emisivitas tubuh rl , T secara numerik sama dengan energi tubuh dWl dipancarkan oleh tubuh dari satu unit permukaan tubuh, per unit waktu pada suhu tubuh T, dalam rentang panjang gelombang dari l sampai l +dl, itu.

Nilai ini juga disebut kerapatan spektral dari luminositas energi benda.

Luminositas energi terkait dengan emisivitas dengan rumus

daya serap tubuh al , T- angka yang menunjukkan berapa fraksi energi insiden radiasi pada permukaan benda yang diserap olehnya dalam rentang panjang gelombang dari l hingga l +dl, itu.

Tubuh yang al ,T=1 atas seluruh rentang panjang gelombang, disebut benda hitam (black body).

Tubuh yang al ,T=konst<1 atas seluruh rentang panjang gelombang disebut abu-abu.

di mana- kepadatan spektral luminositas energi, atau emisivitas tubuh .

Pengalaman menunjukkan bahwa emisivitas suatu benda bergantung pada suhu benda tersebut (untuk setiap suhu, radiasi maksimum terletak pada rentang frekuensinya sendiri). Dimensi .

Mengetahui emisivitas, Anda dapat menghitung luminositas energi:

ditelepon kapasitas penyerapan tubuh . Itu juga sangat tergantung pada suhu.

Menurut definisi, itu tidak bisa lebih besar dari satu. Untuk benda yang sepenuhnya menyerap radiasi dari semua frekuensi, . Tubuh seperti itu disebut benar-benar hitam (ini adalah idealisasi).

Tubuh yang dan kurang dari satu untuk semua frekuensi,ditelepon tubuh abu-abu (ini juga merupakan idealisasi).

Ada hubungan tertentu antara kemampuan memancarkan dan menyerap tubuh. Mari kita lakukan eksperimen berikut secara mental (Gbr. 1.1).

Beras. 1.1

Biarkan ada tiga tubuh di dalam cangkang tertutup. Benda berada dalam ruang hampa, oleh karena itu, pertukaran energi hanya dapat terjadi karena radiasi. Pengalaman menunjukkan bahwa setelah beberapa waktu sistem seperti itu akan mencapai keadaan kesetimbangan termal (semua benda dan cangkang akan memiliki suhu yang sama).

Dalam keadaan ini, benda dengan kapasitas radiasi yang lebih besar kehilangan lebih banyak energi per satuan waktu, tetapi, oleh karena itu, benda ini juga harus memiliki kapasitas penyerapan yang lebih besar:

Gustav Kirchhoff pada tahun 1856 merumuskan hukum dan menyarankan model tubuh hitam .

Rasio emisivitas terhadap absorptivitas tidak bergantung pada sifat benda, itu sama untuk semua benda.(universal)fungsi frekuensi dan suhu.

di mana - fungsi Kirchhoff universal.

Fungsi ini bersifat universal, atau absolut.

Kuantitas dan dirinya sendiri, diambil secara terpisah, dapat berubah sangat kuat ketika berpindah dari satu benda ke benda lain, tetapi rasionya selalu untuk semua benda (pada frekuensi dan suhu tertentu).

Untuk tubuh yang benar-benar hitam, oleh karena itu, untuk itu, mis. Fungsi universal Kirchhoff tidak lain adalah pancaran dari benda yang benar-benar hitam.

Benda hitam mutlak tidak ada di alam. Jelaga atau platinum hitam memiliki daya serap, tetapi hanya dalam rentang frekuensi yang terbatas. Namun, rongga dengan lubang kecil sangat dekat sifatnya dengan benda yang benar-benar hitam. Berkas yang masuk ke dalam, setelah beberapa kali pemantulan, harus diserap, dan berkas dengan frekuensi berapa pun (Gbr. 1.2).

Beras. 1.2

Emisi dari perangkat semacam itu (rongga) sangat dekat dengan f(ν, ,T). Jadi, jika dinding rongga dipertahankan pada suhu T, maka radiasi yang keluar dari lubang sangat dekat dalam komposisi spektral dengan radiasi benda yang benar-benar hitam pada suhu yang sama.

Memperluas radiasi ini menjadi spektrum, kita dapat menemukan bentuk eksperimental dari fungsi f(ν, ,T) (Gbr. 1.3), pada suhu yang berbeda T 3 > T 2 > T 1 .

Beras. 1.3

Area yang dicakup oleh kurva memberikan luminositas energi benda hitam pada suhu yang sesuai.

Kurva ini sama untuk semua benda.

Kurva mirip dengan fungsi distribusi kecepatan molekul. Tapi di sana, area yang dicakup oleh kurva adalah konstan, sementara di sini, dengan meningkatnya suhu, luasnya meningkat secara signifikan. Hal ini menunjukkan bahwa kompatibilitas energi sangat tergantung pada suhu. Radiasi maksimum (emisivitas) dengan meningkatnya suhu sedang bergeser menuju frekuensi yang lebih tinggi.

Hukum radiasi termal

Setiap benda yang dipanaskan memancarkan gelombang elektromagnetik. Semakin tinggi suhu suatu benda, semakin pendek gelombang yang dipancarkannya. Benda yang berada dalam kesetimbangan termodinamika dengan radiasinya disebut benar-benar hitam (AChT). Radiasi benda hitam hanya bergantung pada suhunya. Pada tahun 1900, Max Planck menurunkan rumus yang dengannya, pada suhu tertentu, benda yang benar-benar hitam dapat menghitung intensitas radiasinya.

Fisikawan Austria Stefan dan Boltzmann menetapkan hukum yang menyatakan hubungan kuantitatif antara emisivitas total dan suhu benda hitam:

Hukum ini disebut Hukum Stefan-Boltzmann . Konstanta \u003d 5,67 10 -8 W / (m 2 K 4) disebut Konstanta Stefan-Boltzmann .

Semua kurva Planck memiliki maksimum yang jelas yang disebabkan oleh panjang gelombang

Hukum ini disebut hukum wien . Jadi, untuk Matahari T 0 = 5800 K, dan maksimum jatuh pada panjang gelombang max 500 nm, yang sesuai dengan warna hijau dalam rentang optik.

Ketika suhu meningkat, radiasi benda hitam maksimum bergeser ke bagian panjang gelombang pendek dari spektrum. Bintang yang lebih panas memancarkan sebagian besar energinya dalam kisaran ultraviolet, yang kurang panas dalam inframerah.

Efek fotoelektrik. foton

efek fotoelektrik ditemukan pada tahun 1887 oleh fisikawan Jerman G. Hertz dan dipelajari secara eksperimental oleh A. G. Stoletov pada tahun 1888–1890. Studi paling lengkap tentang fenomena efek fotolistrik dilakukan oleh F. Lenard pada tahun 1900. Pada saat ini, elektron telah ditemukan (1897, J. Thomson), dan menjadi jelas bahwa efek fotolistrik (atau, lebih tepatnya, efek fotolistrik eksternal) terdiri dari menarik elektron keluar dari materi di bawah pengaruh cahaya yang jatuh di atasnya.

Tata letak pengaturan eksperimental untuk mempelajari efek fotolistrik ditunjukkan pada gambar. 5.2.1.

Percobaan menggunakan bejana vakum kaca dengan dua elektroda logam, yang permukaannya dibersihkan secara menyeluruh. Tegangan diterapkan ke elektroda kamu, yang polaritasnya dapat diubah menggunakan kunci ganda. Salah satu elektroda (katoda K) disinari melalui jendela kuarsa dengan cahaya monokromatik dengan panjang gelombang tertentu . Pada fluks bercahaya konstan, ketergantungan kekuatan arus foto diambil Saya dari tegangan yang diberikan. pada gambar. 5.2.2 menunjukkan kurva khas ketergantungan semacam itu, yang diperoleh untuk dua nilai intensitas insiden fluks cahaya pada katoda.

Kurva menunjukkan bahwa pada tegangan positif yang cukup tinggi di anoda A, arus foto mencapai saturasi, karena semua elektron yang dikeluarkan oleh cahaya dari katoda mencapai anoda. Pengukuran yang cermat telah menunjukkan bahwa arus saturasi Saya n berbanding lurus dengan intensitas cahaya datang. Ketika tegangan melintasi anoda negatif, medan listrik antara katoda dan anoda memperlambat elektron. Anoda hanya dapat mencapai elektron yang energi kinetiknya melebihi | UE|. Jika tegangan anoda kurang dari - kamu h, arus foto berhenti. ukur kamu h, adalah mungkin untuk menentukan energi kinetik maksimum fotoelektron:

Banyak peneliti telah menetapkan hukum dasar efek fotolistrik berikut:

1. Energi kinetik maksimum fotoelektron meningkat secara linier dengan meningkatnya frekuensi cahaya dan tidak bergantung pada intensitasnya.
2. Untuk setiap zat ada yang disebut efek foto perbatasan merah , yaitu, frekuensi terendah min di mana efek fotolistrik eksternal masih mungkin terjadi.
3. Jumlah fotoelektron yang ditarik oleh cahaya dari katoda dalam 1 s berbanding lurus dengan intensitas cahaya.
4. Efek fotolistrik praktis inersia, arus foto muncul seketika setelah dimulainya penerangan katoda, asalkan frekuensi cahaya > min .

Semua hukum efek fotolistrik ini pada dasarnya bertentangan dengan gagasan fisika klasik tentang interaksi cahaya dengan materi. Menurut konsep gelombang, ketika berinteraksi dengan gelombang cahaya elektromagnetik, elektron harus mengumpulkan energi secara bertahap, dan akan membutuhkan waktu yang cukup lama, tergantung pada intensitas cahaya, agar elektron mengumpulkan energi yang cukup untuk terbang keluar dari katoda. . Perhitungan menunjukkan bahwa waktu ini seharusnya dihitung dalam menit atau jam. Namun, pengalaman menunjukkan bahwa fotoelektron muncul segera setelah dimulainya penerangan katoda. Dalam model ini, juga tidak mungkin untuk memahami keberadaan batas merah dari efek fotolistrik. Teori gelombang cahaya tidak dapat menjelaskan kemandirian energi fotoelektron dari intensitas fluks cahaya dan proporsionalitas energi kinetik maksimum dengan frekuensi cahaya.

Dengan demikian, teori elektromagnetik cahaya terbukti tidak mampu menjelaskan keteraturan ini.

Sebuah jalan keluar ditemukan oleh A. Einstein pada tahun 1905. Penjelasan teoretis tentang hukum efek fotolistrik yang diamati diberikan oleh Einstein berdasarkan hipotesis M. Planck bahwa cahaya dipancarkan dan diserap dalam bagian-bagian tertentu, dan energi masing-masing porsi tersebut ditentukan oleh rumus E = h v, dimana h adalah konstanta Planck. Einstein mengambil langkah berikutnya dalam pengembangan konsep kuantum. Dia sampai pada kesimpulan bahwa cahaya memiliki struktur diskontinyu (diskrit).. Gelombang elektromagnetik terdiri dari bagian-bagian yang terpisah - kuanta, selanjutnya dinamakan foton. Saat berinteraksi dengan materi, foton mentransfer semua energinya h untuk satu elektron. Sebagian dari energi ini dapat dihamburkan oleh elektron dalam tumbukan dengan atom-atom materi. Selain itu, sebagian energi elektron dihabiskan untuk mengatasi penghalang potensial pada antarmuka logam-vakum. Untuk melakukan ini, elektron harus melakukan fungsi kerja A tergantung pada sifat bahan katoda. Energi kinetik maksimum yang dapat dimiliki oleh fotoelektron yang dipancarkan dari katoda ditentukan oleh hukum kekekalan energi:

Rumus ini disebut Persamaan Einstein untuk efek fotolistrik .

Dengan menggunakan persamaan Einstein, seseorang dapat menjelaskan semua keteraturan efek fotolistrik eksternal. Dari persamaan Einstein, ketergantungan linier energi kinetik maksimum pada frekuensi dan kemandirian pada intensitas cahaya, keberadaan batas merah, dan inersia efek fotolistrik mengikuti. Jumlah total fotoelektron yang meninggalkan permukaan katoda dalam 1 s harus sebanding dengan jumlah foton yang jatuh pada permukaan dalam waktu yang sama. Dari sini dapat disimpulkan bahwa arus saturasi harus berbanding lurus dengan intensitas fluks cahaya.

Sebagai berikut dari persamaan Einstein, kemiringan garis lurus yang menyatakan ketergantungan potensial pemblokiran kamu h dari frekuensi (Gbr. 5.2.3), sama dengan rasio konstanta Planck h dengan muatan elektron e:

di mana c adalah kecepatan cahaya, cr adalah panjang gelombang yang sesuai dengan batas merah efek fotolistrik. Untuk sebagian besar logam, fungsi kerja A adalah beberapa elektron volt (1 eV = 1,602 10 -19 J). Dalam fisika kuantum, elektron volt sering digunakan sebagai satuan energi. Nilai konstanta Planck, dinyatakan dalam volt elektron per detik, adalah

Di antara logam, unsur alkali memiliki fungsi kerja paling rendah. Misalnya natrium A= 1,9 eV, yang sesuai dengan batas merah efek fotolistrik cr 680 nm. Oleh karena itu, senyawa logam alkali digunakan untuk membuat katoda di fotosel dirancang untuk mendeteksi cahaya tampak.

Jadi, hukum efek fotolistrik menunjukkan bahwa cahaya, ketika dipancarkan dan diserap, berperilaku seperti aliran partikel yang disebut foton atau kuanta ringan .

Energi foton adalah

maka foton memiliki momentum

Dengan demikian, doktrin cahaya, setelah menyelesaikan revolusi yang berlangsung selama dua abad, kembali ke gagasan partikel cahaya - sel darah.

Tapi ini bukan pengembalian mekanis ke teori sel-sel Newton. Pada awal abad ke-20, menjadi jelas bahwa cahaya memiliki sifat ganda. Ketika cahaya merambat, sifat gelombangnya muncul (interferensi, difraksi, polarisasi), dan ketika berinteraksi dengan materi, sifat sel (efek fotolistrik) muncul. Sifat ganda cahaya ini disebut dualitas gelombang-partikel . Belakangan, sifat ganda ditemukan pada elektron dan partikel elementer lainnya. Fisika klasik tidak dapat memberikan model visual kombinasi gelombang dan sifat sel dari benda-benda mikro. Pergerakan benda-benda mikro tidak dikendalikan oleh hukum mekanika Newton klasik, tetapi oleh hukum mekanika kuantum. Teori radiasi benda hitam yang dikembangkan oleh M. Planck dan teori kuantum Einstein tentang efek fotolistrik mendasari ilmu pengetahuan modern ini.

1. Karakteristik radiasi termal.

2. Hukum Kirchhoff.

3. Hukum radiasi benda hitam.

4. Radiasi Matahari.

5. Fondasi fisik termografi.

6. Terapi cahaya. Penggunaan terapi sinar ultraviolet.

7. Konsep dan rumus dasar.

8. Tugas.

Dari seluruh variasi radiasi elektromagnetik, terlihat atau tidak terlihat oleh mata manusia, seseorang dapat dibedakan, yang melekat pada semua tubuh - ini adalah radiasi termal.

radiasi termal- radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh suatu zat dan timbul karena energi internalnya.

Radiasi termal disebabkan oleh eksitasi partikel materi selama tumbukan dalam proses gerak termal atau oleh gerak muatan yang dipercepat (osilasi ion kisi kristal, gerak termal elektron bebas, dll.). Itu terjadi pada suhu berapa pun dan melekat pada semua tubuh. Ciri khas radiasi termal adalah spektrum kontinu.

Intensitas radiasi dan komposisi spektral tergantung pada suhu tubuh, oleh karena itu, radiasi termal tidak selalu dirasakan oleh mata sebagai pancaran. Misalnya, benda yang dipanaskan hingga suhu tinggi memancarkan sebagian besar energi dalam rentang yang terlihat, dan pada suhu kamar hampir semua energi dipancarkan dalam bagian spektrum inframerah.

26.1. Karakteristik radiasi termal

Energi yang hilang dari tubuh karena radiasi termal dicirikan oleh nilai-nilai berikut.

fluks radiasi(F) - energi yang dipancarkan per satuan waktu dari seluruh permukaan tubuh.

Sebenarnya, ini adalah kekuatan radiasi termal. Dimensi fluks radiasi adalah [J / s \u003d W].

luminositas energi(Re) adalah energi radiasi termal yang dipancarkan per satuan waktu dari permukaan satuan benda yang dipanaskan:

Dimensi karakteristik ini adalah [W / m 2].

Baik fluks radiasi dan luminositas energi bergantung pada struktur zat dan suhunya: = (Т), Re = Re(T).

Distribusi luminositas energi di atas spektrum radiasi termal mencirikan kepadatan spektral. Mari kita nyatakan energi radiasi termal yang dipancarkan oleh satu permukaan dalam 1 s dalam rentang panjang gelombang yang sempit dari λ sebelum λ +d λ, melalui dRe.

Kepadatan spektral luminositas energi(r) atau emisivitas adalah rasio luminositas energi di bagian sempit spektrum (dRe) dengan lebar bagian ini (dλ):

Pandangan perkiraan kepadatan spektral dan luminositas energi (dRe) dalam rentang panjang gelombang dari λ sebelum λ +d λ, ditunjukkan pada gambar. 26.1.

Beras. 26.1. Kerapatan spektral luminositas energi

Ketergantungan kerapatan spektral luminositas energi pada panjang gelombang disebut spektrum radiasi tubuh. Mengetahui ketergantungan ini memungkinkan Anda untuk menghitung luminositas energi tubuh dalam rentang panjang gelombang apa pun:

Tubuh tidak hanya memancarkan, tetapi juga menyerap radiasi termal. Kemampuan suatu benda untuk menyerap energi radiasi bergantung pada zat, suhu, dan panjang gelombang radiasinya. Kapasitas penyerapan tubuh ditandai dengan: koefisien penyerapan monokromatikα.

Biarkan aliran jatuh di permukaan tubuh monokromatik radiasi dengan panjang gelombang . Sebagian dari aliran ini dipantulkan dan sebagian lagi diserap oleh tubuh. Mari kita tunjukkan nilai fluks yang diserap λ abs.

Koefisien penyerapan monokromatik adalah rasio fluks radiasi yang diserap oleh benda tertentu dengan besarnya fluks monokromatik yang datang:

Koefisien serapan monokromatik adalah besaran tak berdimensi. Nilainya terletak antara nol dan satu: 0 1.

Fungsi = (λ,Τ), yang menyatakan ketergantungan koefisien serapan monokromatik pada panjang gelombang dan suhu, disebut kapasitas penyerapan tubuh. Penampilannya bisa sangat kompleks. Jenis penyerapan yang paling sederhana dipertimbangkan di bawah ini.

Badan hitam pekat- benda seperti itu, koefisien penyerapannya sama dengan satu untuk semua panjang gelombang: = 1. Ia menyerap semua insiden radiasi di atasnya.

Menurut sifat penyerapannya, jelaga, beludru hitam, hitam platinum dekat dengan tubuh yang benar-benar hitam. Model benda hitam yang sangat baik adalah rongga tertutup dengan lubang kecil (O). Dinding rongga menghitam pada Gambar. 26.2.

Sinar yang memasuki lubang ini hampir seluruhnya diserap setelah beberapa kali pantulan dari dinding. Perangkat serupa

Beras. 26.2. Model tubuh hitam

digunakan sebagai standar cahaya, digunakan dalam mengukur suhu tinggi, dll.

Kerapatan spektral luminositas energi dari benda yang benar-benar hitam dilambangkan dengan (λ, ). Fungsi ini memainkan peran penting dalam teori radiasi termal. Bentuknya pertama kali ditetapkan secara eksperimental, dan kemudian diperoleh secara teoritis (rumus Planck).

Tubuh yang benar-benar putih- benda seperti itu, koefisien penyerapannya sama dengan nol untuk semua panjang gelombang: = 0.

Tidak ada benda yang benar-benar putih di alam, namun ada benda yang memiliki sifat yang dekat dengan mereka dalam kisaran suhu dan panjang gelombang yang cukup luas. Misalnya, cermin di bagian optik dari spektrum memantulkan hampir semua cahaya yang datang.

tubuh abu-abu adalah benda yang koefisien absorpsinya tidak bergantung pada panjang gelombang: = const< 1.

Beberapa benda nyata memiliki sifat ini dalam rentang panjang gelombang dan suhu tertentu. Misalnya, "abu-abu" (α = 0.9) dapat dianggap sebagai kulit manusia di wilayah inframerah.

26.2. hukum Kirchhoff

Hubungan kuantitatif antara radiasi dan penyerapan didirikan oleh G. Kirchhoff (1859).

hukum Kirchhoff- sikap emisivitas tubuh untuknya kapasitas penyerapan sama untuk semua benda dan sama dengan kerapatan spektral luminositas energi dari benda yang benar-benar hitam:

Kami mencatat beberapa konsekuensi dari undang-undang ini.

1. Jika suatu benda pada suhu tertentu tidak menyerap radiasi apa pun, maka benda itu tidak memancarkannya. Memang, jika untuk

26.3. Hukum radiasi benda hitam

Hukum radiasi benda hitam ditetapkan dalam urutan berikut.

Pada tahun 1879, J. Stefan secara eksperimental, dan pada tahun 1884, L. Boltzmann secara teoritis menentukan luminositas energi tubuh yang benar-benar hitam.

Hukum Stefan-Boltzmann - Luminositas energi benda hitam sebanding dengan pangkat empat suhu absolutnya:

Nilai koefisien penyerapan untuk beberapa bahan diberikan dalam Tabel. 26.1.

Tabel 26.1. koefisien penyerapan

Fisikawan Jerman W. Wien (1893) menetapkan rumus untuk panjang gelombang yang menjelaskan maksimum emisivitas tubuh yang benar-benar hitam. Rasio yang dia terima dinamai menurut namanya.

Saat suhu naik, emisivitas maksimum sedang bergeser ke kiri (Gbr. 26.3).

Beras. 26.3. Ilustrasi hukum perpindahan Wien

Di meja. 26.2 menunjukkan warna di bagian spektrum yang terlihat, sesuai dengan radiasi benda pada suhu yang berbeda.

Tabel 26.2. Warna tubuh yang dipanaskan

Menggunakan hukum Stefan-Boltzmann dan Wien, adalah mungkin untuk menentukan suhu benda dengan mengukur radiasi benda-benda ini. Misalnya, suhu permukaan Matahari (~6000 K), suhu di pusat ledakan (~10 6 K), dll. ditentukan dengan cara ini. Nama umum untuk metode ini adalah pirometri.

Pada tahun 1900, M. Planck menerima formula untuk menghitung emisivitas tubuh benar-benar hitam secara teoritis. Untuk melakukan ini, dia harus meninggalkan ide klasik tentang kontinuitas proses radiasi gelombang elektromagnetik. Menurut Planck, fluks radiasi terdiri dari bagian-bagian yang terpisah - kuanta, yang energinya sebanding dengan frekuensi cahaya:

Dari rumus (26.11) secara teoritis dapat diperoleh hukum Stefan-Boltzmann dan Wien.

26.4. Radiasi matahari

Di dalam tata surya, Matahari adalah sumber radiasi termal paling kuat yang menentukan kehidupan di Bumi. Radiasi matahari memiliki sifat penyembuhan (helioterapi), digunakan sebagai sarana pengerasan. Itu juga dapat memiliki efek negatif pada tubuh (luka bakar, termal

Spektrum radiasi matahari di perbatasan atmosfer bumi dan di permukaan bumi berbeda (Gbr. 26.4).

Beras. 26.4. Spektrum radiasi matahari: 1 - di batas atmosfer, 2 - di permukaan Bumi

Pada batas atmosfer, spektrum Matahari mendekati spektrum benda hitam. Emisi maksimum adalah pada 1maks= 470 nm (biru).

Di dekat permukaan bumi, spektrum radiasi matahari memiliki bentuk yang lebih kompleks, yang berhubungan dengan penyerapan di atmosfer. Secara khusus, itu tidak mengandung bagian frekuensi tinggi dari radiasi ultraviolet, yang berbahaya bagi organisme hidup. Sinar ini hampir seluruhnya diserap oleh lapisan ozon. Emisi maksimum adalah pada 2maks= 555 nm (hijau-kuning), yang sesuai dengan sensitivitas mata terbaik.

Fluks radiasi panas matahari pada batas atmosfer bumi menentukan konstanta matahari SAYA.

Fluks yang mencapai permukaan bumi jauh lebih sedikit karena penyerapan di atmosfer. Di bawah kondisi yang paling menguntungkan (matahari di puncaknya), tidak melebihi 1120 W / m 2. Di Moskow pada saat titik balik matahari musim panas (Juni) - 930 W / m 2.

Baik kekuatan radiasi matahari di dekat permukaan bumi dan komposisi spektralnya sangat bergantung pada ketinggian Matahari di atas cakrawala. pada gambar. 26.5 kurva halus distribusi energi sinar matahari diberikan: I - di luar atmosfer; II - pada posisi Matahari di puncak; III - pada ketinggian 30 ° di atas cakrawala; IV - dalam kondisi mendekati matahari terbit dan terbenam (10° di atas cakrawala).

Beras. 26.5. Distribusi energi dalam spektrum Matahari pada ketinggian yang berbeda di atas cakrawala

Komponen yang berbeda dari spektrum matahari melewati atmosfer bumi dengan cara yang berbeda. Gambar 26.6 menunjukkan transparansi atmosfer pada ketinggian Matahari yang tinggi.

26.5. Dasar fisik termografi

Radiasi termal seseorang merupakan bagian yang signifikan dari kehilangan termalnya. Kehilangan radiasi seseorang sama dengan perbedaannya dipancarkan mengalir dan terserap fluks radiasi lingkungan. Daya rugi radiasi dihitung dengan rumus

di mana S adalah luas permukaan; δ - penurunan koefisien penyerapan kulit (pakaian), dianggap sebagai tubuh abu-abu; T 1 - suhu permukaan tubuh (pakaian); T 0 - suhu lingkungan.

Perhatikan contoh berikut.

Mari kita hitung kekuatan kehilangan radiasi orang telanjang pada suhu sekitar 18°C ​​(291 K). Mari kita ambil: luas permukaan tubuh S = 1,5 m 2; suhu kulit T 1 = 306 K (33°C). Koefisien penyerapan berkurang dari kulit ditemukan pada Tabel. 26.1 (δ \u003d 5.1 * 10 -8 W / m 2 K 4). Mengganti nilai-nilai ini ke dalam rumus (26.11), kami memperoleh

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

Beras. 26.6. Transparansi atmosfer bumi (dalam persen) untuk berbagai bagian spektrum pada ketinggian Matahari yang tinggi.

Radiasi termal manusia dapat digunakan sebagai parameter diagnostik.

Termografi - metode diagnostik berdasarkan pengukuran dan pendaftaran radiasi termal dari permukaan tubuh manusia atau bagian individualnya.

Distribusi suhu di area kecil permukaan tubuh dapat ditentukan dengan menggunakan film kristal cair khusus. Film tersebut sensitif terhadap perubahan suhu kecil (perubahan warna). Oleh karena itu, "potret" termal warna dari area tubuh yang ditumpangkannya muncul di film.

Cara yang lebih maju adalah dengan menggunakan pencitra termal yang mengubah radiasi inframerah menjadi cahaya tampak. Radiasi tubuh diproyeksikan ke matriks imager termal menggunakan lensa khusus. Setelah konversi, potret termal terperinci terbentuk di layar. Daerah dengan suhu yang berbeda berbeda dalam warna atau intensitas. Metode modern memungkinkan untuk memperbaiki perbedaan suhu hingga 0,2 derajat.

Potret termal digunakan dalam diagnostik fungsional. Berbagai patologi organ dalam dapat terbentuk di permukaan zona kulit dengan suhu yang berubah. Deteksi zona tersebut menunjukkan adanya patologi. Metode termografi memfasilitasi diagnosis banding antara tumor jinak dan ganas. Metode ini merupakan sarana obyektif untuk memantau efektivitas metode terapi pengobatan. Jadi, selama pemeriksaan termografi pasien dengan psoriasis, ditemukan bahwa dengan adanya infiltrasi parah dan hiperemia pada plak, peningkatan suhu dicatat. Penurunan suhu ke tingkat daerah sekitarnya dalam banyak kasus menunjukkan regresi proses pada kulit.

Demam sering menjadi indikator infeksi. Untuk menentukan suhu seseorang, cukup dengan melihat melalui perangkat inframerah di wajah dan lehernya. Untuk orang sehat, rasio suhu dahi terhadap suhu karotis berkisar antara 0,98 hingga 1,03. Rasio ini dapat digunakan dalam diagnostik ekspres selama epidemi untuk tindakan karantina.

26.6. Fototerapi. Penggunaan terapi sinar ultraviolet

Radiasi inframerah, cahaya tampak dan radiasi ultraviolet banyak digunakan dalam pengobatan. Ingat rentang panjang gelombangnya:

Fototerapi disebut penggunaan inframerah dan radiasi tampak untuk tujuan terapeutik.

Menembus ke dalam jaringan, sinar inframerah (dan juga yang terlihat) di tempat penyerapannya menyebabkan pelepasan panas. Kedalaman penetrasi sinar infra merah dan sinar tampak ke dalam kulit ditunjukkan pada Gambar. 26.7.

Beras. 26.7. Kedalaman penetrasi radiasi ke dalam kulit

Dalam praktik medis, iradiator khusus digunakan sebagai sumber radiasi inframerah (Gbr. 26.8).

Lampu kecil adalah lampu pijar dengan reflektor yang melokalisasi radiasi ke arah yang diperlukan. Sumber radiasi adalah lampu pijar 20-60 W yang terbuat dari kaca tidak berwarna atau biru.

Mandi air panas ringan adalah bingkai setengah silinder, terdiri dari dua bagian yang terhubung secara bergerak satu sama lain. Di permukaan bagian dalam bingkai, menghadap pasien, lampu pijar dengan daya 40 W dipasang. Di pemandian seperti itu, objek biologis dipengaruhi oleh inframerah dan radiasi tampak, serta udara panas, yang suhunya bisa mencapai 70 °C.

Lampu Sollux adalah lampu pijar yang kuat ditempatkan di reflektor khusus pada tripod. Sumber radiasi adalah lampu pijar dengan daya 500 W (suhu filamen tungsten 2800 °C, radiasi maksimum jatuh pada panjang gelombang 2 m).

Beras. 26.8. Iradiator: Lampu minin (a), penangas termal ringan (b), lampu Sollux (c)

Penggunaan terapi sinar ultraviolet

Radiasi ultraviolet yang digunakan untuk tujuan medis dibagi menjadi tiga rentang:

Ketika radiasi ultraviolet diserap dalam jaringan (di kulit), berbagai reaksi fotokimia dan fotobiologis terjadi.

digunakan sebagai sumber radiasi. lampu tekanan tinggi(busur, merkuri, tabung), berpendar lampu, pelepasan gas lampu tekanan rendah salah satu varietasnya adalah lampu bakterisida.

Sebuah radiasi memiliki efek eritema dan penyamakan. Ini digunakan dalam pengobatan banyak penyakit dermatologis. Beberapa senyawa kimia dari seri furocoumarin (misalnya, psoralen) mampu membuat kulit pasien peka terhadap radiasi ultraviolet gelombang panjang dan merangsang pembentukan pigmen melanin dalam melanosit. Penggunaan gabungan obat-obatan ini dengan radiasi-A adalah dasar dari metode pengobatan yang disebut fotokemoterapi atau terapi PUVA(PUVA: P - psoralen; UVA - zona radiasi ultraviolet A). Sebagian atau seluruh tubuh terkena radiasi.

radiasi B memiliki efek anti-rachitic pembentuk vitamin.

radiasi C memiliki efek bakterisida. Iradiasi menghancurkan struktur mikroorganisme dan jamur. C-radiasi dibuat oleh lampu bakterisida khusus (Gbr. 26.9).

Beberapa teknik medis menggunakan C-radiasi untuk menyinari darah.

Kelaparan ultraviolet. Radiasi ultraviolet diperlukan untuk perkembangan dan fungsi normal tubuh. Kekurangannya menyebabkan sejumlah penyakit serius. Penduduk di wilayah ekstrem menghadapi kelaparan ultraviolet

Beras. 26.9. Iradiator bakterisida (a), iradiator nasofaring (b)

Utara, pekerja di industri pertambangan, kereta bawah tanah, penduduk kota besar. Di kota-kota, kurangnya radiasi ultraviolet dikaitkan dengan polusi udara oleh debu, asap, dan gas yang menghalangi bagian UV dari spektrum matahari. Jendela tempat tidak mentransmisikan sinar UV dengan panjang gelombang< 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).

Bahaya radiasi ultraviolet

Paparan berlebihan dosis radiasi ultraviolet pada tubuh secara keseluruhan dan pada organ individualnya menyebabkan sejumlah patologi. Pertama-tama, ini mengacu pada konsekuensi dari berjemur yang tidak terkendali: luka bakar, bintik-bintik penuaan, kerusakan mata - perkembangan fotoftalmia. Efek radiasi ultraviolet pada mata mirip dengan eritema, karena dikaitkan dengan penguraian protein dalam sel-sel kornea dan selaput lendir mata. Sel-sel kulit manusia yang hidup dilindungi dari aksi destruktif sinar UV "mati

mi" sel-sel stratum korneum kulit. Mata kehilangan perlindungan ini, oleh karena itu, dengan dosis iradiasi mata yang signifikan, peradangan pada tanduk (keratitis) dan selaput lendir (konjungtivitis) mata berkembang setelah periode laten. Efek ini disebabkan oleh sinar dengan panjang gelombang kurang dari 310 nm. Penting untuk melindungi mata dari sinar seperti itu. Perhatian khusus harus diberikan pada efek blastomogenik dari radiasi UV, yang mengarah pada perkembangan kanker kulit.

26.7. Konsep dan rumus dasar

Lanjutan tabel

Akhir meja

26.8. tugas

2. Tentukan berapa kali luminositas energi dari area permukaan tubuh manusia berbeda, yang memiliki suhu masing-masing 34 dan 33 ° C?

3. Saat mendiagnosis tumor payudara dengan termografi, pasien diberikan larutan glukosa untuk diminum. Setelah beberapa waktu, radiasi termal permukaan tubuh dicatat. Sel-sel jaringan tumor secara intensif menyerap glukosa, akibatnya produksi panasnya meningkat. Berapa derajat suhu daerah kulit di atas tumor berubah jika radiasi dari permukaan meningkat sebesar 1% (1,01 kali)? Suhu awal area tubuh adalah 37°C.

6. Berapa kenaikan suhu tubuh manusia jika fluks radiasi dari permukaan tubuh meningkat sebesar 4%? Suhu tubuh awal adalah 35°C.

7. Ada dua ceret identik di sebuah ruangan yang berisi air dengan massa yang sama pada 90 ° C. Satu berlapis nikel dan yang lainnya berwarna hitam. Ketel mana yang akan mendingin paling cepat? Mengapa?

Keputusan

Menurut hukum Kirchhoff, rasio kemampuan memancarkan dan menyerap adalah sama untuk semua benda. Teko berlapis nikel memantulkan hampir semua cahaya. Oleh karena itu, daya serapnya kecil. Dengan demikian, emisivitas juga kecil.

Menjawab: ketel gelap akan mendingin lebih cepat.

8. Untuk penghancuran serangga hama, biji-bijian terkena radiasi inframerah. Mengapa serangga mati, tetapi biji-bijian tidak?

Menjawab: bug punya hitam warna, oleh karena itu secara intensif menyerap radiasi infra merah dan binasa.

9. Saat memanaskan sepotong baja, kita akan mengamati panas merah ceri yang cerah pada suhu 800 ° C, tetapi batang transparan kuarsa yang menyatu tidak menyala sama sekali pada suhu yang sama. Mengapa?

Keputusan

Lihat masalah 7. Benda transparan menyerap sebagian kecil cahaya. Oleh karena itu, emisivitasnya kecil.

Menjawab: tubuh transparan praktis tidak memancar, bahkan ketika dipanaskan dengan kuat.

10. Mengapa banyak hewan tidur meringkuk dalam cuaca dingin?

Menjawab: dalam hal ini, permukaan terbuka tubuh berkurang dan, karenanya, kehilangan radiasi berkurang.

Radiasi termal tubuh disebut radiasi elektromagnetik yang terjadi karena bagian dari energi internal tubuh, yang terkait dengan gerakan termal partikelnya.

Karakteristik utama radiasi termal benda yang dipanaskan hingga suhu T adalah:

1. Energi kilauR (T ) -jumlah energi yang dipancarkan per satuan waktu per satuan permukaan tubuh, di seluruh rentang panjang gelombang. Tergantung pada suhu, sifat dan keadaan permukaan tubuh yang memancar. Dalam sistem SI R ( T ) memiliki dimensi [W/m 2 ].

2. Kerapatan spektral luminositas energir (  ,T) =dW/ d - jumlah energi yang dipancarkan oleh satu unit permukaan tubuh per unit waktu dalam interval satuan panjang gelombang (mendekati panjang gelombang yang dipertimbangkan ). Itu. kuantitas ini secara numerik sama dengan rasio energi dW dipancarkan per satuan luas per satuan waktu dalam rentang panjang gelombang yang sempit dari  sebelum  +d , dengan lebar interval ini. Itu tergantung pada suhu tubuh, panjang gelombang, dan juga pada sifat dan keadaan permukaan tubuh yang memancar. Dalam sistem SI r( , T) memiliki dimensi [W/m 3 ].

luminositas energi R(T) terkait dengan kerapatan spektral luminositas energi r( , T) dengan cara berikut:

(1) [W/m2]

3. Semua benda tidak hanya memancarkan, tetapi juga menyerap gelombang elektromagnetik yang terjadi di permukaannya. Untuk menentukan kapasitas penyerapan benda dalam kaitannya dengan gelombang elektromagnetik dari panjang gelombang tertentu, konsep diperkenalkan koefisien penyerapan monokromatik-rasio energi gelombang monokromatik yang diserap oleh permukaan tubuh dengan energi gelombang monokromatik yang datang:

Koefisien serapan monokromatik adalah besaran tak berdimensi yang bergantung pada suhu dan panjang gelombang. Ini menunjukkan berapa fraksi energi gelombang monokromatik yang diserap oleh permukaan tubuh. Nilai ( , T) dapat mengambil nilai dari 0 hingga 1.

Radiasi dalam sistem tertutup adiabatik (tidak bertukar panas dengan lingkungan) disebut kesetimbangan. Jika lubang kecil dibuat di dinding rongga, keadaan kesetimbangan akan sedikit berubah, dan radiasi yang meninggalkan rongga akan sesuai dengan radiasi kesetimbangan.

Jika sinar diarahkan ke lubang seperti itu, maka setelah pemantulan dan penyerapan berulang pada dinding rongga, itu tidak akan bisa keluar lagi. Ini berarti bahwa untuk lubang seperti itu, koefisien penyerapan ( , T) = 1.

Rongga tertutup yang dianggap dengan lubang kecil berfungsi sebagai salah satu model tubuh yang benar-benar hitam.

Badan hitam pekatsebuah benda disebut yang menyerap semua insiden radiasi di atasnya, terlepas dari arah radiasi datang, komposisi spektral dan polarisasinya (tanpa memantulkan atau mentransmisikan apa pun).

Untuk benda hitam, kerapatan spektral luminositas energi adalah beberapa fungsi universal dari panjang gelombang dan suhu f( , T) dan tidak tergantung pada sifatnya.

Semua benda di alam sebagian mencerminkan insiden radiasi di permukaannya dan oleh karena itu bukan milik benda hitam mutlak. Jika koefisien serapan monokromatik suatu benda sama untuk semua panjang gelombang dan kurangunit(( , T) = = konstanta<1),maka tubuh seperti itu disebut Abu-abu. Koefisien penyerapan monokromatik benda abu-abu hanya bergantung pada suhu benda, sifatnya dan keadaan permukaannya.

Kirchhoff menunjukkan bahwa untuk semua benda, terlepas dari sifatnya, rasio kerapatan spektral luminositas energi dengan koefisien penyerapan monokromatik adalah fungsi universal panjang gelombang dan suhu yang sama. f( , T) , yang merupakan kerapatan spektral dari luminositas energi benda hitam :

Persamaan (3) adalah hukum Kirchhoff.

hukum Kirchhoff dapat dirumuskan seperti ini: untuk semua benda sistem yang berada dalam kesetimbangan termodinamika, rasio kerapatan spektral luminositas energi terhadap koefisien Penyerapan monokromatik tidak bergantung pada sifat benda, fungsinya sama untuk semua benda, bergantung pada panjang gelombang dan suhu T

Dari rumus di atas dan (3) jelas bahwa pada suhu tertentu, benda abu-abu yang memiliki koefisien absorpsi besar memancar lebih kuat, dan benda hitam mutlak memancar paling kuat. Karena untuk tubuh yang benar-benar hitam(  , T)=1, maka rumus (3) menyiratkan bahwa fungsi universal f( , T) adalah kerapatan spektral dari luminositas energi benda hitam

RADIASI TERMAL Hukum Stefan Boltzmann Hubungan antara luminositas energi Re dan kerapatan spektral luminositas energi benda yang benar-benar hitam Luminositas energi benda abu-abu Hukum perpindahan Wien (hukum ke-1) Ketergantungan kerapatan spektral maksimum luminositas energi benda hitam tubuh pada suhu (hukum ke-2) rumus Planck

RADIASI TERMAL 1. Kerapatan spektral maksimum luminositas energi Matahari jatuh pada panjang gelombang = 0,48 mikron. Dengan asumsi bahwa Matahari memancar sebagai benda hitam, tentukan: 1) suhu permukaannya; 2) daya yang dipancarkan oleh permukaannya. Menurut hukum perpindahan Wien Daya terpancar dari permukaan Matahari Menurut hukum Stefan Boltzmann,

RADIASI TERMAL 2. Tentukan jumlah kalor yang hilang sebesar 50 cm2 dari permukaan lelehan platina dalam 1 menit, jika kapasitas penyerapan platina AT = 0,8. Titik leleh platina adalah 1770 °C. Jumlah panas yang hilang oleh platina sama dengan energi yang dipancarkan oleh permukaan panasnya Menurut hukum Stefan Boltzmann,

RADIASI TERMAL 3. Sebuah oven listrik mengkonsumsi daya P = 500 W. Suhu permukaan bagian dalam dengan lubang kecil terbuka dengan diameter d = 5,0 cm adalah 700 °C. Bagian mana dari daya yang dikonsumsi yang dihamburkan oleh dinding? Daya total ditentukan oleh jumlah Daya yang dihamburkan melalui lubang Daya yang dihamburkan oleh dinding Menurut hukum Stefan Boltzmann,

RADIASI TERMAL 4 Sebuah filamen tungsten dipanaskan dalam ruang hampa dengan arus I = 1 A sampai suhu T 1 = 1000 K. Pada kekuatan arus berapa filamen akan memanas sampai suhu T 2 = 3000 K? Koefisien penyerapan tungsten dan resistivitasnya yang sesuai dengan suhu T 1, T 2 adalah: a 1 = 0,115 dan a 2 = 0,334; 1 = 25, Ohm m, 2 = 96, Ohm m Daya radiasi sama dengan daya yang dikonsumsi dari rangkaian listrik dalam keadaan tunak Daya listrik yang dilepaskan dalam penghantar Menurut hukum Stefan Boltzmann,

RADIASI TERMAL 5. Dalam spektrum Matahari, kerapatan spektral maksimum luminositas energi jatuh pada panjang gelombang 0 = 0,47 m. Dengan asumsi bahwa Matahari memancar sebagai benda yang benar-benar hitam, temukan intensitas radiasi matahari (yaitu, kerapatan fluks radiasi) di dekat Bumi di luar atmosfernya. Intensitas cahaya (intensitas radiasi) Fluks cahaya Menurut hukum Stefan Boltzmann dan Wien

RADIASI TERMAL 6. Panjang gelombang 0, yang merupakan energi maksimum dalam spektrum radiasi benda hitam, sama dengan 0,58 mikron. Tentukan kerapatan spektral maksimum luminositas energi (r,T) maks, dihitung untuk interval panjang gelombang = 1 nm, mendekati 0. Kerapatan spektral maksimum luminositas energi sebanding dengan pangkat lima suhu dan dinyatakan oleh hukum Wien ke-2 diberikan dalam satuan SI, di mana interval panjang gelombang tunggal = 1 m Sesuai dengan kondisi masalah, diperlukan untuk menghitung kerapatan spektral luminositas energi yang dihitung untuk interval panjang gelombang 1 nm, jadi kami menulis nilainya C dalam satuan SI dan hitung ulang untuk interval panjang gelombang yang diberikan:

RADIASI TERMAL 7. Sebuah studi tentang spektrum radiasi matahari menunjukkan bahwa kerapatan spektral maksimum luminositas energi sesuai dengan panjang gelombang = 500 nm. Mengambil Matahari untuk benda hitam, tentukan: 1) luminositas energi R e Matahari; 2) fluks energi e yang dipancarkan Matahari; 3) massa gelombang elektromagnetik (dari semua panjang) yang dipancarkan oleh Matahari dalam 1 s. 1. Menurut hukum Stefan Boltzmann dan Wien 2. Fluks bercahaya 3. Massa gelombang elektromagnetik (dari semua panjang) yang dipancarkan oleh Matahari selama waktu t = 1 s, kita tentukan dengan menerapkan hukum proporsionalitas massa dan energi E = ms 2. Energi gelombang elektromagnetik yang dipancarkan dalam waktu t, sama dengan produk aliran energi e ((daya radiasi) dan waktu: E \u003d e t. Oleh karena itu, e \u003d ms 2 , dari mana m \u003d e / s 2.

Luminositas energi tubuh- - besaran fisika yang merupakan fungsi suhu dan secara numerik sama dengan energi yang dipancarkan oleh tubuh per satuan waktu per satuan luas permukaan ke segala arah dan di seluruh spektrum frekuensi. J/s m²=W/m²

Kerapatan spektral luminositas energi- fungsi frekuensi dan suhu yang mencirikan distribusi energi radiasi di seluruh spektrum frekuensi (atau panjang gelombang). , Fungsi serupa juga dapat ditulis dalam panjang gelombang

Dapat dibuktikan bahwa kerapatan spektral luminositas energi, yang dinyatakan dalam frekuensi dan panjang gelombang, dihubungkan oleh hubungan:

Badan hitam pekat- idealisasi fisik yang digunakan dalam termodinamika, benda yang menyerap semua radiasi elektromagnetik yang jatuh padanya dalam semua rentang dan tidak memantulkan apa pun. Terlepas dari namanya, benda hitam itu sendiri dapat memancarkan radiasi elektromagnetik dari frekuensi apa pun dan secara visual memiliki warna. Spektrum radiasi benda hitam hanya ditentukan oleh suhunya.

Pentingnya benda hitam dalam pertanyaan tentang spektrum radiasi termal dari setiap benda (abu-abu dan berwarna) secara umum, selain menjadi kasus non-sepele yang paling sederhana, juga dalam kenyataan bahwa pertanyaan tentang spektrum kesetimbangan radiasi termal benda dengan warna apa pun dan koefisien refleksi dikurangi dengan metode termodinamika klasik menjadi pertanyaan tentang radiasi dari benda yang benar-benar hitam (dan secara historis ini sudah dilakukan pada akhir abad ke-19, ketika masalah radiasi dari tubuh yang benar-benar hitam muncul ke depan).

Benda hitam mutlak tidak ada di alam, oleh karena itu, dalam fisika, model digunakan untuk eksperimen. Ini adalah rongga tertutup dengan lubang kecil. Cahaya yang masuk melalui lubang ini akan sepenuhnya diserap setelah pemantulan berulang, dan lubang akan terlihat benar-benar hitam dari luar. Tetapi ketika rongga ini dipanaskan, ia akan memiliki radiasi yang terlihat sendiri. Karena radiasi yang dipancarkan oleh dinding bagian dalam rongga, sebelum keluar (setelah semua, lubangnya sangat kecil), dalam sebagian besar kasus, ia akan mengalami sejumlah besar penyerapan dan radiasi baru, dapat dikatakan dengan kepastian bahwa radiasi di dalam rongga berada dalam kesetimbangan termodinamika dengan dinding. (Faktanya, lubang untuk model ini sama sekali tidak penting, hanya diperlukan untuk menekankan kemampuan observasi mendasar dari radiasi di dalamnya; lubang dapat, misalnya, ditutup sepenuhnya, dan dibuka dengan cepat hanya ketika keseimbangan telah tercapai. ditetapkan dan pengukuran sedang dilakukan).

2. Hukum radiasi Kirchhoff adalah hukum fisika yang ditetapkan oleh fisikawan Jerman Kirchhoff pada tahun 1859. Dalam formulasi modern, hukum tersebut berbunyi sebagai berikut: Rasio emisivitas benda apa pun terhadap kapasitas penyerapannya adalah sama untuk semua benda pada suhu tertentu untuk frekuensi tertentu dan tidak bergantung pada bentuk, komposisi kimia, dll.

Diketahui bahwa ketika radiasi elektromagnetik jatuh pada benda tertentu, sebagian dipantulkan, sebagian diserap, dan sebagian dapat diteruskan. Fraksi radiasi yang diserap pada frekuensi tertentu disebut kapasitas penyerapan tubuh . Di sisi lain, setiap benda yang dipanaskan memancarkan energi menurut hukum tertentu, yang disebut emisivitas tubuh.

Nilai dan dapat sangat bervariasi ketika berpindah dari satu benda ke benda lain, namun menurut hukum radiasi Kirchhoff, rasio kemampuan memancarkan dan menyerap tidak tergantung pada sifat tubuh dan merupakan fungsi frekuensi universal ( panjang gelombang) dan suhu:

Menurut definisi, benda yang benar-benar hitam menyerap semua radiasi yang jatuh di atasnya, yaitu untuk itu. Oleh karena itu, fungsinya bertepatan dengan emisivitas benda yang benar-benar hitam, yang dijelaskan oleh hukum Stefan-Boltzmann, sebagai akibatnya emisivitas benda apa pun dapat ditemukan hanya berdasarkan kapasitas penyerapannya.

Hukum Stefan-Boltzmann- hukum radiasi benda yang benar-benar hitam. Menentukan ketergantungan daya radiasi benda yang benar-benar hitam pada suhunya. Kata-kata hukumnya: Daya radiasi benda yang benar-benar hitam berbanding lurus dengan luas permukaan dan pangkat empat suhu tubuh: P = Sεσ T 4 , di mana adalah derajat emisivitas (untuk semua zat< 1, для абсолютно черного тела ε = 1).

Menggunakan hukum Planck untuk radiasi, konstanta dapat didefinisikan sebagai di mana adalah konstanta Planck, k adalah konstanta Boltzmann, c adalah kecepatan cahaya.

Nilai numerik J s 1 m 2 K 4 .

Fisikawan Jerman W. Wien (1864-1928), berdasarkan hukum termo- dan elektrodinamika, menetapkan ketergantungan panjang gelombang l max yang sesuai dengan fungsi maksimum r , T , suhu T. Berdasarkan hukum perpindahan Wien,l maks \u003d b / T

yaitu panjang gelombang l max sesuai dengan nilai maksimum kerapatan spektral luminositas energi r l , T benda hitam berbanding terbalik dengan suhu termodinamikanya, b- Konstanta Wien: nilai eksperimennya adalah 2,9 10 -3 m K. Oleh karena itu, ekspresi (199,2) disebut hukum bias Kesalahannya adalah menunjukkan perpindahan posisi maksimum fungsi r l , T ketika suhu meningkat ke daerah panjang gelombang pendek. Hukum Wien menjelaskan mengapa, saat suhu benda yang dipanaskan menurun, radiasi gelombang panjang mendominasi spektrumnya (misalnya, transisi panas putih menjadi merah ketika logam mendingin).

Terlepas dari kenyataan bahwa hukum Stefan-Boltzmann dan Wien memainkan peran penting dalam teori radiasi termal, mereka adalah hukum tertentu, karena mereka tidak memberikan gambaran umum tentang distribusi energi pada frekuensi pada suhu yang berbeda.

3. Biarkan dinding rongga ini sepenuhnya memantulkan cahaya yang jatuh padanya. Mari kita tempatkan di rongga beberapa tubuh yang akan memancarkan energi cahaya. Medan elektromagnetik akan muncul di dalam rongga dan pada akhirnya akan diisi dengan radiasi yang berada dalam keadaan kesetimbangan termal dengan tubuh. Kesetimbangan juga akan terjadi dalam kasus ketika, dengan cara apa pun, pertukaran panas benda yang diselidiki dengan lingkungannya sepenuhnya dihilangkan (misalnya, kita akan melakukan eksperimen mental ini dalam ruang hampa, ketika tidak ada fenomena konduksi panas dan konveksi). Hanya karena proses emisi dan penyerapan cahaya, keseimbangan pasti akan datang: tubuh yang memancar akan memiliki suhu yang sama dengan suhu radiasi elektromagnetik yang secara isotropik mengisi ruang di dalam rongga, dan setiap bagian permukaan tubuh yang dipilih akan memancarkan sebagai banyak energi per satuan waktu yang diserapnya. Dalam hal ini, kesetimbangan harus terjadi terlepas dari sifat-sifat benda yang ditempatkan di dalam rongga tertutup, yang, bagaimanapun, mempengaruhi waktu yang diperlukan untuk membangun keseimbangan. Kepadatan energi medan elektromagnetik dalam rongga, seperti yang akan ditunjukkan di bawah ini, dalam keadaan setimbang hanya ditentukan oleh suhu.

Untuk mengkarakterisasi radiasi termal kesetimbangan, tidak hanya kerapatan energi volume yang penting, tetapi juga distribusi energi ini pada spektrum. Oleh karena itu, kita akan mengkarakterisasi radiasi kesetimbangan secara isotropik yang mengisi ruang di dalam rongga menggunakan fungsi kamu ω - kerapatan spektral radiasi, yaitu, energi rata-rata dari satuan volume medan elektromagnetik, didistribusikan dalam rentang frekuensi dari hingga + dan terkait dengan nilai interval ini. Jelas nilainya kamu harus sangat bergantung pada suhu, jadi kami menyatakannya kamu(ω, T). Kepadatan energi total kamu(T) terhubung dengan kamu(ω, T) rumus .

Sebenarnya, konsep suhu hanya berlaku untuk radiasi termal kesetimbangan. Pada kesetimbangan, suhu harus tetap konstan. Namun, seringkali konsep suhu juga digunakan untuk mengkarakterisasi benda pijar yang tidak setimbang dengan radiasi. Selain itu, dengan perubahan parameter sistem yang lambat, dimungkinkan dalam setiap periode waktu tertentu untuk mengkarakterisasi suhunya, yang perlahan akan berubah. Jadi, misalnya, jika tidak ada masuknya panas dan radiasi karena penurunan energi benda bercahaya, maka suhunya juga akan turun.

Mari kita buat hubungan antara emisivitas benda hitam dan kerapatan spektral radiasi kesetimbangan. Untuk melakukan ini, kami menghitung insiden fluks energi pada satu area yang terletak di dalam rongga tertutup yang diisi dengan energi elektromagnetik densitas menengah. kamu . Biarkan radiasi jatuh pada satu satuan luas dalam arah yang ditentukan oleh sudut dan (Gbr. 6a) dalam sudut padat dΩ:

Karena radiasi kesetimbangan adalah isotropik, fraksi yang sama dengan energi total yang mengisi rongga merambat dalam sudut padat tertentu. Aliran energi elektromagnetik yang melewati suatu satuan luas per satuan waktu

Mengganti d ekspresi dan integrasi lebih dari di dalam (0, 2π) dan lebih dari di dalam (0, /2), kita memperoleh insiden fluks energi total pada satu satuan luas:

Jelas bahwa di bawah kondisi keseimbangan perlu untuk menyamakan ekspresi (13) dari emisivitas benda yang benar-benar hitam r, yang mencirikan fluks energi yang dipancarkan oleh situs dalam interval frekuensi satuan dekat :

Dengan demikian, ditunjukkan bahwa emisivitas benda yang benar-benar hitam, hingga faktor c/4, bertepatan dengan kerapatan spektral radiasi kesetimbangan. Kesetaraan (14) harus dipenuhi untuk setiap komponen spektral radiasi, oleh karena itu berikut ini bahwa f(ω, T)= kamu(ω, T) (15)

Sebagai kesimpulan, kami menunjukkan bahwa radiasi benda hitam absolut (misalnya, cahaya yang dipancarkan oleh lubang kecil di rongga) tidak lagi berada dalam keseimbangan. Secara khusus, radiasi ini tidak isotropik, karena tidak merambat ke segala arah. Tetapi distribusi energi di atas spektrum untuk radiasi tersebut akan bertepatan dengan kerapatan spektral dari radiasi kesetimbangan yang secara isotropis mengisi ruang di dalam rongga. Hal ini memungkinkan untuk menggunakan relasi (14), yang valid pada suhu berapa pun. Tidak ada sumber cahaya lain yang memiliki distribusi energi serupa di seluruh spektrum. Jadi, misalnya, pelepasan listrik dalam gas atau pancaran di bawah pengaruh reaksi kimia memiliki spektrum yang berbeda secara signifikan dari pancaran benda yang benar-benar hitam. Distribusi energi pada spektrum benda pijar juga sangat berbeda dari pancaran benda hitam, yang lebih tinggi dengan membandingkan spektrum sumber cahaya umum (lampu pijar dengan filamen tungsten) dan benda hitam.

4. Berdasarkan hukum ekipartisi energi terhadap derajat kebebasan: untuk setiap osilasi elektromagnetik, ada energi rata-rata yang ditambahkan dari dua bagian kT. Satu setengah diperkenalkan oleh komponen listrik gelombang, dan setengah lainnya oleh komponen magnetik. Dengan sendirinya, radiasi kesetimbangan dalam rongga dapat direpresentasikan sebagai sistem gelombang berdiri. Jumlah gelombang berdiri dalam ruang tiga dimensi diberikan oleh:

Dalam kasus kami, kecepatan v harus sama dengan c, selain itu, dua gelombang elektromagnetik dengan frekuensi yang sama, tetapi dengan polarisasi yang saling tegak lurus, dapat bergerak dalam arah yang sama, maka (1) selain harus dikalikan dua:

Jadi, Rayleigh dan Jeans, energi diberikan untuk setiap osilasi. Mengalikan (2) dengan , kita memperoleh kerapatan energi yang jatuh pada interval frekuensi dω:

Mengetahui hubungan emisivitas benda yang benar-benar hitam f(ω, T) dengan kerapatan energi kesetimbangan radiasi termal, untuk f(ω, T) kita menemukan: Ekspresi (3) dan (4), disebut Formula Rayleigh-Jeans.

Rumus (3) dan (4) sesuai dengan data eksperimen hanya untuk panjang gelombang yang panjang; pada panjang gelombang yang lebih pendek, kesepakatan dengan eksperimen menyimpang tajam. Selain itu, integrasi (3) di atas dalam kisaran dari 0 hingga untuk kerapatan energi kesetimbangan kamu(T) memberikan nilai yang sangat besar. Hasil ini, disebut bencana ultraviolet, jelas, bertentangan dengan eksperimen: keseimbangan antara radiasi dan benda yang memancar harus ditetapkan pada nilai yang terbatas kamu(T).

bencana ultraviolet- istilah fisik yang menggambarkan paradoks fisika klasik, yang terdiri dari fakta bahwa kekuatan total radiasi termal dari setiap benda yang dipanaskan harus tak terbatas. Nama paradoks ini disebabkan oleh fakta bahwa kerapatan daya spektral radiasi harus meningkat tanpa batas seiring dengan memendeknya panjang gelombang. Intinya, paradoks ini menunjukkan, jika bukan inkonsistensi internal fisika klasik, maka setidaknya perbedaan yang sangat tajam (absurd) dengan pengamatan dan eksperimen dasar.

5. Hipotesis Planck- hipotesis yang diajukan pada 14 Desember 1900 oleh Max Planck dan terdiri dari fakta bahwa selama radiasi termal, energi dipancarkan dan diserap tidak terus menerus, tetapi dalam kuanta (bagian) yang terpisah. Setiap porsi-kuantum seperti itu memiliki energi , sebanding dengan frekuensi ν radiasi:

di mana h atau - koefisien proporsionalitas, yang kemudian disebut konstanta Planck. Berdasarkan hipotesis ini, ia mengusulkan penurunan teoretis dari hubungan antara suhu suatu benda dan radiasi yang dipancarkan oleh benda ini - rumus Planck.

rumus planck- ekspresi untuk kepadatan daya spektral radiasi dari benda hitam, yang diperoleh oleh Max Planck. Untuk kerapatan energi radiasi kamu(ω, T):

Rumus Planck diperoleh setelah menjadi jelas bahwa rumus Rayleigh-Jeans secara memuaskan menggambarkan radiasi hanya di daerah gelombang panjang. Untuk menurunkan rumus, Planck pada tahun 1900 membuat asumsi bahwa radiasi elektromagnetik dipancarkan dalam bentuk bagian energi yang terpisah (kuanta), yang besarnya terkait dengan frekuensi radiasi dengan ekspresi:

Koefisien proporsionalitas selanjutnya disebut konstanta Planck, = 1,054 10 27 erg s.

Untuk menjelaskan sifat-sifat radiasi termal, perlu diperkenalkan konsep emisi radiasi elektromagnetik dalam porsi (kuanta). Sifat kuantum radiasi juga dikonfirmasi oleh adanya batas panjang gelombang pendek dari spektrum bremsstrahlung.

Radiasi sinar-X terjadi ketika target padat dibombardir dengan elektron cepat.Di sini, anoda terbuat dari W, Mo, Cu, Pt - logam tahan api berat atau logam konduktivitas termal tinggi. Hanya 1-3% energi elektron yang masuk ke radiasi, sisanya dilepaskan di anoda dalam bentuk panas, sehingga anoda didinginkan dengan air. Begitu berada di bahan anoda, elektron mengalami perlambatan yang kuat dan menjadi sumber gelombang elektromagnetik (sinar-X).

Kecepatan awal elektron ketika mengenai anoda ditentukan oleh rumus:

di mana kamu adalah tegangan percepatan.

> Radiasi yang terlihat hanya diamati selama perlambatan tajam elektron cepat, mulai dari kamu~ 50 kV, sedangkan ( dengan adalah kecepatan cahaya). Dalam akselerator elektron induksi - betatron, elektron memperoleh energi hingga 50 MeV, = 0,99995 dengan. Dengan mengarahkan elektron tersebut ke target padat, kami memperoleh radiasi sinar-X dengan panjang gelombang kecil. Radiasi ini memiliki daya tembus yang tinggi. Menurut elektrodinamika klasik, ketika sebuah elektron melambat, radiasi dari semua panjang gelombang dari nol hingga tak terhingga akan muncul. Panjang gelombang di mana daya radiasi maksimum turun harus berkurang dengan meningkatnya kecepatan elektron. Namun, ada perbedaan mendasar dari teori klasik: distribusi daya nol tidak pergi ke titik asal, tetapi putus pada nilai yang terbatas - ini adalah tepi panjang gelombang pendek dari spektrum sinar-X.

Secara eksperimental telah ditetapkan bahwa

Keberadaan batas panjang gelombang pendek mengikuti langsung dari sifat kuantum radiasi. Memang, jika radiasi muncul karena energi yang hilang oleh elektron selama perlambatan, maka energi kuantum tidak dapat melebihi energi elektron. UE, yaitu , dari sini atau .

Dalam percobaan ini, Anda dapat menentukan konstanta Planck h. Dari semua metode untuk menentukan konstanta Planck, metode yang didasarkan pada pengukuran tepi panjang gelombang pendek dari spektrum bremsstrahlung adalah yang paling akurat.

7. Efek foto- ini adalah emisi elektron suatu zat di bawah pengaruh cahaya (dan, secara umum, radiasi elektromagnetik apa pun). Dalam zat terkondensasi (padat dan cair), efek fotolistrik eksternal dan internal dibedakan.

Hukum efek fotolistrik:

Susunan kata hukum 1 efek fotolistrik: jumlah elektron yang dikeluarkan oleh cahaya dari permukaan logam per satuan waktu pada frekuensi tertentu berbanding lurus dengan fluks cahaya yang menyinari logam.

Berdasarkan hukum 2 efek fotolistrik, energi kinetik maksimum elektron yang dikeluarkan oleh cahaya meningkat secara linier dengan frekuensi cahaya dan tidak bergantung pada intensitasnya.

hukum 3 efek fotolistrik: untuk setiap zat ada batas merah efek fotolistrik, yaitu frekuensi minimum cahaya 0 (atau panjang gelombang maksimum 0), di mana efek fotolistrik masih mungkin terjadi, dan jika 0, maka efek fotolistrik tidak lagi terjadi.

Penjelasan teoretis dari hukum-hukum ini diberikan pada tahun 1905 oleh Einstein. Menurutnya, radiasi elektromagnetik adalah aliran kuanta individu (foton) dengan energi masing-masing hν, di mana h adalah konstanta Planck. Dengan efek fotolistrik, sebagian dari radiasi elektromagnetik yang datang dipantulkan dari permukaan logam, dan sebagian menembus lapisan permukaan logam dan diserap di sana. Setelah menyerap foton, elektron menerima energi darinya dan, melakukan fungsi kerja, meninggalkan logam: hν = keluar + Kami, di mana Kami- energi kinetik maksimum yang dapat dimiliki elektron ketika terbang keluar dari logam.

Dari hukum kekekalan energi, ketika cahaya direpresentasikan dalam bentuk partikel (foton), rumus Einstein untuk efek fotolistrik berikut: hν = keluar + ek

di mana keluar- disebut. fungsi kerja (energi minimum yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari suatu zat), Ek adalah energi kinetik dari elektron yang dipancarkan (tergantung pada kecepatan, baik energi kinetik partikel relativistik dapat dihitung atau tidak), adalah frekuensi dari foton insiden dengan energi hν, h adalah konstanta Planck.

fungsi kerja- perbedaan antara energi minimum (biasanya diukur dalam volt elektron), yang harus diberikan ke elektron untuk pemindahan "langsung" dari volume padatan, dan energi Fermi.

Batas "Merah" dari efek fotolistrik- frekuensi minimum atau panjang gelombang maksimum maksimal cahaya, di mana efek fotolistrik eksternal masih mungkin, yaitu, energi kinetik awal fotoelektron lebih besar dari nol. Frekuensi hanya bergantung pada fungsi kerja keluaran. keluar elektron: , dimana keluar adalah fungsi kerja untuk fotokatoda tertentu, h adalah konstanta Planck, dan dengan adalah kecepatan cahaya. fungsi kerja keluar tergantung pada bahan fotokatoda dan keadaan permukaannya. Emisi fotoelektron dimulai segera, segera setelah cahaya jatuh pada fotokatoda dengan frekuensi atau panjang gelombang .