शरीर की ऊर्जा चमक आर टी, संख्यात्मक रूप से ऊर्जा के बराबर वूसंपूर्ण तरंग दैर्ध्य रेंज में शरीर द्वारा विकिरणित (0
शरीर का उत्सर्जन आरएल, टीसंख्यात्मक रूप से शरीर की ऊर्जा के बराबर डीडब्ल्यूएलईशरीर की सतह की एक इकाई से शरीर द्वारा विकिरणित, शरीर के तापमान T पर समय की प्रति इकाई, तरंग दैर्ध्य रेंज में l से l तक +डीएल,वे।
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इस मान को शरीर की ऊर्जा चमक का वर्णक्रमीय घनत्व भी कहा जाता है।
ऊर्जा की चमक सूत्र द्वारा उत्सर्जन से संबंधित है
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अवशेषीतन अल, टी- एक संख्या दर्शाती है कि किसी पिंड की सतह पर विकिरण की ऊर्जा का कितना अंश इसके द्वारा तरंग दैर्ध्य रेंज में l से l तक अवशोषित किया जाता है +डीएल,वे।
शरीर जिसके लिए अल , टी = 1संपूर्ण तरंगदैर्घ्य परास पर, काली पिंड (ब्लैक बॉडी) कहलाती है।
शरीर जिसके लिए अल , टी = स्थिरांक<1 पूरे तरंग दैर्ध्य रेंज पर ग्रे कहा जाता है।
कहाँ पे- वर्णक्रमीय घनत्व ऊर्जा चमक, या शरीर का उत्सर्जन .
अनुभव से पता चलता है कि शरीर की उत्सर्जनता शरीर के तापमान पर निर्भर करती है (प्रत्येक तापमान के लिए, अधिकतम विकिरण अपनी आवृत्ति सीमा में होता है)। आयाम .
उत्सर्जन को जानकर, आप ऊर्जा की चमक की गणना कर सकते हैं:
बुलाया शरीर की अवशोषण क्षमता . यह भी दृढ़ता से तापमान पर निर्भर करता है।
परिभाषा के अनुसार, यह एक से अधिक नहीं हो सकता। एक शरीर के लिए जो सभी आवृत्तियों के विकिरण को पूरी तरह से अवशोषित करता है, . ऐसे शरीर को कहा जाता है बिल्कुल काला (यह एक आदर्शीकरण है)।
शरीर जिसके लिए और सभी आवृत्तियों के लिए एकता से कम है,बुलाया धूसर शरीर (यह भी एक आदर्शीकरण है)।
शरीर की उत्सर्जन और अवशोषित करने की क्षमता के बीच एक निश्चित संबंध है। आइए मानसिक रूप से निम्नलिखित प्रयोग करें (चित्र 1.1)।
चावल। 1.1
एक बंद खोल के अंदर तीन शरीर होने दें। शरीर निर्वात में हैं, इसलिए ऊर्जा का आदान-प्रदान केवल विकिरण के कारण ही हो सकता है। अनुभव से पता चलता है कि कुछ समय बाद ऐसी प्रणाली थर्मल संतुलन की स्थिति में आ जाएगी (सभी निकायों और खोल का तापमान समान होगा)।
इस स्थिति में, अधिक विकिरण क्षमता वाला शरीर प्रति यूनिट समय में अधिक ऊर्जा खो देता है, लेकिन, इसलिए, इस शरीर में भी अधिक अवशोषित क्षमता होनी चाहिए:
1856 में गुस्ताव किरचॉफ ने तैयार किया कानून और सुझाव दिया ब्लैक बॉडी मॉडल .
उत्सर्जन और अवशोषणशीलता का अनुपात शरीर की प्रकृति पर निर्भर नहीं करता है, यह सभी निकायों के लिए समान है।(सार्वभौमिक)आवृत्ति और तापमान का कार्य।
| , | (1.2.3) |
कहाँ पे - यूनिवर्सल किरचॉफ फ़ंक्शन।
इस फ़ंक्शन में एक सार्वभौमिक, या निरपेक्ष, चरित्र है।
अलग-अलग ली गई मात्राएँ और स्वयं, एक पिंड से दूसरे पिंड में जाने पर अत्यधिक दृढ़ता से बदल सकते हैं, लेकिन उनका अनुपात लगातारसभी निकायों के लिए (किसी दी गई आवृत्ति और तापमान पर)।
एक बिल्कुल काले शरीर के लिए, इसलिए, इसके लिए, अर्थात्। किरचॉफ का सार्वभौमिक कार्य और कुछ नहीं बल्कि पूरी तरह से काले शरीर की चमक है।
बिल्कुल काले शरीर प्रकृति में मौजूद नहीं हैं। कालिख या प्लैटिनम ब्लैक में अवशोषित करने की शक्ति होती है, लेकिन केवल एक सीमित आवृत्ति रेंज में। हालांकि, एक छोटे से उद्घाटन के साथ एक गुहा पूरी तरह से काले शरीर के गुणों के बहुत करीब है। कई परावर्तनों के बाद अंदर जाने वाला बीम आवश्यक रूप से अवशोषित होता है, और किसी भी आवृत्ति का बीम (चित्र 1.2)।
चावल। 1.2
ऐसे उपकरण (गुहा) की उत्सर्जकता के बहुत करीब होती है एफ(ν, ,टी) इस प्रकार, यदि गुहा की दीवारों को तापमान पर बनाए रखा जाता है टी, तो छेद से निकलने वाला विकिरण वर्णक्रमीय संरचना में समान तापमान पर पूरी तरह से काले शरीर के विकिरण के बहुत करीब होता है।
इस विकिरण को एक स्पेक्ट्रम में विस्तारित करते हुए, हम फ़ंक्शन का प्रयोगात्मक रूप पा सकते हैं एफ(ν, ,टी) (चित्र 1.3), विभिन्न तापमानों पर टी 3 > टी 2 > टी 1 .
चावल। 1.3
वक्र द्वारा कवर किया गया क्षेत्र उचित तापमान पर एक काले शरीर की ऊर्जा चमक देता है।
ये वक्र सभी निकायों के लिए समान हैं।
वक्र अणुओं के वेग वितरण फलन के समान होते हैं। लेकिन वहाँ, वक्रों से आच्छादित क्षेत्र स्थिर होते हैं, जबकि यहाँ, बढ़ते तापमान के साथ, क्षेत्र में काफी वृद्धि होती है। इससे पता चलता है कि ऊर्जा अनुकूलता तापमान पर अत्यधिक निर्भर है। बढ़ते तापमान के साथ अधिकतम विकिरण (उत्सर्जन) बदल रहा हैउच्च आवृत्तियों की ओर।
थर्मल विकिरण के नियम
कोई भी गर्म पिंड विद्युत चुम्बकीय तरंगों का उत्सर्जन करता है। किसी पिंड का तापमान जितना अधिक होता है, उतनी ही कम तरंगें वह उत्सर्जित करती हैं। अपने विकिरण के साथ थर्मोडायनामिक संतुलन में एक शरीर को कहा जाता है बिल्कुल काला (एसीएचटी)। एक काले शरीर का विकिरण केवल उसके तापमान पर निर्भर करता है। 1900 में, मैक्स प्लैंक ने एक सूत्र निकाला जिसके द्वारा, किसी दिए गए तापमान पर, एक पूरी तरह से काला शरीर अपने विकिरण की तीव्रता की गणना कर सकता है।
ऑस्ट्रियाई भौतिकविदों स्टीफन और बोल्ट्जमैन ने एक काले शरीर के कुल उत्सर्जन और तापमान के बीच मात्रात्मक संबंध को व्यक्त करते हुए एक कानून की स्थापना की:
इस कानून को कहा जाता है स्टीफन-बोल्ट्जमैन कानून . निरंतर \u003d 5.67 10 -8 W / (m 2 K 4) कहा जाता था स्टीफ़न-बोल्ट्ज़मान स्थिरांक .
सभी प्लैंक वक्रों में तरंग दैर्ध्य के कारण स्पष्ट रूप से उच्चारित अधिकतम होता है
|
इस कानून को कहा जाता है वीन का नियम . तो, सूर्य के लिए टी 0 = 5800 के, और अधिकतम तरंग दैर्ध्य λ अधिकतम 500 एनएम पर पड़ता है, जो ऑप्टिकल रेंज में हरे रंग से मेल खाती है।
जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, ब्लैकबॉडी विकिरण अधिकतम स्पेक्ट्रम के लघु-तरंग दैर्ध्य भाग में स्थानांतरित हो जाता है। एक गर्म तारा अपनी अधिकांश ऊर्जा को पराबैंगनी श्रेणी में विकिरणित करता है, जो अवरक्त में कम गर्म होता है।
प्रकाश विद्युत प्रभाव। फोटॉनों
प्रकाश विद्युत प्रभाव 1887 में जर्मन भौतिक विज्ञानी जी हर्ट्ज द्वारा खोजा गया था और 1888-1890 में ए जी स्टोलेटोव द्वारा प्रयोगात्मक रूप से अध्ययन किया गया था। फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव की घटना का सबसे पूर्ण अध्ययन 1900 में एफ। लेनार्ड द्वारा किया गया था। इस समय तक, इलेक्ट्रॉन की खोज पहले ही हो चुकी थी (1897, जे। थॉमसन), और यह स्पष्ट हो गया था कि फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव (या, अधिक सटीक रूप से, बाहरी फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव) में उस पर पड़ने वाले प्रकाश के प्रभाव में इलेक्ट्रॉनों को पदार्थ से बाहर निकालना शामिल है।
फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के अध्ययन के लिए प्रायोगिक सेटअप का लेआउट अंजीर में दिखाया गया है। 5.2.1.
प्रयोगों में दो धातु इलेक्ट्रोड के साथ एक कांच के वैक्यूम बर्तन का इस्तेमाल किया गया था, जिसकी सतह को अच्छी तरह से साफ किया गया था। इलेक्ट्रोड पर एक वोल्टेज लागू किया गया था यू, जिसकी ध्रुवता को दोहरी कुंजी का उपयोग करके बदला जा सकता है। इलेक्ट्रोड में से एक (कैथोड के) को एक निश्चित तरंग दैर्ध्य के मोनोक्रोमैटिक प्रकाश के साथ एक क्वार्ट्ज खिड़की के माध्यम से प्रकाशित किया गया था। एक निरंतर चमकदार प्रवाह पर, फोटोक्रेक्ट ताकत की निर्भरता ली गई थी मैंलागू वोल्टेज से। अंजीर पर। 5.2.2 कैथोड पर आपतित प्रकाश फ्लक्स की तीव्रता के दो मानों के लिए प्राप्त ऐसी निर्भरता के विशिष्ट वक्रों को दर्शाता है।
वक्र बताते हैं कि एनोड ए पर पर्याप्त रूप से उच्च सकारात्मक वोल्टेज पर, फोटोक्रेक्ट संतृप्ति तक पहुंच जाता है, क्योंकि कैथोड से प्रकाश द्वारा निकाले गए सभी इलेक्ट्रॉन एनोड तक पहुंचते हैं। सावधानीपूर्वक माप से पता चला है कि संतृप्ति धारा मैं n आपतित प्रकाश की तीव्रता के सीधे आनुपातिक है। जब एनोड के आर-पार वोल्टेज ऋणात्मक होता है, तो कैथोड और एनोड के बीच विद्युत क्षेत्र इलेक्ट्रॉनों को धीमा कर देता है। एनोड केवल उन्हीं इलेक्ट्रॉनों तक पहुँच सकता है जिनकी गतिज ऊर्जा अधिक होती है | यूरोपीय संघ|. यदि एनोड वोल्टेज कम है - यूएच, फोटोक्रेक्ट बंद हो जाता है। मापने यूएच, फोटोइलेक्ट्रॉनों की अधिकतम गतिज ऊर्जा निर्धारित करना संभव है:
अनेक प्रयोगकर्ताओं ने प्रकाश-विद्युत प्रभाव के निम्नलिखित मूलभूत नियम स्थापित किए हैं:
- फोटोइलेक्ट्रॉनों की अधिकतम गतिज ऊर्जा बढ़ती हुई प्रकाश आवृत्ति के साथ रैखिक रूप से बढ़ती है और इसकी तीव्रता पर निर्भर नहीं करती है।
- प्रत्येक पदार्थ के लिए एक तथाकथित है लाल सीमा फोटो प्रभाव , यानी, न्यूनतम आवृत्ति मिनट जिस पर बाहरी फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव अभी भी संभव है।
- 1 s में कैथोड से प्रकाश द्वारा निकाले गए फोटोइलेक्ट्रॉनों की संख्या प्रकाश की तीव्रता के सीधे आनुपातिक होती है।
- फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव व्यावहारिक रूप से जड़ताहीन है, कैथोड रोशनी की शुरुआत के तुरंत बाद फोटोक्रेक्ट दिखाई देता है, बशर्ते कि प्रकाश आवृत्ति ν> ν मिनट।
प्रकाश-विद्युत प्रभाव के ये सभी नियम पदार्थ के साथ प्रकाश की अन्योन्यक्रिया के बारे में शास्त्रीय भौतिकी के विचारों का मूल रूप से खंडन करते हैं। तरंग अवधारणाओं के अनुसार, विद्युत चुम्बकीय प्रकाश तरंग के साथ बातचीत करते समय, एक इलेक्ट्रॉन को धीरे-धीरे ऊर्जा जमा करनी होगी, और प्रकाश की तीव्रता के आधार पर, इलेक्ट्रॉन को कैथोड से बाहर निकलने के लिए पर्याप्त ऊर्जा जमा करने में काफी समय लगेगा। . गणना से पता चलता है कि इस समय की गणना मिनटों या घंटों में की जानी चाहिए थी। हालांकि, अनुभव से पता चलता है कि कैथोड की रोशनी की शुरुआत के तुरंत बाद फोटोइलेक्ट्रॉन दिखाई देते हैं। इस मॉडल में प्रकाश-विद्युत प्रभाव की लाल सीमा के अस्तित्व को समझना भी असंभव था। प्रकाश का तरंग सिद्धांत प्रकाश प्रवाह की तीव्रता से फोटोइलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा की स्वतंत्रता और प्रकाश की आवृत्ति के लिए अधिकतम गतिज ऊर्जा की आनुपातिकता की व्याख्या नहीं कर सका।
इस प्रकार, प्रकाश का विद्युत चुम्बकीय सिद्धांत इन नियमितताओं की व्याख्या करने में असमर्थ साबित हुआ।
1905 में ए आइंस्टीन द्वारा एक रास्ता खोजा गया था। फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के देखे गए कानूनों की एक सैद्धांतिक व्याख्या आइंस्टीन द्वारा एम। प्लैंक की परिकल्पना के आधार पर दी गई थी कि प्रकाश कुछ भागों में उत्सर्जित और अवशोषित होता है, और प्रत्येक की ऊर्जा ऐसा भाग सूत्र द्वारा निर्धारित किया जाता है इ = एचवी, जहां एचप्लैंक स्थिरांक है। आइंस्टीन ने क्वांटम अवधारणाओं के विकास में अगला कदम उठाया। वह इस निष्कर्ष पर पहुंचे कि प्रकाश में एक असंतत (असतत) संरचना होती है. एक विद्युत चुम्बकीय तरंग में अलग-अलग भाग होते हैं - क्वांटा, बाद में नामित फोटॉनों. पदार्थ के साथ बातचीत करते समय, एक फोटॉन अपनी सारी ऊर्जा स्थानांतरित करता है एचएक इलेक्ट्रॉन के लिए। इस ऊर्जा का एक हिस्सा पदार्थ के परमाणुओं के साथ टकराव में एक इलेक्ट्रॉन द्वारा नष्ट किया जा सकता है। इसके अलावा, इलेक्ट्रॉन ऊर्जा का एक हिस्सा धातु-वैक्यूम इंटरफेस में संभावित अवरोध पर काबू पाने पर खर्च किया जाता है। ऐसा करने के लिए, इलेक्ट्रॉन को कार्य कार्य करना चाहिए एकैथोड सामग्री के गुणों के आधार पर। कैथोड से उत्सर्जित एक फोटोइलेक्ट्रॉन की अधिकतम गतिज ऊर्जा ऊर्जा संरक्षण कानून द्वारा निर्धारित की जा सकती है:
|
इस सूत्र को कहा जाता है फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के लिए आइंस्टीन का समीकरण .
आइंस्टीन समीकरण का उपयोग करके, कोई भी बाहरी फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव की सभी नियमितताओं की व्याख्या कर सकता है। आइंस्टीन समीकरण से, आवृत्ति पर अधिकतम गतिज ऊर्जा की रैखिक निर्भरता और प्रकाश की तीव्रता पर स्वतंत्रता, एक लाल सीमा का अस्तित्व और फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव की जड़ता का पालन होता है। 1 एस में कैथोड सतह को छोड़ने वाले फोटोइलेक्ट्रॉनों की कुल संख्या एक ही समय में सतह पर गिरने वाले फोटोन की संख्या के समानुपाती होनी चाहिए। इससे यह निष्कर्ष निकलता है कि संतृप्ति धारा प्रकाश प्रवाह की तीव्रता के सीधे आनुपातिक होनी चाहिए।
आइंस्टीन समीकरण से निम्नानुसार है, अवरुद्ध क्षमता की निर्भरता को व्यक्त करने वाली सीधी रेखा का ढलान यूआवृत्ति (चित्र 5.2.3) से h, प्लैंक स्थिरांक के अनुपात के बराबर है एचएक इलेक्ट्रॉन के प्रभार के लिए इ:
कहाँ पे सीप्रकाश की गति है, cr फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव की लाल सीमा के अनुरूप तरंग दैर्ध्य है। अधिकांश धातुओं के लिए, कार्य फलन एकुछ इलेक्ट्रॉन वोल्ट (1 eV = 1.602 10 -19 J) है। क्वांटम भौतिकी में, इलेक्ट्रॉन वोल्ट को अक्सर ऊर्जा की एक इकाई के रूप में प्रयोग किया जाता है। प्रति सेकंड इलेक्ट्रॉन वोल्ट में व्यक्त प्लैंक स्थिरांक का मान है
धातुओं में, क्षारीय तत्वों का कार्य कार्य सबसे कम होता है। उदाहरण के लिए, सोडियम ए= 1.9 eV, जो प्रकाश-विद्युत प्रभाव cr 680 एनएम की लाल सीमा से मेल खाती है। इसलिए, क्षार धातु के यौगिकों का उपयोग कैथोड बनाने के लिए किया जाता है फोटोकल्स दृश्य प्रकाश का पता लगाने के लिए डिज़ाइन किया गया।
तो, प्रकाश विद्युत प्रभाव के नियम इंगित करते हैं कि प्रकाश, जब उत्सर्जित और अवशोषित होता है, कणों की एक धारा की तरह व्यवहार करता है जिसे कहा जाता है फोटॉनों या हल्का क्वांटा .
फोटॉन ऊर्जा है
यह इस प्रकार है कि फोटॉन में गति होती है
| |
इस प्रकार, प्रकाश का सिद्धांत, दो शताब्दियों तक चलने वाली क्रांति को पूरा करने के बाद, फिर से प्रकाश कणों - कणिकाओं के विचारों पर लौट आया।
लेकिन यह न्यूटन के कणिका सिद्धांत की यांत्रिक वापसी नहीं थी। 20वीं शताब्दी की शुरुआत में, यह स्पष्ट हो गया कि प्रकाश की दोहरी प्रकृति है। जब प्रकाश फैलता है, तो इसके तरंग गुण प्रकट होते हैं (हस्तक्षेप, विवर्तन, ध्रुवीकरण), और पदार्थ के साथ बातचीत करते समय, कणिका गुण (फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव)। प्रकाश की इस द्वैत प्रकृति को कहा जाता है तरंग-कण द्वैत . बाद में, इलेक्ट्रॉनों और अन्य प्राथमिक कणों में दोहरी प्रकृति की खोज की गई। शास्त्रीय भौतिकी सूक्ष्म-वस्तुओं के तरंग और कणिका गुणों के संयोजन का एक दृश्य मॉडल नहीं दे सकती है। सूक्ष्म वस्तुओं की गति को शास्त्रीय न्यूटनियन यांत्रिकी के नियमों द्वारा नियंत्रित नहीं किया जाता है, बल्कि क्वांटम यांत्रिकी के नियमों द्वारा नियंत्रित किया जाता है। एम. प्लैंक द्वारा विकसित ब्लैक बॉडी विकिरण सिद्धांत और फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के आइंस्टीन के क्वांटम सिद्धांत इस आधुनिक विज्ञान के आधार हैं।
d e (\displaystyle d\Phi _(e)), विकिरण स्रोत की सतह के एक छोटे से क्षेत्र द्वारा अपने क्षेत्र में उत्सर्जित डी एस (\डिस्प्लेस्टाइल डीएस) : एम ई = डी Φ ई डी एस। (\displaystyle M_(e)=(\frac (d\Phi _(e))(dS)).)वे यह भी कहते हैं कि ऊर्जा चमक उत्सर्जित विकिरण प्रवाह की सतह घनत्व है।
संख्यात्मक रूप से, ऊर्जा की चमक सतह के लंबवत पोयंटिंग वेक्टर के घटक के समय-औसत मापांक के बराबर होती है। इस मामले में, औसत एक ऐसे समय में किया जाता है जो विद्युत चुम्बकीय दोलनों की अवधि से काफी अधिक है।
उत्सर्जित विकिरण सतह में ही उत्पन्न हो सकता है, तब कोई स्व-प्रकाशमान सतह की बात करता है। एक अन्य प्रकार तब देखा जाता है जब सतह को बाहर से प्रकाशित किया जाता है। ऐसे मामलों में, घटना प्रवाह का कुछ हिस्सा बिखराव और प्रतिबिंब के परिणामस्वरूप आवश्यक रूप से वापस आ जाता है। तब ऊर्जा की चमक के लिए अभिव्यक्ति का रूप है:
एम ई = (ρ + σ) ⋅ ई ई , (\displaystyle M_(e)=(\rho +\sigma)\cdot E_(e),)कहाँ पे (\displaystyle \rho )तथा (\displaystyle \सिग्मा )- गुणांक प्रतिबिंब और गुणांक सतह का प्रकीर्णन, क्रमशः, और - इसका विकिरण।
ऊर्जा चमक के अन्य नाम, कभी-कभी साहित्य में उपयोग किए जाते हैं, लेकिन GOST द्वारा प्रदान नहीं किए जाते हैं: - उत्सर्जनतथा अभिन्न उत्सर्जन.
ऊर्जा चमक का वर्णक्रमीय घनत्व
ऊर्जा चमक का वर्णक्रमीय घनत्व एम ई , λ (λ) (\displaystyle M_(e,\lambda )(\lambda))- ऊर्जा चमक के परिमाण का अनुपात डी एम ई (λ) , (\displaystyle dM_(e)(\lambda),)प्रति छोटे वर्णक्रमीय अंतराल d , (\displaystyle d\lambda ,)के बीच संलग्न (\displaystyle \लैम्ब्डा )तथा λ + d (\displaystyle \lambda +d\lambda ), इस अंतराल की चौड़ाई तक:
एम ई, λ (λ) = डी एम ई (λ) डी λ। (\displaystyle M_(e,\lambda )(\lambda)=(\frac (dM_(e)(\lambda))(d\lambda )).)माप की SI इकाई W m -3 है। चूंकि ऑप्टिकल विकिरण की लंबाई-तरंगों को आमतौर पर नैनोमीटर में मापा जाता है, इसलिए व्यवहार में अक्सर डब्ल्यू एम -2 · एनएम -1 का उपयोग किया जाता है।
कभी-कभी साहित्य में एम ई , λ (\displaystyle M_(e,\lambda ))कहा जाता है वर्णक्रमीय उत्सर्जन.
लाइट एनालॉग
एम वी = के एम ⋅ 380 एन एम 780 एन एम एम ई, λ (λ) वी (λ) डी λ , (\displaystyle M_(v)=K_(m)\cdot \int \limits _(380~nm)^ (780~nm)M_(e,\lambda )(\lambda)V(\lambda)d\lambda ,)कहाँ पे के एम (\displaystyle K_(m))- विकिरण की अधिकतम चमकदार दक्षता, एसआई प्रणाली में 683 एलएम / डब्ल्यू के बराबर। इसका संख्यात्मक मान सीधे कैंडेला की परिभाषा से आता है।
अन्य बुनियादी ऊर्जा फोटोमेट्रिक मात्रा और उनके प्रकाश एनालॉग के बारे में जानकारी तालिका में दी गई है। मात्राओं के पदनाम GOST 26148-84 के अनुसार दिए गए हैं।
एसआई ऊर्जा फोटोमेट्रिक मात्रा| नाम (समानार्थी) | मूल्य पदनाम | परिभाषा | एसआई इकाई संकेतन | प्रकाश मूल्य |
|---|---|---|---|---|
| ऊर्जा-विकिरण (उज्ज्वल ऊर्जा) | क्यू ई (\displaystyle Q_(e))या डब्ल्यू (\ डिस्प्लेस्टाइल डब्ल्यू) | विकिरण द्वारा वहन की जाने वाली ऊर्जा | जे | प्रकाश ऊर्जा |
| फ्लक्स-विकिरण (उज्ज्वल प्रवाह) | (\displaystyle \Phi )या पी (\ डिस्प्लेस्टाइल पी) | Φ e = d Q e d t (\displaystyle \Phi _(e)=(\frac (dQ_(e))(dt))) | मंगल | धीरे - धीरे बहना |
| शक्ति-विकिरण (प्रकाश की ऊर्जा शक्ति) | मैं ई (\displaystyle I_(e)) | मैं ई = डी Φ ई डी Ω (\displaystyle I_(e)=(\frac (d\Phi _(e))(d\Omega ))) | मंगल एसआर -1 | प्रकाश की शक्ति |
| वॉल्यूमेट्रिक विकिरण ऊर्जा घनत्व | यू ई (\डिस्प्लेस्टाइल यू_(ई)) | यू ई = डी क्यू ई डी वी (\displaystyle U_(e)=(\frac (dQ_(e))(dV))) | जे एम -3 | प्रकाश ऊर्जा का आयतन घनत्व |
| ऊर्जा (चमक) | एल ई (\displaystyle एल_(ई)) | एल ई = डी 2 Φ ई डी Ω डी एस 1 cos (\displaystyle L_(e)=(\frac (d^(2)\Phi _(e))(d\Omega \,dS_(1)\, \cos\varepsilon))) | डब्ल्यू एम -2 एसआर -1 | चमक |
| इंटीग्रल एनर्जी ब्राइटनेस | ई (\displaystyle \लैम्ब्डा _(ई)) | ई = ∫ 0 टी एल ई (टी ′) डी टी ′ (\displaystyle \Lambda _(e)=\int _(0)^(t)L_(e)(t”)dt”) | जे एम -2 एसआर -1 | अभिन्न चमक |
| विकिरण (ऊर्जा रोशनी) | ई ई (\displaystyle E_(e)) | ई ई = डी Φ ई डी एस 2 (\displaystyle E_(e)=(\frac (d\Phi _(e))(dS_(2)))) | डब्ल्यू एम -2 |
1. थर्मल विकिरण के लक्षण।
2. किरचॉफ का नियम।
3. एक काले शरीर के विकिरण के नियम।
4. सूर्य का विकिरण।
5. थर्मोग्राफी की भौतिक नींव।
6. प्रकाश चिकित्सा। पराबैंगनी प्रकाश के चिकित्सीय उपयोग।
7. बुनियादी अवधारणाएं और सूत्र।
8. कार्य।
मानव आंख के लिए दृश्यमान या अदृश्य विद्युत चुम्बकीय विकिरण की पूरी विविधता से, एक को प्रतिष्ठित किया जा सकता है, जो सभी निकायों में निहित है - यह थर्मल विकिरण है।
ऊष्मीय विकिरण- किसी पदार्थ द्वारा उत्सर्जित और उसकी आंतरिक ऊर्जा के कारण उत्पन्न होने वाला विद्युत चुम्बकीय विकिरण।
ऊष्मीय विकिरण तापीय गति की प्रक्रिया में या आवेशों की त्वरित गति (क्रिस्टल जाली आयनों के दोलन, मुक्त इलेक्ट्रॉनों की तापीय गति, आदि) के दौरान पदार्थ के कणों के उत्तेजना के कारण होता है। यह किसी भी तापमान पर होता है और सभी निकायों में निहित है। थर्मल विकिरण की एक विशेषता विशेषता है निरंतर स्पेक्ट्रम।
विकिरण की तीव्रता और वर्णक्रमीय संरचना शरीर के तापमान पर निर्भर करती है, इसलिए, थर्मल विकिरण को हमेशा आंख से चमक के रूप में नहीं माना जाता है। उदाहरण के लिए, उच्च तापमान पर गर्म किए गए पिंड ऊर्जा के एक महत्वपूर्ण हिस्से को दृश्य सीमा में उत्सर्जित करते हैं, और कमरे के तापमान पर लगभग सभी ऊर्जा स्पेक्ट्रम के अवरक्त भाग में उत्सर्जित होती है।
26.1. थर्मल विकिरण के लक्षण
थर्मल विकिरण के कारण शरीर जो ऊर्जा खो देता है वह निम्नलिखित मूल्यों की विशेषता है।
विकिरण प्रवाह(एफ) - शरीर की पूरी सतह से प्रति यूनिट समय में निकलने वाली ऊर्जा।
वास्तव में, यह थर्मल विकिरण की शक्ति है। विकिरण प्रवाह का आयाम [J / s \u003d W] है।
ऊर्जा चमक(Re) एक गर्म पिंड की एक इकाई सतह से प्रति इकाई समय में उत्सर्जित तापीय विकिरण की ऊर्जा है:
इस विशेषता का आयाम [W / m 2] है।
विकिरण प्रवाह और ऊर्जा चमक दोनों पदार्थ की संरचना और उसके तापमान पर निर्भर करते हैं: Ф = Ф (Т), रे = रे (टी)।
थर्मल विकिरण के स्पेक्ट्रम पर ऊर्जा चमक का वितरण इसकी विशेषता है वर्णक्रमीय घनत्व।आइए हम से तरंग दैर्ध्य की एक संकीर्ण सीमा में 1 s में एकल सतह द्वारा उत्सर्जित थर्मल विकिरण की ऊर्जा को निरूपित करें λ इससे पहले λ +डी λ, डीआरई के माध्यम से।
ऊर्जा चमक का वर्णक्रमीय घनत्व(आर) या उत्सर्जनस्पेक्ट्रम (dRe) के एक संकीर्ण हिस्से में इस भाग की चौड़ाई (d .) में ऊर्जा चमक का अनुपात हैλ):
तरंग दैर्ध्य रेंज में वर्णक्रमीय घनत्व और ऊर्जा चमक (dRe) का अनुमानित दृश्य λ इससे पहले λ +डी λ, अंजीर में दिखाया गया है। 26.1.
चावल। 26.1.ऊर्जा चमक का वर्णक्रमीय घनत्व
तरंग दैर्ध्य पर ऊर्जा चमक के वर्णक्रमीय घनत्व की निर्भरता को कहा जाता है शरीर विकिरण स्पेक्ट्रम।इस निर्भरता को जानने से आप किसी भी तरंग दैर्ध्य रेंज में शरीर की ऊर्जा चमक की गणना कर सकते हैं:
निकाय न केवल उत्सर्जित करते हैं, बल्कि थर्मल विकिरण को भी अवशोषित करते हैं। किसी पिंड की विकिरण ऊर्जा को अवशोषित करने की क्षमता उसके पदार्थ, तापमान और विकिरण तरंग दैर्ध्य पर निर्भर करती है। शरीर की अवशोषण क्षमता की विशेषता है मोनोक्रोमैटिक अवशोषण गुणांकα.
शरीर की सतह पर एक धारा गिरने दें एकरंगाविकिरण तरंग दैर्ध्य के साथ। इस प्रवाह का कुछ भाग परावर्तित होता है और भाग शरीर द्वारा अवशोषित होता है। आइए हम अवशोषित फ्लक्स एब्स के मान को निरूपित करें।
मोनोक्रोमैटिक अवशोषण गुणांक α किसी दिए गए शरीर द्वारा अवशोषित विकिरण प्रवाह का अनुपात है जो कि मोनोक्रोमैटिक फ्लक्स की घटना के परिमाण के लिए होता है:
मोनोक्रोमैटिक अवशोषण गुणांक एक आयामहीन मात्रा है। इसका मान शून्य और एक के बीच होता है: 0 ≤ α 1.
फ़ंक्शन α = α(λ,Τ), जो तरंग दैर्ध्य और तापमान पर मोनोक्रोमैटिक अवशोषण गुणांक की निर्भरता को व्यक्त करता है, कहलाता है अवशोषण क्षमतातन। उसका रूप काफी जटिल हो सकता है। अवशोषण के सरलतम प्रकारों पर नीचे विचार किया गया है।
पूरी तरह से काला शरीर- ऐसा पिंड, जिसका अवशोषण गुणांक सभी तरंग दैर्ध्य के लिए एकता के बराबर होता है: α = 1. यह उस पर सभी विकिरण घटना को अवशोषित करता है।
उनके अवशोषण गुणों के अनुसार, कालिख, काला मखमल, प्लैटिनम काला बिल्कुल काले शरीर के करीब है। एक ब्लैकबॉडी का एक बहुत अच्छा मॉडल एक छोटे से छेद (O) के साथ एक बंद गुहा है। गुहा की दीवारों को अंजीर में काला कर दिया गया है। 26.2.
इस छेद में प्रवेश करने वाली किरण दीवारों से कई प्रतिबिंबों के बाद लगभग पूरी तरह से अवशोषित हो जाती है। समान उपकरण
चावल। 26.2.ब्लैक बॉडी मॉडल
प्रकाश मानकों के रूप में उपयोग किया जाता है, उच्च तापमान आदि को मापने में उपयोग किया जाता है।
पूरी तरह से काले शरीर की ऊर्जा चमक का वर्णक्रमीय घनत्व ε (λ, ) द्वारा दर्शाया जाता है। यह फ़ंक्शन थर्मल विकिरण के सिद्धांत में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। इसका रूप पहले प्रयोगात्मक रूप से स्थापित किया गया था, और फिर सैद्धांतिक रूप से प्राप्त किया गया था (प्लैंक का सूत्र)।
बिल्कुल सफेद शरीर- ऐसा पिंड, जिसका अवशोषण गुणांक सभी तरंग दैर्ध्य के लिए शून्य के बराबर होता है: α = 0।
प्रकृति में वास्तव में कोई श्वेत निकाय नहीं हैं, हालांकि, ऐसे निकाय हैं जो तापमान और तरंग दैर्ध्य की एक विस्तृत श्रृंखला में गुणों में उनके करीब हैं। उदाहरण के लिए, स्पेक्ट्रम के ऑप्टिकल भाग में एक दर्पण लगभग सभी घटना प्रकाश को दर्शाता है।
धूसर शरीरएक पिंड है जिसके लिए अवशोषण गुणांक तरंग दैर्ध्य पर निर्भर नहीं करता है: α = const< 1.
कुछ वास्तविक निकायों में यह गुण तरंग दैर्ध्य और तापमान की एक निश्चित सीमा में होता है। उदाहरण के लिए, "ग्रे" (α = 0.9) को इन्फ्रारेड क्षेत्र में मानव त्वचा माना जा सकता है।
26.2. किरचॉफ का नियम
विकिरण और अवशोषण के बीच मात्रात्मक संबंध जी. किरचॉफ (1859) द्वारा स्थापित किया गया था।
किरचॉफ का नियम- रवैया उत्सर्जनउसके लिए शरीर अवशोषण क्षमतासभी निकायों के लिए समान और पूरी तरह से काले शरीर की ऊर्जा चमक के वर्णक्रमीय घनत्व के बराबर:
हम इस कानून के कुछ परिणामों पर ध्यान देते हैं।
1. यदि किसी दिए गए तापमान पर कोई पिंड किसी विकिरण को अवशोषित नहीं करता है, तो वह इसे उत्सर्जित नहीं करता है। दरअसल, अगर के लिए
26.3. ब्लैक बॉडी रेडिएशन के नियम
ब्लैक बॉडी रेडिएशन के नियम निम्नलिखित क्रम में स्थापित किए गए थे।
1879 में, जे. स्टीफ़न ने प्रयोगात्मक रूप से, और 1884 में, एल. बोल्ट्ज़मैन ने सैद्धांतिक रूप से निर्धारित किया ऊर्जा चमकबिल्कुल काला शरीर।
स्टीफ़न-बोल्ट्ज़मान का नियम -एक ब्लैकबॉडी की ऊर्जा चमक उसके पूर्ण तापमान की चौथी शक्ति के समानुपाती होती है:
कुछ सामग्रियों के अवशोषण गुणांक के मान तालिका में दिए गए हैं। 26.1.
तालिका 26.1.अवशोषण गुणांक
जर्मन भौतिक विज्ञानी डब्ल्यू. विएन (1893) ने तरंगदैर्घ्य के लिए एक सूत्र की स्थापना की जो अधिकतम के लिए जिम्मेदार है उत्सर्जनबिल्कुल काला शरीर। उन्हें जो अनुपात मिला, उसका नाम उनके नाम पर रखा गया।
जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, अधिकतम उत्सर्जकता बदल रहा हैबाईं ओर (चित्र 26.3)।
चावल। 26.3.वियन का विस्थापन कानून चित्रण
तालिका में। 26.2 विभिन्न तापमानों पर पिंडों के विकिरण के अनुरूप, स्पेक्ट्रम के दृश्य भाग में रंग दिखाता है।
तालिका 26.2. गर्म पिंडों के रंग
स्टीफन-बोल्ट्ज़मैन और वीन के नियमों का उपयोग करके, इन निकायों के विकिरण को मापकर निकायों के तापमान को निर्धारित करना संभव है। उदाहरण के लिए, सूर्य की सतह का तापमान (~ 6000 K), विस्फोट के उपरिकेंद्र पर तापमान (~ 10 6 K), आदि इस तरह से निर्धारित होते हैं। इन विधियों का सामान्य नाम है पायरोमेट्री
1900 में, एम। प्लैंक को गणना करने का एक सूत्र प्राप्त हुआ उत्सर्जनसैद्धांतिक रूप से बिल्कुल काला शरीर। ऐसा करने के लिए, उन्हें के बारे में शास्त्रीय विचारों को त्यागना पड़ा निरंतरताविद्युत चुम्बकीय तरंगों के विकिरण की प्रक्रिया। प्लैंक के अनुसार, विकिरण प्रवाह में अलग-अलग भाग होते हैं - क्वांटा,जिनकी ऊर्जा प्रकाश की आवृत्तियों के समानुपाती होती है:
सूत्र (26.11) से कोई सैद्धांतिक रूप से स्टीफन-बोल्ट्ज़मैन और वीन के नियमों को प्राप्त कर सकता है।
26.4. सूर्य विकिरण
सौर मंडल के भीतर, सूर्य तापीय विकिरण का सबसे शक्तिशाली स्रोत है जो पृथ्वी पर जीवन को निर्धारित करता है। सौर विकिरण में हीलिंग गुण (हेलियोथेरेपी) होते हैं, इसका उपयोग सख्त करने के साधन के रूप में किया जाता है। यह शरीर पर भी नकारात्मक प्रभाव डाल सकता है (जला, थर्मल .)
पृथ्वी के वायुमंडल की सीमा पर और पृथ्वी की सतह पर सौर विकिरण के स्पेक्ट्रम अलग-अलग होते हैं (चित्र 26.4)।
चावल। 26.4.सौर विकिरण का स्पेक्ट्रम: 1 - वायुमंडल की सीमा पर, 2 - पृथ्वी की सतह पर
वायुमंडल की सीमा पर, सूर्य का स्पेक्ट्रम एक काले पिंड के स्पेक्ट्रम के करीब है। अधिकतम उत्सर्जन है λ1मैक्स= 470 एनएम (नीला)।
पृथ्वी की सतह के पास, सौर विकिरण के स्पेक्ट्रम का आकार अधिक जटिल होता है, जो वायुमंडल में अवशोषण से जुड़ा होता है। विशेष रूप से, इसमें पराबैंगनी विकिरण का उच्च-आवृत्ति वाला हिस्सा नहीं होता है, जो जीवित जीवों के लिए हानिकारक है। ये किरणें लगभग पूरी तरह से ओजोन परत द्वारा अवशोषित कर ली जाती हैं। अधिकतम उत्सर्जन है 2मैक्स= 555 एनएम (हरा-पीला), जो सर्वोत्तम नेत्र संवेदनशीलता से मेल खाती है।
पृथ्वी के वायुमंडल की सीमा पर सौर तापीय विकिरण का प्रवाह निर्धारित करता है सौर स्थिरांकमैं।
वायुमंडल में अवशोषण के कारण पृथ्वी की सतह तक पहुँचने वाला प्रवाह बहुत कम होता है। सबसे अनुकूल परिस्थितियों में (सूर्य अपने चरम पर), यह 1120 W / m 2 से अधिक नहीं है। मास्को में ग्रीष्म संक्रांति (जून) के समय - 930 डब्ल्यू / मी 2।
पृथ्वी की सतह के पास सौर विकिरण की शक्ति और इसकी वर्णक्रमीय संरचना दोनों ही क्षितिज के ऊपर सूर्य की ऊंचाई पर सबसे महत्वपूर्ण रूप से निर्भर करते हैं। अंजीर पर। 26.5 सूर्य के प्रकाश की ऊर्जा के वितरण के चिकने वक्र दिए गए हैं: I - वायुमंडल के बाहर; II - आंचल में सूर्य की स्थिति में; III - क्षितिज से 30 ° ऊपर की ऊंचाई पर; IV - सूर्योदय और सूर्यास्त के करीब की स्थितियों में (क्षितिज से 10° ऊपर)।
चावल। 26.5.क्षितिज के ऊपर विभिन्न ऊंचाइयों पर सूर्य के स्पेक्ट्रम में ऊर्जा का वितरण
सौर स्पेक्ट्रम के विभिन्न घटक अलग-अलग तरीकों से पृथ्वी के वायुमंडल से गुजरते हैं। चित्र 26.6 सूर्य की ऊँचाई पर वायुमंडल की पारदर्शिता को दर्शाता है।
26.5. थर्मोग्राफी का भौतिक आधार
किसी व्यक्ति का थर्मल विकिरण उसके थर्मल नुकसान का एक महत्वपूर्ण अनुपात बनाता है। किसी व्यक्ति की विकिरण हानि अंतर के बराबर होती है उत्सर्जितप्रवाह और को अवशोषितपर्यावरण विकिरण प्रवाह। विकिरण हानि शक्ति की गणना सूत्र द्वारा की जाती है
जहां एस सतह क्षेत्र है; δ - त्वचा (कपड़ों) का कम अवशोषण गुणांक, माना जाता है ग्रे शरीर;टी 1 - शरीर की सतह का तापमान (कपड़े); टी 0 - परिवेश का तापमान।
निम्नलिखित उदाहरण पर विचार करें।
आइए हम 18°C (291 K) के परिवेश के तापमान पर एक नग्न व्यक्ति की विकिरण हानियों की शक्ति की गणना करें। आइए लेते हैं: शरीर का सतह क्षेत्र एस = 1.5 मीटर 2; त्वचा का तापमान टी 1 = 306 के (33 डिग्री सेल्सियस)। त्वचा का कम अवशोषण गुणांक तालिका में पाया जाता है। 26.1 (δ \u003d 5.1 * 10 -8 डब्ल्यू / एम 2 के 4)। इन मानों को सूत्र (26.11) में प्रतिस्थापित करने पर, हम प्राप्त करते हैं
पी \u003d 1.5 * 5.1 * 10 -8 * (306 4 - 291 4) 122 डब्ल्यू।
चावल। 26.6.सूर्य की ऊँचाई पर स्पेक्ट्रम के विभिन्न भागों के लिए पृथ्वी के वायुमंडल की पारदर्शिता (प्रतिशत में)।
मानव थर्मल विकिरण का उपयोग नैदानिक पैरामीटर के रूप में किया जा सकता है।
थर्मोग्राफी -मानव शरीर या उसके अलग-अलग वर्गों की सतह से थर्मल विकिरण के माप और पंजीकरण के आधार पर एक नैदानिक विधि।
शरीर की सतह के एक छोटे से क्षेत्र पर तापमान वितरण को विशेष लिक्विड क्रिस्टल फिल्मों का उपयोग करके निर्धारित किया जा सकता है। ऐसी फिल्में छोटे तापमान परिवर्तन (रंग बदलें) के प्रति संवेदनशील होती हैं। इसलिए, शरीर के क्षेत्र का एक रंगीन थर्मल "पोर्ट्रेट" जिस पर इसे लगाया गया है, फिल्म पर दिखाई देता है।
एक अधिक उन्नत तरीका थर्मल इमेजर्स का उपयोग करना है जो इन्फ्रारेड विकिरण को दृश्य प्रकाश में परिवर्तित करते हैं। शरीर के विकिरण को एक विशेष लेंस का उपयोग करके थर्मल इमेजर के मैट्रिक्स पर प्रक्षेपित किया जाता है। रूपांतरण के बाद, स्क्रीन पर एक विस्तृत थर्मल पोर्ट्रेट बनता है। अलग-अलग तापमान वाले क्षेत्र रंग या तीव्रता में भिन्न होते हैं। आधुनिक तरीके तापमान में अंतर को 0.2 डिग्री तक ठीक करने की अनुमति देते हैं।
कार्यात्मक निदान में थर्मल पोर्ट्रेट का उपयोग किया जाता है। आंतरिक अंगों के विभिन्न विकृति एक परिवर्तित तापमान के साथ सतही त्वचा क्षेत्रों पर बन सकते हैं। ऐसे क्षेत्रों का पता लगाना पैथोलॉजी की उपस्थिति को इंगित करता है। थर्मोग्राफिक विधि सौम्य और घातक ट्यूमर के बीच विभेदक निदान की सुविधा प्रदान करती है। यह विधि उपचार के चिकित्सीय तरीकों की प्रभावशीलता की निगरानी का एक उद्देश्य साधन है। तो, सोरायसिस के रोगियों की थर्मोग्राफिक परीक्षा के दौरान, यह पाया गया कि प्लाक में गंभीर घुसपैठ और हाइपरमिया की उपस्थिति में, तापमान में वृद्धि होती है। अधिकांश मामलों में तापमान में आसपास के क्षेत्रों के स्तर में कमी इंगित करती है वापसीत्वचा पर प्रक्रिया।
बुखार अक्सर संक्रमण का सूचक होता है। किसी व्यक्ति का तापमान निर्धारित करने के लिए, उसके चेहरे और गर्दन पर एक इन्फ्रारेड डिवाइस को देखना पर्याप्त है। स्वस्थ लोगों के लिए, माथे के तापमान और कैरोटिड तापमान का अनुपात 0.98 से 1.03 तक होता है। इस अनुपात का उपयोग महामारी के दौरान एक्सप्रेस डायग्नोस्टिक्स में संगरोध उपायों के लिए किया जा सकता है।
26.6. फोटोथेरेपी। पराबैंगनी प्रकाश के चिकित्सीय उपयोग
चिकित्सा में इन्फ्रारेड विकिरण, दृश्य प्रकाश और पराबैंगनी विकिरण का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। उनकी तरंग दैर्ध्य की सीमाओं को याद करें:
फोटोथेरेपीचिकित्सीय प्रयोजनों के लिए अवरक्त और दृश्य विकिरण का उपयोग कहा जाता है।
ऊतकों में घुसकर, उनके अवशोषण के स्थान पर अवरक्त किरणें (साथ ही दिखाई देने वाली) गर्मी की रिहाई का कारण बनती हैं। त्वचा में अवरक्त और दृश्य किरणों के प्रवेश की गहराई को अंजीर में दिखाया गया है। 26.7.
चावल। 26.7.त्वचा में विकिरण के प्रवेश की गहराई
चिकित्सा पद्धति में, विशेष विकिरणकों का उपयोग अवरक्त विकिरण के स्रोतों के रूप में किया जाता है (चित्र 26.8)।
मिनिन लैंपएक परावर्तक के साथ एक गरमागरम दीपक है जो विकिरण को आवश्यक दिशा में स्थानांतरित करता है। विकिरण स्रोत रंगहीन या नीले कांच से बना 20-60 W गरमागरम लैंप है।
लाइट-थर्मल बाथएक अर्ध-बेलनाकार फ्रेम है, जिसमें दो हिस्सों को एक-दूसरे से गतिमान रूप से जोड़ा जाता है। फ्रेम की आंतरिक सतह पर, रोगी का सामना करना पड़ रहा है, 40 डब्ल्यू की शक्ति वाले गरमागरम लैंप तय किए गए हैं। ऐसे स्नान में, जैविक वस्तु अवरक्त और दृश्य विकिरण, साथ ही गर्म हवा से प्रभावित होती है, जिसका तापमान 70 डिग्री सेल्सियस तक पहुंच सकता है।
लैंप सोलक्सएक तिपाई पर एक विशेष परावर्तक में रखा गया एक शक्तिशाली गरमागरम दीपक है। विकिरण स्रोत 500 W की शक्ति वाला एक गरमागरम दीपक है (टंगस्टन फिलामेंट तापमान 2800 डिग्री सेल्सियस, विकिरण अधिकतम 2 माइक्रोन की तरंग दैर्ध्य पर पड़ता है)।
चावल। 26.8. इरेडिएटर: मिनिन लैंप (ए), लाइट-थर्मल बाथ (बी), सोलक्स लैंप (सी)
पराबैंगनी प्रकाश के चिकित्सीय उपयोग
चिकित्सा प्रयोजनों के लिए उपयोग किए जाने वाले पराबैंगनी विकिरण को तीन श्रेणियों में बांटा गया है:
जब पराबैंगनी विकिरण ऊतकों (त्वचा में) में अवशोषित होता है, तो विभिन्न फोटोकैमिकल और फोटोबायोलॉजिकल प्रतिक्रियाएं होती हैं।
विकिरण स्रोतों के रूप में उपयोग किया जाता है। उच्च दबाव लैंप(चाप, पारा, ट्यूबलर), फ्लोरोसेंटलैंप, गैस डिस्चार्ज कम दबाव लैंपजिनमें से एक किस्म जीवाणुनाशक लैंप हैं।
एक विकिरणएक एरिथेमल और कमाना प्रभाव है। इसका उपयोग कई त्वचा संबंधी रोगों के उपचार में किया जाता है। फ़्यूरोकौमरिन श्रृंखला के कुछ रासायनिक यौगिक (उदाहरण के लिए, सोरालेन) इन रोगियों की त्वचा को लंबी-तरंग पराबैंगनी विकिरण के प्रति संवेदनशील बनाने और मेलानोसाइट्स में मेलेनिन वर्णक के गठन को प्रोत्साहित करने में सक्षम हैं। ए-विकिरण के साथ इन दवाओं का संयुक्त उपयोग एक उपचार पद्धति का आधार है जिसे कहा जाता है फोटोकेमोथेरेपीया पुवा थेरेपी(पुवा: पी - सोरालेन; यूवीए - पराबैंगनी विकिरण क्षेत्र ए)। शरीर का एक हिस्सा या पूरा हिस्सा विकिरण के संपर्क में है।
बी विकिरणइसमें विटामिन बनाने वाला, एंटी-रैचिटिक प्रभाव होता है।
सी विकिरणएक जीवाणुनाशक प्रभाव है। विकिरण सूक्ष्मजीवों और कवक की संरचना को नष्ट कर देता है। सी-विकिरण विशेष जीवाणुनाशक लैंप (चित्र। 26.9) द्वारा बनाया गया है।
कुछ चिकित्सा तकनीकें रक्त को विकिरणित करने के लिए सी-विकिरण का उपयोग करती हैं।
पराबैंगनी भुखमरी।शरीर के सामान्य विकास और कामकाज के लिए पराबैंगनी विकिरण आवश्यक है। इसकी कमी से कई गंभीर बीमारियां हो जाती हैं। चरम क्षेत्र के निवासी पराबैंगनी भुखमरी का सामना करते हैं
चावल। 26.9.जीवाणुनाशक विकिरणक (ए), नासोफेरींजल विकिरणक (बी)
उत्तर, खनन उद्योग में श्रमिक, मेट्रो, बड़े शहरों के निवासी। शहरों में, पराबैंगनी विकिरण की कमी धूल, धुएं और गैसों द्वारा वायु प्रदूषण से जुड़ी होती है जो सौर स्पेक्ट्रम के यूवी भाग को अवरुद्ध करती है। परिसर की खिड़कियां यूवी किरणों को . की तरंग दैर्ध्य के साथ प्रसारित नहीं करती हैं< 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).
पराबैंगनी विकिरण के खतरे
अधिकता के लिए एक्सपोजरपूरे शरीर पर और उसके व्यक्तिगत अंगों पर पराबैंगनी विकिरण की खुराक कई विकृति की ओर ले जाती है। सबसे पहले, यह अनियंत्रित धूप सेंकने के परिणामों को संदर्भित करता है: जलन, उम्र के धब्बे, आंखों की क्षति - फोटोफथाल्मिया का विकास। आंख पर पराबैंगनी विकिरण का प्रभाव इरिथेमा के समान होता है, क्योंकि यह कॉर्निया की कोशिकाओं और आंख के श्लेष्म झिल्ली में प्रोटीन के अपघटन से जुड़ा होता है। जीवित मानव त्वचा कोशिकाएं यूवी किरणों की विनाशकारी क्रिया से सुरक्षित रहती हैं "मृत-
mi" त्वचा के स्ट्रेटम कॉर्नियम की कोशिकाएं। आंखें इस सुरक्षा से वंचित हैं, इसलिए, आंखों के विकिरण की एक महत्वपूर्ण खुराक के साथ, आंखों के सींग (केराटाइटिस) और श्लेष्म झिल्ली (नेत्रश्लेष्मलाशोथ) की सूजन एक गुप्त अवधि के बाद विकसित होती है। यह प्रभाव 310 एनएम से कम तरंग दैर्ध्य वाली किरणों के कारण होता है। आंखों को ऐसी किरणों से बचाना जरूरी है। यूवी विकिरण के ब्लास्टोमोजेनिक प्रभाव पर विशेष ध्यान दिया जाना चाहिए, जिससे त्वचा कैंसर का विकास होता है।
26.7. बुनियादी अवधारणाएं और सूत्र
तालिका निरंतरता
तालिका का अंत
26.8. कार्य
2.
निर्धारित करें कि मानव शरीर की सतह के क्षेत्रों की ऊर्जा चमक कितनी बार भिन्न होती है, जिसका तापमान क्रमशः 34 और 33 ° C होता है?
3.
थर्मोग्राफी द्वारा स्तन ट्यूमर का निदान करते समय, रोगी को पीने के लिए ग्लूकोज का घोल दिया जाता है। कुछ समय बाद, शरीर की सतह का थर्मल विकिरण दर्ज किया जाता है। ट्यूमर ऊतक कोशिकाएं ग्लूकोज को गहन रूप से अवशोषित करती हैं, जिसके परिणामस्वरूप उनकी गर्मी का उत्पादन बढ़ जाता है। यदि सतह से विकिरण 1% (1.01 गुना) बढ़ जाए तो ट्यूमर के ऊपर के त्वचा क्षेत्र का तापमान कितने डिग्री बदल जाता है? शरीर के क्षेत्र का प्रारंभिक तापमान 37 डिग्री सेल्सियस है।
6.
यदि शरीर की सतह से विकिरण प्रवाह में 4% की वृद्धि हो जाए तो मानव शरीर का तापमान कितना बढ़ जाता है? प्रारंभिक शरीर का तापमान 35 डिग्री सेल्सियस है।
7.
90°C पर पानी के समान द्रव्यमान वाले कमरे में दो समान केतली हैं। एक निकल चढ़ाया हुआ है और दूसरा काला है। कौन सी केतली सबसे तेजी से ठंडी होगी? क्यों?
समाधान
किरचॉफ के नियम के अनुसार, सभी निकायों के लिए उत्सर्जन और अवशोषण क्षमताओं का अनुपात समान है। निकल चढ़ाया हुआ चायदानी लगभग सभी प्रकाश को दर्शाता है। इसलिए, इसकी अवशोषण क्षमता छोटी है। तदनुसार, उत्सर्जन भी छोटा है।
उत्तर:डार्क केतली तेजी से ठंडी होगी।
8. कीटों के विनाश के लिए, अनाज को अवरक्त विकिरण के संपर्क में लाया जाता है। कीड़े क्यों मरते हैं, लेकिन अनाज नहीं?
उत्तर:कीड़े हैं कालारंग, इसलिए गहन रूप से अवरक्त विकिरण को अवशोषित करते हैं और नष्ट हो जाते हैं।
9. स्टील के एक टुकड़े को गर्म करते समय, हम 800 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर एक चमकदार चेरी-लाल गर्मी देखेंगे, लेकिन फ्यूज्ड क्वार्ट्ज की एक पारदर्शी छड़ एक ही तापमान पर बिल्कुल भी नहीं चमकती है। क्यों?
समाधान
समस्या 7 देखें। एक पारदर्शी शरीर प्रकाश के एक छोटे से हिस्से को अवशोषित करता है। इसलिए, इसका उत्सर्जन छोटा है।
उत्तर:एक पारदर्शी शरीर व्यावहारिक रूप से विकिरण नहीं करता है, तब भी जब इसे अत्यधिक गर्म किया जाता है।
10. ठंड के मौसम में बहुत से जानवर मुड़े हुए क्यों सोते हैं?
उत्तर:इस मामले में, शरीर की खुली सतह कम हो जाती है और तदनुसार, विकिरण हानि कम हो जाती है।
शरीर की ऊर्जा चमक- - एक भौतिक मात्रा जो तापमान का एक कार्य है और संख्यात्मक रूप से सभी दिशाओं में और पूरे आवृत्ति स्पेक्ट्रम पर प्रति इकाई समय प्रति इकाई सतह क्षेत्र में शरीर द्वारा उत्सर्जित ऊर्जा के बराबर है। जे / एस एम² = डब्ल्यू / एम²
ऊर्जा चमक का वर्णक्रमीय घनत्व- आवृत्तियों (या तरंग दैर्ध्य) के पूरे स्पेक्ट्रम पर विकिरण ऊर्जा के वितरण की विशेषता आवृत्ति और तापमान का एक कार्य। इसी प्रकार के फलन को तरंगदैर्घ्य के पदों में भी लिखा जा सकता है
यह साबित किया जा सकता है कि आवृत्ति और तरंग दैर्ध्य के संदर्भ में व्यक्त ऊर्जा चमक का वर्णक्रमीय घनत्व संबंध से संबंधित है:
पूरी तरह से काला शरीर- ऊष्मप्रवैगिकी में उपयोग किया जाने वाला भौतिक आदर्शीकरण, एक ऐसा पिंड जो सभी श्रेणियों में उस पर पड़ने वाले सभी विद्युत चुम्बकीय विकिरण को अवशोषित करता है और कुछ भी नहीं दर्शाता है। नाम के बावजूद, एक काला शरीर स्वयं किसी भी आवृत्ति के विद्युत चुम्बकीय विकिरण का उत्सर्जन कर सकता है और नेत्रहीन रूप से एक रंग होता है। एक काले शरीर का विकिरण स्पेक्ट्रम केवल उसके तापमान से निर्धारित होता है।
सामान्य रूप से किसी भी (ग्रे और रंगीन) निकायों के थर्मल विकिरण के स्पेक्ट्रम के प्रश्न में एक काले शरीर का महत्व, सबसे सरल गैर-तुच्छ मामला होने के अलावा, इस तथ्य में भी है कि संतुलन के स्पेक्ट्रम का सवाल किसी भी रंग और परावर्तन गुणांक के पिंडों का थर्मल विकिरण शास्त्रीय थर्मोडायनामिक्स के तरीकों से एक बिल्कुल काले शरीर से विकिरण के सवाल तक कम हो जाता है (और ऐतिहासिक रूप से यह पहले से ही 19 वीं शताब्दी के अंत तक किया गया था, जब एक से विकिरण की समस्या बिल्कुल काला शरीर सामने आया)।
प्रकृति में बिल्कुल काले शरीर नहीं होते हैं, इसलिए भौतिकी में प्रयोगों के लिए एक मॉडल का उपयोग किया जाता है। यह एक छोटे से उद्घाटन के साथ एक बंद गुहा है। इस छिद्र से प्रवेश करने वाला प्रकाश बार-बार परावर्तन के बाद पूरी तरह से अवशोषित हो जाएगा, और छेद बाहर से पूरी तरह से काला दिखाई देगा। लेकिन जब इस गुहा को गर्म किया जाता है, तो इसका अपना दृश्य विकिरण होगा। चूंकि गुहा की आंतरिक दीवारों द्वारा उत्सर्जित विकिरण, बाहर निकलने से पहले (आखिरकार, छेद बहुत छोटा है), अधिकांश मामलों में, यह बड़ी संख्या में नए अवशोषण और विकिरणों से गुजरेगा, यह कहा जा सकता है निश्चित रूप से गुहा के अंदर विकिरण दीवारों के साथ थर्मोडायनामिक संतुलन में है। (वास्तव में, इस मॉडल के लिए छेद बिल्कुल भी महत्वपूर्ण नहीं है, केवल अंदर विकिरण की मौलिक अवलोकन पर जोर देने की आवश्यकता है; उदाहरण के लिए, छेद पूरी तरह से बंद हो सकता है, और जल्दी से तभी खोला जा सकता है जब संतुलन पहले ही हो चुका हो स्थापित किया गया है और माप किया जा रहा है)।
2. किरचॉफ का विकिरण नियम 1859 में जर्मन भौतिक विज्ञानी किरचॉफ द्वारा स्थापित एक भौतिक नियम है। आधुनिक फॉर्मूलेशन में, कानून निम्नानुसार पढ़ता है: किसी भी शरीर की अवशोषण क्षमता का अनुपात एक निश्चित आवृत्ति के लिए दिए गए तापमान पर सभी निकायों के लिए समान होता है और यह उनके आकार, रासायनिक संरचना आदि पर निर्भर नहीं करता है।
यह ज्ञात है कि जब विद्युत चुम्बकीय विकिरण एक निश्चित शरीर पर पड़ता है, तो इसका कुछ हिस्सा परावर्तित होता है, भाग अवशोषित होता है, और भाग प्रसारित किया जा सकता है। दी गई आवृत्ति पर अवशोषित विकिरण के अंश को कहते हैं अवशोषण क्षमतातन । दूसरी ओर, प्रत्येक गर्म पिंड एक निश्चित नियम के अनुसार ऊर्जा विकीर्ण करता है, जिसे कहा जाता है शरीर का उत्सर्जन.
एक शरीर से दूसरे शरीर में जाने पर मूल्य और बहुत भिन्न हो सकते हैं, हालांकि, किरचॉफ विकिरण कानून के अनुसार, उत्सर्जक और अवशोषित क्षमताओं का अनुपात शरीर की प्रकृति पर निर्भर नहीं करता है और आवृत्ति का एक सार्वभौमिक कार्य है ( तरंग दैर्ध्य) और तापमान:
परिभाषा के अनुसार, एक पूरी तरह से काला शरीर अपने ऊपर पड़ने वाले सभी विकिरणों को अवशोषित करता है, अर्थात इसके लिए। इसलिए, फ़ंक्शन स्टीफन-बोल्ट्ज़मान कानून द्वारा वर्णित एक बिल्कुल काले शरीर की उत्सर्जन के साथ मेल खाता है, जिसके परिणामस्वरूप किसी भी शरीर की उत्सर्जन केवल उसकी अवशोषण क्षमता के आधार पर पाई जा सकती है।
स्टीफन-बोल्ट्जमैन कानून- पूरी तरह से काले शरीर के विकिरण का नियम। अपने तापमान पर एक बिल्कुल काले शरीर की विकिरण शक्ति की निर्भरता निर्धारित करता है। कानून का शब्दांकन: बिल्कुल काले शरीर की विकिरण शक्ति सतह क्षेत्र और शरीर के तापमान की चौथी शक्ति के सीधे आनुपातिक होती है: पी = एसεσ टी 4, जहां उत्सर्जन की डिग्री है (सभी पदार्थों के लिए ε< 1, для абсолютно черного тела ε = 1).
विकिरण के लिए प्लैंक के नियम का उपयोग करते हुए, स्थिरांक को परिभाषित किया जा सकता है कि प्लैंक स्थिरांक कहाँ है, कबोल्ट्जमान स्थिरांक है, सीप्रकाश की गति है।
संख्यात्मक मान J s −1 m −2 K −4 ।
जर्मन भौतिक विज्ञानी डब्ल्यू। विएन (1864-1928) ने थर्मो- और इलेक्ट्रोडायनामिक्स के नियमों पर भरोसा करते हुए, फ़ंक्शन के अधिकतम के अनुरूप तरंग दैर्ध्य l अधिकतम की निर्भरता की स्थापना की। आर एल, टी,तापमान टी।के अनुसार वीन का विस्थापन कानून,एल अधिकतम \u003d बी / टी
यानी तरंग दैर्ध्य एल अधिकतम ऊर्जा चमक के वर्णक्रमीय घनत्व के अधिकतम मूल्य के अनुरूप है आर एल, टीब्लैकबॉडी अपने थर्मोडायनामिक तापमान के विपरीत आनुपातिक है, बी-वियन स्थिरांक: इसका प्रायोगिक मान 2.9 10 -3 m K है। इसलिए व्यंजक (199.2) को नियम कहा जाता है। पक्षपातदोष यह है कि यह फ़ंक्शन के अधिकतम की स्थिति के विस्थापन को दर्शाता है आर एल, टीजैसे-जैसे तापमान लघु तरंग दैर्ध्य के क्षेत्र में बढ़ता है। वीन का नियम बताता है कि, जैसे-जैसे गर्म पिंडों का तापमान घटता है, लंबी-तरंग विकिरण उनके स्पेक्ट्रम में प्रबल होती है (उदाहरण के लिए, धातु के ठंडा होने पर सफेद गर्मी का लाल रंग में संक्रमण)।
इस तथ्य के बावजूद कि स्टीफन - बोल्ट्जमैन और वीन के नियम थर्मल विकिरण के सिद्धांत में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, वे विशेष कानून हैं, क्योंकि वे विभिन्न तापमानों पर आवृत्तियों पर ऊर्जा के वितरण की एक सामान्य तस्वीर नहीं देते हैं।
3. बता दें कि इस गुहा की दीवारें अपने ऊपर पड़ने वाले प्रकाश को पूरी तरह से परावर्तित कर देती हैं। चलो गुहा में कुछ शरीर रखें जो प्रकाश ऊर्जा का उत्सर्जन करेगा। गुहा के अंदर एक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र उत्पन्न होगा और अंत में, यह विकिरण से भर जाएगा जो शरीर के साथ थर्मल संतुलन की स्थिति में है। उस स्थिति में भी संतुलन आएगा जब, किसी भी तरह से, अपने पर्यावरण के साथ जांच किए गए शरीर की गर्मी का आदान-प्रदान पूरी तरह से समाप्त हो जाता है (उदाहरण के लिए, हम इस मानसिक प्रयोग को निर्वात में करेंगे, जब गर्मी चालन की कोई घटना नहीं होगी और संवहन)। केवल प्रकाश के उत्सर्जन और अवशोषण की प्रक्रियाओं के कारण, संतुलन आवश्यक रूप से आ जाएगा: विकिरण करने वाले शरीर में विद्युत चुम्बकीय विकिरण के तापमान के बराबर तापमान होगा जो आइसोट्रोपिक रूप से गुहा के अंदर की जगह को भरता है, और शरीर की सतह के प्रत्येक चयनित भाग के रूप में उत्सर्जित होगा प्रति यूनिट समय के रूप में बहुत अधिक ऊर्जा अवशोषित करता है। इस मामले में, बंद गुहा के अंदर रखे गए शरीर के गुणों की परवाह किए बिना संतुलन होना चाहिए, हालांकि, संतुलन स्थापित करने में लगने वाले समय को प्रभावित करता है। गुहा में विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र की ऊर्जा घनत्व, जैसा कि नीचे दिखाया जाएगा, संतुलन की स्थिति में केवल तापमान द्वारा निर्धारित किया जाता है।
संतुलन थर्मल विकिरण को चिह्नित करने के लिए, न केवल मात्रा ऊर्जा घनत्व महत्वपूर्ण है, बल्कि स्पेक्ट्रम पर इस ऊर्जा का वितरण भी महत्वपूर्ण है। इसलिए, हम फ़ंक्शन का उपयोग करके गुहा के अंदर की जगह को आइसोट्रोपिक रूप से भरने वाले संतुलन विकिरण को चिह्नित करेंगे तुम ω - विकिरण का वर्णक्रमीय घनत्व,यानी, विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र की प्रति इकाई मात्रा की औसत ऊर्जा, आवृत्ति रेंज में ω से + तक वितरित और इस अंतराल के मूल्य से संबंधित है। जाहिर है मूल्य तुमतापमान पर महत्वपूर्ण रूप से निर्भर होना चाहिए, इसलिए हम इसे निरूपित करते हैं तुम(ω, टी)।कुल ऊर्जा घनत्व यू(टी) के साथ जुड़े तुम(ω, टी) सूत्र।
कड़ाई से बोलते हुए, तापमान की अवधारणा केवल संतुलन थर्मल विकिरण पर लागू होती है। संतुलन पर, तापमान स्थिर रहना चाहिए। हालांकि, अक्सर तापमान की अवधारणा का उपयोग गरमागरम निकायों को चिह्नित करने के लिए भी किया जाता है जो विकिरण के साथ संतुलन में नहीं होते हैं। इसके अलावा, सिस्टम के मापदंडों में धीमी गति से बदलाव के साथ, प्रत्येक निश्चित अवधि में इसके तापमान को चिह्नित करना संभव है, जो धीरे-धीरे बदल जाएगा। इसलिए, उदाहरण के लिए, यदि गर्मी का प्रवाह नहीं होता है और विकिरण एक चमकदार शरीर की ऊर्जा में कमी के कारण होता है, तो इसका तापमान भी कम हो जाएगा।
आइए हम एक काले शरीर की उत्सर्जन और संतुलन विकिरण के वर्णक्रमीय घनत्व के बीच एक संबंध स्थापित करें। ऐसा करने के लिए, हम मध्यम-घनत्व विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा से भरे एक बंद गुहा के अंदर स्थित एक क्षेत्र पर ऊर्जा प्रवाह की घटना की गणना करते हैं यू .ठोस कोण dΩ के भीतर कोण θ और ϕ (चित्र 6a) द्वारा निर्धारित दिशा में विकिरण को एक इकाई क्षेत्र पर गिरने दें:
चूंकि संतुलन विकिरण आइसोट्रोपिक है, गुहा को भरने वाली कुल ऊर्जा के बराबर एक अंश दिए गए ठोस कोण में फैलता है। प्रति इकाई समय में एक इकाई क्षेत्र से गुजरने वाली विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा का प्रवाह
की जगह दोअभिव्यक्ति और के भीतर (0, 2π) और के भीतर (0, π/2) पर एकीकरण, हम एक इकाई क्षेत्र पर कुल ऊर्जा प्रवाह घटना प्राप्त करते हैं:
यह स्पष्ट है कि संतुलन की स्थिति में पूरी तरह से काले शरीर की उत्सर्जन की अभिव्यक्ति (13) की बराबरी करना आवश्यक है आर, जो के पास एक इकाई आवृत्ति अंतराल में साइट द्वारा उत्सर्जित ऊर्जा प्रवाह की विशेषता है:
इस प्रकार, यह दिखाया गया है कि एक बिल्कुल काले शरीर की उत्सर्जन, एक कारक सी / 4 तक, संतुलन विकिरण के वर्णक्रमीय घनत्व के साथ मेल खाता है। विकिरण के प्रत्येक वर्णक्रमीय घटक के लिए समानता (14) को संतुष्ट होना चाहिए, इसलिए यह इस प्रकार है कि एफ(ω, टी)= तुम(ω, टी) (15)
अंत में, हम इंगित करते हैं कि एक पूर्ण ब्लैक बॉडी का विकिरण (उदाहरण के लिए, गुहा में एक छोटे से छेद द्वारा उत्सर्जित प्रकाश) अब संतुलन में नहीं होगा। विशेष रूप से, यह विकिरण आइसोट्रोपिक नहीं है, क्योंकि यह सभी दिशाओं में नहीं फैलता है। लेकिन इस तरह के विकिरण के लिए स्पेक्ट्रम पर ऊर्जा का वितरण संतुलन विकिरण के वर्णक्रमीय घनत्व के साथ समकालिक रूप से गुहा के अंदर की जगह को भरने के साथ मेल खाएगा। इससे संबंध (14) का उपयोग करना संभव हो जाता है, जो किसी भी तापमान पर मान्य होता है। किसी अन्य प्रकाश स्रोत का स्पेक्ट्रम में समान ऊर्जा वितरण नहीं है। इसलिए, उदाहरण के लिए, गैसों में एक विद्युत निर्वहन या रासायनिक प्रतिक्रियाओं के प्रभाव में चमक में स्पेक्ट्रा होता है जो बिल्कुल काले शरीर की चमक से काफी भिन्न होता है। गर्म पिंडों के स्पेक्ट्रम पर ऊर्जा का वितरण भी एक ब्लैकबॉडी की चमक से स्पष्ट रूप से भिन्न होता है, जो एक सामान्य प्रकाश स्रोत (टंगस्टन फिलामेंट के साथ एक गरमागरम दीपक) और एक ब्लैकबॉडी के स्पेक्ट्रा की तुलना करके अधिक था।
4. स्वतंत्रता की डिग्री से अधिक ऊर्जा के समविभाजन के नियम के आधार पर: प्रत्येक विद्युत चुम्बकीय दोलन के लिए, एक औसत ऊर्जा होती है जिसे दो भागों kT से जोड़ा जाता है। एक आधा तरंग के विद्युत घटक द्वारा पेश किया जाता है, और दूसरा आधा चुंबकीय घटक द्वारा पेश किया जाता है। अपने आप में, गुहा में संतुलन विकिरण को स्थायी तरंगों की एक प्रणाली के रूप में दर्शाया जा सकता है। त्रि-आयामी अंतरिक्ष में खड़ी तरंगों की संख्या किसके द्वारा दी गई है:
हमारे मामले में, गति वीके बराबर होना चाहिए सी, इसके अलावा, एक ही आवृत्ति के साथ दो विद्युत चुम्बकीय तरंगें, लेकिन परस्पर लंबवत ध्रुवीकरण के साथ, एक ही दिशा में आगे बढ़ सकती हैं, फिर (1) इसके अलावा दो से गुणा किया जाना चाहिए:
तो, रेले और जीन्स, प्रत्येक दोलन को ऊर्जा सौंपी गई थी। (2) से गुणा करने पर, हम ऊर्जा घनत्व प्राप्त करते हैं जो आवृत्ति अंतराल dω पर पड़ता है:
पूरी तरह से काले शरीर के उत्सर्जन के संबंध को जानना एफ(ω, टी) ऊष्मीय विकिरण के संतुलन ऊर्जा घनत्व के साथ, के लिए एफ(ω, टी) हम पाते हैं: व्यंजक (3) और (4), कहलाते हैं रेले-जीन्स फॉर्मूला.
सूत्र (3) और (4) केवल लंबी तरंग दैर्ध्य के लिए प्रयोगात्मक डेटा के साथ संतोषजनक रूप से सहमत हैं; कम तरंग दैर्ध्य पर, प्रयोग के साथ समझौता तेजी से भिन्न होता है। इसके अलावा, समेकन (3) से अधिक की सीमा में 0 से लेकर संतुलन ऊर्जा घनत्व के लिए तुम(टी) एक असीम रूप से बड़ा मूल्य देता है। यह परिणाम, कहा जाता है पराबैंगनी आपदा, जाहिर है, प्रयोग के विरोध में है: विकिरण और विकिरण शरीर के बीच संतुलन को परिमित मूल्यों पर स्थापित किया जाना चाहिए तुम(टी).
पराबैंगनी आपदा- शास्त्रीय भौतिकी के विरोधाभास का वर्णन करने वाला एक भौतिक शब्द, जिसमें यह तथ्य शामिल है कि किसी भी गर्म शरीर के थर्मल विकिरण की कुल शक्ति अनंत होनी चाहिए। विरोधाभास का नाम इस तथ्य के कारण था कि विकिरण की वर्णक्रमीय शक्ति घनत्व को अनिश्चित काल तक बढ़ाना था क्योंकि तरंग दैर्ध्य छोटा हो गया था। संक्षेप में, इस विरोधाभास ने दिखाया, यदि शास्त्रीय भौतिकी की आंतरिक असंगति नहीं है, तो कम से कम प्राथमिक टिप्पणियों और प्रयोग के साथ एक अत्यंत तेज (बेतुका) विसंगति है।
5. प्लैंक की परिकल्पना- मैक्स प्लैंक द्वारा 14 दिसंबर, 1900 को सामने रखी गई एक परिकल्पना और इस तथ्य में शामिल है कि थर्मल विकिरण के दौरान, ऊर्जा लगातार नहीं, बल्कि अलग-अलग क्वांटा (भागों) में उत्सर्जित और अवशोषित होती है। ऐसे प्रत्येक भाग-क्वांटम में ऊर्जा होती है , आवृत्ति के समानुपाती ν विकिरण:
कहाँ पे एचया - आनुपातिकता का गुणांक, जिसे बाद में प्लैंक नियतांक कहा जाता है। इस परिकल्पना के आधार पर, उन्होंने एक पिंड के तापमान और इस पिंड द्वारा उत्सर्जित विकिरण के बीच संबंध की एक सैद्धांतिक व्युत्पत्ति का प्रस्ताव रखा - प्लैंक का सूत्र।
प्लैंक फॉर्मूला- एक ब्लैक बॉडी से विकिरण की वर्णक्रमीय शक्ति घनत्व के लिए एक अभिव्यक्ति, जिसे मैक्स प्लैंक द्वारा प्राप्त किया गया था। विकिरण ऊर्जा घनत्व के लिए तुम(ω, टी):
प्लैंक सूत्र तब प्राप्त हुआ जब यह स्पष्ट हो गया कि रेले-जीन्स सूत्र केवल लंबी तरंगों के क्षेत्र में विकिरण का संतोषजनक वर्णन करता है। सूत्र को प्राप्त करने के लिए, प्लैंक ने 1900 में यह धारणा बनाई कि विद्युत चुम्बकीय विकिरण ऊर्जा के अलग-अलग हिस्सों (क्वांटा) के रूप में उत्सर्जित होता है, जिसका परिमाण अभिव्यक्ति द्वारा विकिरण आवृत्ति से संबंधित होता है:
आनुपातिकता के गुणांक को बाद में प्लैंक नियतांक = 1.054 10 −27 erg s कहा गया।
थर्मल विकिरण के गुणों की व्याख्या करने के लिए, विद्युत चुम्बकीय विकिरण के उत्सर्जन की अवधारणा को भागों (क्वांटा) में पेश करना आवश्यक था। विकिरण की क्वांटम प्रकृति की पुष्टि ब्रेम्सस्ट्रालंग स्पेक्ट्रम की एक लघु-तरंग दैर्ध्य सीमा के अस्तित्व से भी होती है।
एक्स-रे विकिरण तब होता है जब ठोस लक्ष्यों पर तेज़ इलेक्ट्रॉनों की बमबारी होती है। यहाँ, एनोड W, Mo, Cu, Pt - भारी अपवर्तक या उच्च तापीय चालकता धातुओं से बना है। इलेक्ट्रॉन ऊर्जा का केवल 1-3% ही विकिरण में जाता है, शेष एनोड पर गर्मी के रूप में छोड़ा जाता है, इसलिए एनोड्स को पानी से ठंडा किया जाता है। एक बार एनोड सामग्री में, इलेक्ट्रॉनों को मजबूत मंदी का अनुभव होता है और विद्युत चुम्बकीय तरंगों (एक्स-रे) का स्रोत बन जाता है।
एनोड से टकराने पर इलेक्ट्रॉन की प्रारंभिक गति सूत्र द्वारा निर्धारित की जाती है:
कहाँ पे यूत्वरित वोल्टेज है।
> ध्यान देने योग्य विकिरण केवल तेज इलेक्ट्रॉनों के तेज मंदी के दौरान देखा जाता है, जो से शुरू होता है यू~ 50 केवी, जबकि ( साथप्रकाश की गति है)। प्रेरण इलेक्ट्रॉन त्वरक में - बीटाट्रॉन, इलेक्ट्रॉन 50 MeV तक ऊर्जा प्राप्त करते हैं, = 0.99995 साथ. ऐसे इलेक्ट्रॉनों को एक ठोस लक्ष्य पर निर्देशित करके, हम एक छोटे तरंग दैर्ध्य के साथ एक्स-रे विकिरण प्राप्त करते हैं। इस विकिरण में उच्च भेदन शक्ति होती है। शास्त्रीय इलेक्ट्रोडायनामिक्स के अनुसार, जब एक इलेक्ट्रॉन कम हो जाता है, तो शून्य से अनंत तक सभी तरंग दैर्ध्य का विकिरण दिखाई देना चाहिए। तरंग दैर्ध्य जिस पर अधिकतम विकिरण शक्ति गिरती है, इलेक्ट्रॉन की गति बढ़ने पर घटनी चाहिए। हालांकि, शास्त्रीय सिद्धांत से एक बुनियादी अंतर है: शून्य बिजली वितरण मूल में नहीं जाता है, लेकिन परिमित मूल्यों पर टूट जाता है - यह है एक्स-रे स्पेक्ट्रम का लघु-तरंग दैर्ध्य किनारा.
यह प्रयोगात्मक रूप से स्थापित किया गया है कि
लघु-तरंग दैर्ध्य सीमा का अस्तित्व सीधे विकिरण की क्वांटम प्रकृति से होता है। दरअसल, अगर विकिरण के दौरान इलेक्ट्रॉन द्वारा खोई गई ऊर्जा के कारण विकिरण उत्पन्न होता है, तो क्वांटम की ऊर्जा इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा से अधिक नहीं हो सकती है यूरोपीय संघ, अर्थात। , यहाँ से या .
इस प्रयोग में, आप प्लैंक स्थिरांक निर्धारित कर सकते हैं एच. प्लैंक नियतांक निर्धारित करने की सभी विधियों में से, ब्रेम्सस्ट्रालंग स्पेक्ट्रम के लघु-तरंगदैर्ध्य किनारे को मापने पर आधारित विधि सबसे सटीक है।
7. फोटो प्रभाव- यह प्रकाश के प्रभाव में किसी पदार्थ के इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन है (और, सामान्यतया, कोई विद्युत चुम्बकीय विकिरण)। संघनित पदार्थों (ठोस और तरल) में, बाहरी और आंतरिक फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव प्रतिष्ठित होते हैं।
फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के नियम:
शब्दों फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव का पहला नियम: किसी दी गई आवृत्ति पर प्रति इकाई समय में धातु की सतह से प्रकाश द्वारा उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की संख्या धातु को प्रकाशित करने वाले प्रकाश प्रवाह के सीधे आनुपातिक होती है.
के अनुसार फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव का दूसरा नियम, प्रकाश द्वारा उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की अधिकतम गतिज ऊर्जा प्रकाश की आवृत्ति के साथ रैखिक रूप से बढ़ती है और इसकी तीव्रता पर निर्भर नहीं करती है.
फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव का तीसरा नियम: प्रत्येक पदार्थ के लिए फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव की एक लाल सीमा होती है, यानी प्रकाश की न्यूनतम आवृत्ति ν 0 (या अधिकतम तरंग दैर्ध्य 0), जिस पर फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव अभी भी संभव है, और यदि ν 0, तो फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव अब नहीं होता.
इन नियमों की सैद्धांतिक व्याख्या 1905 में आइंस्टीन ने की थी। उनके अनुसार, विद्युत चुम्बकीय विकिरण व्यक्तिगत क्वांटा (फोटॉन) की एक धारा है जिसमें ऊर्जा hν प्रत्येक है, जहां h प्लैंक स्थिरांक है। फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के साथ, घटना का हिस्सा विद्युत चुम्बकीय विकिरण धातु की सतह से परिलक्षित होता है, और भाग धातु की सतह परत में प्रवेश करता है और वहां अवशोषित होता है। एक फोटॉन को अवशोषित करने के बाद, इलेक्ट्रॉन इससे ऊर्जा प्राप्त करता है और कार्य कार्य करते हुए, धातु छोड़ देता है: एचν = एक आउट + हम, कहाँ पे हम- अधिकतम गतिज ऊर्जा जो धातु से बाहर निकलते समय एक इलेक्ट्रॉन में हो सकती है।
ऊर्जा के संरक्षण के नियम से, जब प्रकाश को कणों (फोटॉन) के रूप में दर्शाया जाता है, तो फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के लिए आइंस्टीन का सूत्र इस प्रकार है: एचν = एक आउट + इक
कहाँ पे एक आउट- तथाकथित। कार्य फलन (किसी पदार्थ से एक इलेक्ट्रॉन को निकालने के लिए आवश्यक न्यूनतम ऊर्जा), एक उत्सर्जित इलेक्ट्रॉन की गतिज ऊर्जा है (वेग के आधार पर, या तो एक सापेक्षतावादी कण की गतिज ऊर्जा की गणना की जा सकती है या नहीं), आवृत्ति है एक घटना फोटॉन ऊर्जा के साथ एचν, एचप्लैंक स्थिरांक है।
समारोह का कार्य- न्यूनतम ऊर्जा (आमतौर पर इलेक्ट्रॉन वोल्ट में मापा जाता है) के बीच का अंतर, जिसे एक ठोस शरीर की मात्रा से "प्रत्यक्ष" हटाने के लिए एक इलेक्ट्रॉन को प्रदान किया जाना चाहिए, और फर्मी ऊर्जा।
फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव की "लाल" सीमा- न्यूनतम आवृत्ति या अधिकतम तरंग दैर्ध्य मैक्सप्रकाश, जिस पर बाहरी फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव अभी भी संभव है, अर्थात फोटोइलेक्ट्रॉनों की प्रारंभिक गतिज ऊर्जा शून्य से अधिक है। आवृत्ति केवल आउटपुट के कार्य फलन पर निर्भर करती है। एक आउटइलेक्ट्रॉन: , जहाँ एक आउटएक विशिष्ट फोटोकैथोड के लिए कार्य फलन है, एचप्लैंक स्थिरांक है, और साथप्रकाश की गति है। समारोह का कार्य एक आउटफोटोकैथोड की सामग्री और इसकी सतह की स्थिति पर निर्भर करता है। जैसे ही प्रकाश आवृत्ति या तरंग दैर्ध्य के साथ फोटोकैथोड पर पड़ता है, फोटोइलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन तुरंत शुरू हो जाता है।
पिंडों के ऊष्मीय विकिरण को विद्युत चुम्बकीय विकिरण कहा जाता है जो शरीर की आंतरिक ऊर्जा के उस हिस्से के कारण होता है, जो इसके कणों की तापीय गति से संबंधित है।
तापमान पर गर्म किए गए निकायों के थर्मल विकिरण की मुख्य विशेषताएं टीहैं:
1. ऊर्जा चमकआर (टी ) -तरंग दैर्ध्य की पूरी श्रृंखला में, शरीर की प्रति इकाई सतह प्रति इकाई समय में उत्सर्जित ऊर्जा की मात्रा।विकिरण करने वाले पिंड की सतह के तापमान, प्रकृति और स्थिति पर निर्भर करता है। एसआई प्रणाली में आर ( टी ) आयाम है [डब्ल्यू/एम 2]।
2. ऊर्जा चमक का वर्णक्रमीय घनत्वआर ( ,टी) =डीडब्ल्यू/ डी - एक इकाई तरंग दैर्ध्य अंतराल में शरीर की सतह की एक इकाई द्वारा प्रति इकाई समय में उत्सर्जित ऊर्जा की मात्रा (माना गया तरंग दैर्ध्य के पास) ). वे। यह मात्रा संख्यात्मक रूप से ऊर्जा अनुपात के बराबर है डीडब्ल्यूसे तरंग दैर्ध्य की एक संकीर्ण सीमा में प्रति इकाई समय प्रति इकाई क्षेत्र उत्सर्जित होता है इससे पहले +डी , इस अंतराल की चौड़ाई तक। यह शरीर के तापमान, तरंगदैर्घ्य और विकिरणित पिंड की सतह की प्रकृति और स्थिति पर भी निर्भर करता है। एसआई प्रणाली में आर( , टी) आयाम है [डब्ल्यू/एम 3]।
ऊर्जा चमक आर(टी) ऊर्जा चमक के वर्णक्रमीय घनत्व से संबंधित आर( , टी) इस अनुसार:
(1) [डब्ल्यू/एम2]
3. सभी पिंड न केवल विकिरण करते हैं, बल्कि अपनी सतह पर आपतित विद्युत चुम्बकीय तरंगों को भी अवशोषित करते हैं। एक निश्चित तरंग दैर्ध्य की विद्युत चुम्बकीय तरंगों के संबंध में निकायों की अवशोषण क्षमता निर्धारित करने के लिए, अवधारणा पेश की जाती है मोनोक्रोमैटिक अवशोषण गुणांक-शरीर की सतह द्वारा अवशोषित मोनोक्रोमैटिक तरंग की ऊर्जा का एक घटना मोनोक्रोमैटिक तरंग की ऊर्जा से अनुपात:
(2)
मोनोक्रोमैटिक अवशोषण गुणांक एक आयाम रहित मात्रा है जो तापमान और तरंग दैर्ध्य पर निर्भर करता है। यह दर्शाता है कि घटना की ऊर्जा का कितना अंश मोनोक्रोमैटिक तरंग शरीर की सतह द्वारा अवशोषित किया जाता है। मूल्य ( , टी) 0 से 1 तक मान ले सकते हैं।
रुद्धोष्म रूप से बंद प्रणाली में विकिरण (पर्यावरण के साथ गर्मी का आदान-प्रदान नहीं) संतुलन कहलाता है. यदि गुहा की दीवार में एक छोटा छेद बनाया जाता है, तो संतुलन की स्थिति थोड़ी बदल जाएगी, और गुहा से निकलने वाला विकिरण संतुलन विकिरण के अनुरूप होगा।
यदि इस तरह के छेद में एक बीम निर्देशित किया जाता है, तो गुहा की दीवारों पर बार-बार प्रतिबिंब और अवशोषण के बाद, यह वापस बाहर नहीं जा पाएगा। इसका मतलब है कि ऐसे छेद के लिए, अवशोषण गुणांक ( , टी) = 1.
एक छोटे से छेद के साथ माना बंद गुहा मॉडल में से एक के रूप में कार्य करता है बिल्कुल काला शरीर।
पूरी तरह से काला शरीरएक पिंड कहा जाता है जो उस पर सभी विकिरण घटना को अवशोषित करता है, चाहे विकिरण की दिशा, इसकी वर्णक्रमीय संरचना और ध्रुवीकरण (बिना किसी चीज को प्रतिबिंबित या संचारित किए) की दिशा की परवाह किए बिना।
एक ब्लैकबॉडी के लिए, ऊर्जा चमक का वर्णक्रमीय घनत्व तरंग दैर्ध्य और तापमान का कुछ सार्वभौमिक कार्य है एफ( , टी) और इसकी प्रकृति पर निर्भर नहीं करता है।
प्रकृति के सभी पिंड आंशिक रूप से अपनी सतह पर विकिरण की घटना को दर्शाते हैं और इसलिए पूर्ण रूप से काले पिंडों से संबंधित नहीं हैं। यदि किसी पिंड का मोनोक्रोमैटिक अवशोषण गुणांक के लिए समान है सभी तरंग दैर्ध्य और कमइकाइयों(( , टी) = = const<1),तो ऐसे शरीर को कहा जाता है स्लेटी. एक भूरे रंग के शरीर के मोनोक्रोमैटिक अवशोषण का गुणांक केवल शरीर के तापमान, इसकी प्रकृति और इसकी सतह की स्थिति पर निर्भर करता है।
किरचॉफ ने दिखाया कि सभी निकायों के लिए, उनकी प्रकृति की परवाह किए बिना, ऊर्जा चमक के वर्णक्रमीय घनत्व का मोनोक्रोमैटिक अवशोषण गुणांक का अनुपात तरंग दैर्ध्य और तापमान का समान सार्वभौमिक कार्य है। एफ( , टी) , जो एक काले शरीर की ऊर्जा चमक का वर्णक्रमीय घनत्व है :
(3)
समीकरण (3) किरचॉफ का नियम है।
किरचॉफ का नियमइस तरह तैयार किया जा सकता है: सिस्टम के सभी निकायों के लिए जो थर्मोडायनामिक संतुलन में हैं, गुणांक के लिए ऊर्जा चमक के वर्णक्रमीय घनत्व का अनुपात मोनोक्रोमैटिक अवशोषण शरीर की प्रकृति पर निर्भर नहीं करता है, तरंग दैर्ध्य के आधार पर सभी निकायों के लिए समान कार्य है और तापमान टी.
पूर्वगामी और सूत्र (3) से यह स्पष्ट है कि किसी दिए गए तापमान पर, बड़े अवशोषण गुणांक वाले भूरे रंग के शरीर अधिक दृढ़ता से विकिरण करते हैं, और बिल्कुल काले शरीर सबसे अधिक दृढ़ता से विकिरण करते हैं। चूंकि पूरी तरह से काले शरीर के लिए( , टी)=1, तो सूत्र (3) का तात्पर्य है कि सार्वत्रिक फलन एफ( , टी) एक काले शरीर की ऊर्जा चमक का वर्णक्रमीय घनत्व है
