukko. Tämän reiän läpi tuleva valo imeytyy täysin toistuvien heijastusten jälkeen, ja reikä näyttää ulkopuolelta täysin mustalta. Mutta kun tätä onkaloa lämmitetään, sillä on oma näkyvä säteilynsä. Koska onkalon sisäseinien lähettämä säteily, ennen kuin se poistuu (reikä on hyvin pieni), suurimmassa osassa tapauksista se käy läpi valtavan määrän uusia absorptioita ja säteilyä, voidaan sanoa varmuus siitä, että onkalon sisällä oleva säteily on termodynaamisessa tasapainossa seinien kanssa. (Itse asiassa reikä ei ole tässä mallissa ollenkaan tärkeä, sitä tarvitaan vain korostamaan sisällä olevan säteilyn perustavaa laatua olevaa havaittavuutta; reikä voidaan esimerkiksi sulkea kokonaan ja avata nopeasti vasta kun tasapaino on jo saavutettu on tehty ja mittaus tehdään).

2. Kirchhoffin säteilylaki on fyysinen laki, jonka saksalainen fyysikko Kirchhoff vahvisti vuonna 1859. Nykyaikaisessa muotoilussa laki kuuluu seuraavasti: Minkä tahansa kappaleen emissiokyvyn suhde sen absorptiokykyyn on sama kaikille kappaleille tietyssä lämpötilassa tietyllä taajuudella, eikä se riipu niiden muodosta, kemiallisesta koostumuksesta jne.

Tiedetään, että kun sähkömagneettista säteilyä osuu tiettyyn kehoon, osa siitä heijastuu, osa absorboituu ja osa voi siirtyä. Tietyllä taajuudella absorboituneen säteilyn osaa kutsutaan imukyky kehoa. Toisaalta jokainen kuumennettu kappale säteilee energiaa tietyn lain, ns kehon emissiokyky.

Arvot ja voivat vaihdella suuresti liikuttaessa kehosta toiseen, mutta Kirchhoffin säteilylain mukaan emittoivien ja absorboivien kykyjen suhde ei riipu kehon luonteesta ja on universaali taajuuden funktio ( aallonpituus) ja lämpötila:

Määritelmän mukaan täysin musta kappale absorboi kaiken sille kuuluvan säteilyn eli sitä varten. Siksi funktio osuu täysin mustan kappaleen emissiokykyyn, joka kuvataan Stefan-Boltzmannin lailla, minkä seurauksena minkä tahansa kappaleen emissiokyky voidaan löytää vain sen absorptiokyvyn perusteella.

Stefan-Boltzmannin laki- täysin mustan kappaleen säteilyn laki. Määrittää täysin mustan kappaleen säteilytehon riippuvuuden sen lämpötilasta. Lain sanamuoto: Täysin mustan kappaleen säteilyteho on suoraan verrannollinen pinta-alaan ja kehon lämpötilan neljänteen potenssiin: P = Sεσ T 4 , jossa ε on emissiivisyysaste (kaikille aineille ε< 1, для абсолютно черного тела ε = 1).

Käyttämällä Planckin lakia säteilylle, vakio σ voidaan määritellä missä on Planckin vakio, k on Boltzmannin vakio, c on valon nopeus.

Numeerinen arvo J s −1 m −2 K −4 .

Saksalainen fyysikko W. Wien (1864-1928) määritti termo- ja sähködynamiikan lakeihin perustuen funktion maksimia vastaavan aallonpituuden l max riippuvuuden. r l , T , lämpötila T. Mukaan Wienin siirtymälaki,l max \u003d b / T

eli aallonpituus lmax, joka vastaa energian kirkkauden spektritiheyden maksimiarvoa rl, T musta kappale on kääntäen verrannollinen sen termodynaamiseen lämpötilaan, b- Wienin vakio: sen kokeellinen arvo on 2,9 10 -3 m K. Lauseketta (199,2) kutsutaan siksi laiksi puolueellisuus Vika on, että se näyttää funktion maksimin sijainnin siirtymisen rl, T lämpötilan noustessa lyhyiden aallonpituuksien alueelle. Wienin laki selittää, miksi kuumennettujen kappaleiden lämpötilan laskiessa niiden spektrissä vallitsee pitkäaaltosäteily (esimerkiksi valkolämmön siirtyminen punaiseksi metallin jäähtyessä).

Huolimatta siitä, että Stefan-Boltzmannin ja Wienin laeilla on tärkeä rooli lämpösäteilyn teoriassa, ne ovat erityislakeja, koska ne eivät anna yleiskuvaa energian jakautumisesta taajuuksille eri lämpötiloissa.

3. Anna tämän onkalon seinien heijastaa niihin putoavaa valoa kokonaan. Laitetaan onkaloon jokin kappale, joka lähettää valoenergiaa. Ontelon sisään syntyy sähkömagneettinen kenttä, joka lopulta täyttyy säteilyllä, joka on lämpötasapainossa kehon kanssa. Tasapaino tulee myös siinä tapauksessa, että tutkitun kehon lämmönvaihto ympäristön kanssa jollakin tavalla eliminoituu kokonaan (esimerkiksi teemme tämän henkisen kokeen tyhjiössä, kun ei ole lämmönjohtamisilmiöitä ja konvektio). Ainoastaan ​​valon emissio- ja absorptioprosessien ansiosta tasapaino tulee väistämättä: säteilevän kappaleen lämpötila on yhtä suuri kuin ontelon sisällä olevan tilan isotrooppisesti täyttävän sähkömagneettisen säteilyn lämpötila, ja jokainen kehon pinnan valittu osa säteilee paljon energiaa aikayksikköä kohti, kun se absorboi. Tällöin tasapainon on tapahduttava riippumatta suljetun ontelon sisälle sijoitetun kappaleen ominaisuuksista, jotka kuitenkin vaikuttavat tasapainon saavuttamiseen kuluvaan aikaan. Sähkömagneettisen kentän energiatiheys ontelossa, kuten alla esitetään, tasapainotilassa määräytyy vain lämpötilan perusteella.

Tasapainoisen lämpösäteilyn karakterisoimiseksi ei ainoastaan ​​tilavuusenergiatiheys ole tärkeä, vaan myös tämän energian jakautuminen spektrin yli. Siksi karakterisoimme onkalon sisällä olevan tilan isotrooppisesti täyttävää tasapainosäteilyä funktiolla u ω - säteilyn spektritiheys, eli sähkömagneettisen kentän keskimääräinen energia tilavuusyksikköä kohti, jaettuna taajuusalueella ω - ω + δω ja suhteessa tämän intervallin arvoon. Ilmeisesti arvo uω:n pitäisi riippua merkittävästi lämpötilasta, joten merkitsemme sitä u(ω, T). Kokonaisenergiatiheys U(T) yhdistettynä u(ω, T) kaava.

Tarkkaan ottaen lämpötilan käsite soveltuu vain tasapainoiseen lämpösäteilyyn. Tasapainotilassa lämpötilan tulee pysyä vakiona. Usein lämpötilan käsitettä käytetään kuitenkin myös kuvaamaan hehkuvia kappaleita, jotka eivät ole tasapainossa säteilyn kanssa. Lisäksi järjestelmän parametrien hitaalla muutoksella on mahdollista kullakin tietyllä ajanjaksolla karakterisoida sen lämpötila, joka muuttuu hitaasti. Joten esimerkiksi jos lämpöä ei tule sisään ja säteily johtuu valokappaleen energian vähenemisestä, myös sen lämpötila laskee.

Otetaan yhteys mustan kappaleen emissiivisyyden ja tasapainosäteilyn spektritiheyden välille. Tätä varten laskemme energiavuon yhdelle alueelle, joka sijaitsee suljetun onkalon sisällä, joka on täytetty keskitiheällä sähkömagneettisella energialla U ω. Pudota säteily pinta-alayksikköön kulmien θ ja ϕ määräämään suuntaan (kuva 6a) avaruuskulman dΩ sisällä:

Koska tasapainosäteily on isotrooppista, ontelon täyttävää kokonaisenergiaa vastaava osuus etenee annetussa avaruuskulmassa. Sähkömagneettisen energian virtaus, joka kulkee yksikköalueen läpi aikayksikköä kohti

Vaihtaminen dΩ lauseke ja integroimalla yli ϕ sisällä (0, 2π) ja yli θ sisällä (0, π/2), saadaan kokonaisenergiavuo, joka sattuu yksikköpinta-alalle:

On selvää, että tasapainoolosuhteissa on välttämätöntä rinnastaa täysin mustan kappaleen emissiokyvyn lauseke (13) rω , joka kuvaa paikan lähettämää energiavirtaa yksikkötaajuusalueella lähellä ω:ta:

Siten osoitetaan, että absoluuttisen mustan kappaleen emissiokyky kertoimeen c/4 asti osuu yhteen tasapainosäteilyn spektritiheyden kanssa. Yhtälön (14) tulee täyttyä jokaiselle säteilyn spektrikomponentille, joten tästä seuraa, että f(ω, T)= u(ω, T) (15)

Lopuksi huomautamme, että absoluuttisen mustan kappaleen säteily (esimerkiksi ontelossa olevan pienen reiän lähettämä valo) ei ole enää tasapainossa. Erityisesti tämä säteily ei ole isotrooppista, koska se ei leviä kaikkiin suuntiin. Mutta tällaisen säteilyn energian jakautuminen spektrin yli on sama kuin onkalon sisällä olevan tilan isotrooppisesti täyttävän tasapainosäteilyn spektritiheys. Tämä tekee mahdolliseksi käyttää relaatiota (14), joka on voimassa missä tahansa lämpötilassa. Millään muulla valonlähteellä ei ole samanlaista energian jakautumista spektrin yli. Joten esimerkiksi sähköpurkauksella kaasuissa tai hehkulla kemiallisten reaktioiden vaikutuksesta on spektrit, jotka eroavat merkittävästi täysin mustan kappaleen hehkusta. Energian jakautuminen hehkukappaleiden spektrissä poikkeaa myös huomattavasti mustan kappaleen hehkusta, joka oli korkeampi vertaamalla yhteisen valonlähteen (volframifilamenttihehkulampun) ja mustan kappaleen spektrejä.

4. Perustuu energian vapausasteiden jakautumislakiin: jokaista sähkömagneettista värähtelyä kohden on keskimääräinen energia, joka lisätään kahdesta osasta kT. Toisen puoliskon tuo aallon sähköinen komponentti ja toisen puolen magneettikomponentti. Onkalossa oleva tasapainosäteily voidaan sinänsä esittää seisovien aaltojen järjestelmänä. Seisovien aaltojen lukumäärä kolmiulotteisessa avaruudessa saadaan seuraavasti:

Meidän tapauksessamme nopeus v pitäisi olla yhtä suuri kuin c Lisäksi kaksi sähkömagneettista aaltoa, joilla on sama taajuus, mutta joiden polarisaatiot ovat keskenään kohtisuorat, voivat liikkua samaan suuntaan, niin (1) tulisi lisäksi kertoa kahdella:

Joten, Rayleigh ja Jeans, jokaiselle värähtelylle määritettiin energia. Kerromalla (2) luvulla saadaan taajuusvälille dω osuva energiatiheys:

Tietäen täysin mustan kappaleen emissiokyvyn suhteen f(ω, T) lämpösäteilyn tasapainoenergiatiheydellä, varten f(ω, T) löydämme: Lausekkeet (3) ja (4), kutsutaan Rayleigh-Jeansin kaava.

Kaavat (3) ja (4) sopivat tyydyttävästi vain pitkien aallonpituuksien kokeellisten tietojen kanssa; lyhyemmillä aallonpituuksilla sopivuus kokeen kanssa poikkeaa jyrkästi. Lisäksi integrointi (3) ω:n yli alueella 0 - tasapainoenergiatiheydelle u(T) antaa äärettömän suuren arvon. Tämä tulos ns ultraviolettikatastrofi, on ilmeisesti ristiriidassa kokeen kanssa: säteilyn ja säteilevän kappaleen välinen tasapaino on saatava äärellisiin arvoihin u(T).

ultraviolettikatastrofi- fysikaalinen termi, joka kuvaa klassisen fysiikan paradoksia, joka koostuu siitä, että minkä tahansa kuumennetun kappaleen lämpösäteilyn kokonaistehon on oltava ääretön. Paradoksin nimi johtui siitä, että säteilyn spektritehotiheyden piti kasvaa loputtomasti aallonpituuden lyhentyessä. Pohjimmiltaan tämä paradoksi osoitti, jos ei klassisen fysiikan sisäisen epäjohdonmukaisuuden, niin ainakin äärimmäisen terävän (absurdin) ristiriidan alkeellisten havaintojen ja kokeiden kanssa.

5. Planckin hypoteesi- Max Planckin 14. joulukuuta 1900 esittämä hypoteesi, joka koostuu siitä, että lämpösäteilyn aikana energiaa ei säteile ja absorboi jatkuvasti, vaan erillisinä kvantteina (osina). Jokaisella sellaisella osakvantilla on energiaa , verrannollinen taajuuteen ν säteily:

missä h tai - suhteellisuuskerroin, jota myöhemmin kutsutaan Planckin vakioksi. Tämän hypoteesin perusteella hän ehdotti teoreettista johtoa kehon lämpötilan ja tämän kappaleen lähettämän säteilyn välisestä suhteesta - Planckin kaavan.

Planckin kaava- lauseke mustasta kappaleesta tulevan säteilyn spektritehotiheydelle, jonka on saanut Max Planck. Säteilyenergian tiheydelle u(ω, T):

Planckin kaava saatiin, kun kävi selväksi, että Rayleigh-Jeansin kaava kuvaa tyydyttävästi säteilyä vain pitkien aaltojen alueella. Kaavan johtamiseksi Planck teki vuonna 1900 oletuksen, että sähkömagneettista säteilyä säteilee erillisten energiaosien (kvanttien) muodossa, jonka suuruus liittyy säteilytaajuuteen lausekkeella:

Suhteellisuuskerrointa kutsuttiin myöhemmin Planckin vakioksi = 1,054 10 −27 erg s.

Lämpösäteilyn ominaisuuksien selittämiseksi oli tarpeen ottaa käyttöön käsite sähkömagneettisen säteilyn emission annoksittain (kvantit). Säteilyn kvanttiluonteisuuden vahvistaa myös bremsstrahlung-spektrin lyhyen aallonpituuden raja.

Röntgensäteilyä syntyy, kun kiinteitä kohteita pommitetaan nopeilla elektroneilla.Tässä anodi on valmistettu W, Mo, Cu, Pt - raskaasta tulenkestävästä tai korkean lämmönjohtavuuden metallista. Vain 1–3 % elektronienergiasta menee säteilyyn, loput vapautuvat anodilla lämmön muodossa, joten anodit jäähdytetään vedellä. Kun elektronit ovat joutuneet anodimateriaaliin, ne kokevat voimakkaan hidastumisen ja niistä tulee sähkömagneettisten aaltojen (röntgensäteiden) lähde.

Elektronin alkunopeus sen osuessa anodiin määritetään kaavalla:

missä U on kiihdytysjännite.

> Huomattavaa säteilyä havaitaan vain nopeiden elektronien jyrkän hidastumisen aikana alkaen U~ 50 kV, kun taas ( kanssa on valon nopeus). Induktioelektronikiihdyttimissä - betatroneissa elektronit hankkivat energiaa jopa 50 MeV, = 0,99995 kanssa. Ohjaamalla tällaisia ​​elektroneja kiinteään kohteeseen, saamme röntgensäteilyä pienellä aallonpituudella. Tällä säteilyllä on suuri läpäisykyky. Klassisen sähködynamiikan mukaan elektronin hidastuessa pitäisi ilmaantua kaikkien aallonpituuksien säteilyä nollasta äärettömään. Aallonpituuden, jolla suurin säteilyteho laskee, pitäisi pienentyä elektronin nopeuden kasvaessa. Siinä on kuitenkin perustavanlaatuinen ero klassiseen teoriaan: nollatehojakaumat eivät mene origoon, vaan katkeavat äärellisillä arvoilla - tämä on röntgenspektrin lyhyen aallonpituuden reuna.

Se on kokeellisesti todettu

Lyhyen aallonpituuden rajan olemassaolo seuraa suoraan säteilyn kvanttiluonteesta. Itse asiassa, jos säteilyä syntyy elektronin hidastuessa menettämästä energiasta, kvantin energia ei voi ylittää elektronin energiaa EU, eli , täältä tai .

Tässä kokeessa voit määrittää Planck-vakion h. Kaikista Planckin vakion määritysmenetelmistä tarkin on bremsstrahlung-spektrin lyhyen aallonpituuden reunan mittaamiseen perustuva menetelmä.

7. Valokuvatehoste- tämä on aineen elektronien emissio valon (ja yleisesti ottaen minkä tahansa sähkömagneettisen säteilyn) vaikutuksesta. Kondensoituneissa aineissa (kiinteissä ja nestemäisissä) erotetaan ulkoiset ja sisäiset valosähköiset vaikutukset.

Valosähköisen vaikutuksen lait:

Sanamuoto Valosähköisen vaikutuksen ensimmäinen laki: valon metallin pinnalta sinkoamien elektronien määrä aikayksikköä kohti tietyllä taajuudella on suoraan verrannollinen metallia valaisevaan valovirtaan.

Mukaan Valosähköisen vaikutuksen 2. laki, valon aiheuttamien elektronien suurin kineettinen energia kasvaa lineaarisesti valon taajuuden kanssa eikä riipu sen intensiteetistä.

Valosähköisen vaikutuksen kolmas laki: jokaiselle aineelle on valosähköisen vaikutuksen punainen raja, eli valon minimitaajuus ν 0 (tai suurin aallonpituus λ 0), jolla valosähköinen vaikutus on vielä mahdollinen, ja jos ν 0, niin valosähköinen vaikutus. ei enää tapahdu.

Einstein antoi teoreettisen selityksen näistä laeista vuonna 1905. Hänen mukaansa sähkömagneettinen säteily on yksittäisten kvanttien (fotonien) virtaa, joiden kunkin energia on hν, missä h on Planckin vakio. Valosähköisellä vaikutuksella osa tulevasta sähkömagneettisesta säteilystä heijastuu metallipinnalta ja osa tunkeutuu metallin pintakerrokseen ja absorboituu sinne. Kun elektroni on absorboinut fotonin, se saa siitä energiaa ja poistuu metallista työskentelyä tehdessään: hν = A ulos + Me, missä Me- suurin kineettinen energia, joka elektronilla voi olla, kun se lentää ulos metallista.

Energian säilymisen laista, kun valo esitetään hiukkasten (fotonien) muodossa, Einsteinin kaava valosähköiselle efektille seuraa: hν = A ulos + Ek

missä A ulos- niin sanottu. työfunktio (minimienergia, joka tarvitaan elektronin poistamiseen aineesta), Ek on emittoidun elektronin liike-energia (nopeudesta riippuen voidaan laskea relativistisen hiukkasen liike-energia tai ei), ν on taajuus kohtaavasta fotonista, jolla on energiaa hν, h on Planckin vakio.

Työtoiminto- vähimmäisenergian (mitataan yleensä elektronivolteina), joka on välitettävä elektronille sen "suoraan" poistamiseksi kiinteän aineen tilavuudesta, ja Fermi-energian välinen ero.

Valosähköisen tehosteen "punainen" reuna- minimitaajuus tai maksimiaallonpituus λ max valo, jossa ulkoinen valosähköinen vaikutus on vielä mahdollinen, eli valoelektronien kineettinen alkuenergia on suurempi kuin nolla. Taajuus riippuu vain lähdön työtoiminnasta. A ulos elektroni: , missä A ulos on tietyn valokatodin työtoiminto, h on Planckin vakio, ja kanssa on valon nopeus. Työtoiminto A ulos riippuu valokatodin materiaalista ja sen pinnan tilasta. Fotoelektronien emissio alkaa välittömästi, kun valo putoaa valokatodille taajuudella tai aallonpituudella .