სხეულის ემისიურობა რლ, ტრიცხობრივად უდრის სხეულის ენერგიას dWlსხეულის მიერ გამოსხივებული სხეულის ზედაპირის ერთეულიდან, დროის ერთეულზე სხეულის ტემპერატურაზე T, ტალღის სიგრძის დიაპაზონში l-დან l-მდე +dl,იმათ.

ამ მნიშვნელობას ასევე უწოდებენ სხეულის ენერგიის სიკაშკაშის სპექტრულ სიმკვრივეს.

ენერგიის სიკაშკაშე დაკავშირებულია ემისიურობასთან ფორმულით

შთანთქმის უნარისხეული ალ, ტ- რიცხვი, რომელიც გვიჩვენებს, თუ რა ნაწილს შეიწოვება სხეულის ზედაპირზე გამოსხივების ენერგიის რა ნაწილი შთანთქავს მას ტალღის სიგრძის დიაპაზონში l-დან l-მდე. +dl,იმათ.

სხეული, რომლისთვისაც ალ ,T=1ტალღის სიგრძის მთელ დიაპაზონში მას შავი სხეული (შავი სხეული) ეწოდება.

სხეული, რომლისთვისაც ალ ,T=კონსტ<1 მთელ ტალღის სიგრძის დიაპაზონს ნაცრისფერი ეწოდება.

სად - სპექტრული სიმკვრივე ენერგიის სიკაშკაშე, ან სხეულის ემისიურობა .

გამოცდილება გვიჩვენებს, რომ სხეულის ემისიურობა დამოკიდებულია სხეულის ტემპერატურაზე (თითოეული ტემპერატურისთვის მაქსიმალური გამოსხივება დევს მის სიხშირის დიაპაზონში). განზომილება .

ემისიის ცოდნით, შეგიძლიათ გამოთვალოთ ენერგიის სიკაშკაშე:

დაურეკა სხეულის შთანთქმის უნარი . ეს ასევე ძლიერ დამოკიდებულია ტემპერატურაზე.

განმარტებით, ის არ შეიძლება იყოს ერთზე მეტი. სხეულისთვის, რომელიც მთლიანად შთანთქავს ყველა სიხშირის გამოსხივებას,. ასეთ სხეულს ე.წ აბსოლუტურად შავი (ეს იდეალიზაციაა).

სხეული, რომლისთვისაც და ნაკლებია ერთიანობაზე ყველა სიხშირეზე,დაურეკა ნაცრისფერი სხეული (ესეც იდეალიზაციაა).

არსებობს გარკვეული კავშირი სხეულის გამოსხივებასა და შთანთქმის უნარს შორის. გონებრივად ჩავატაროთ შემდეგი ექსპერიმენტი (ნახ. 1.1).

ბრინჯი. 1.1

დაე, იყოს სამი სხეული დახურულ გარსში. სხეულები ვაკუუმში არიან, ამიტომ ენერგიის გაცვლა შეიძლება მოხდეს მხოლოდ რადიაციის გამო. გამოცდილება გვიჩვენებს, რომ გარკვეული დროის შემდეგ ასეთი სისტემა მივა თერმული წონასწორობის მდგომარეობაში (ყველა სხეულს და გარსს ექნება იგივე ტემპერატურა).

ამ მდგომარეობაში, უფრო დიდი რადიაციის უნარის მქონე სხეული კარგავს მეტ ენერგიას დროის ერთეულზე, მაგრამ, შესაბამისად, ამ სხეულს ასევე უნდა ჰქონდეს უფრო დიდი შთანთქმის უნარი:

გუსტავ კირხჰოფმა 1856 წელს ჩამოაყალიბა კანონი და შესთავაზა შავი სხეულის მოდელი .

ემისიურობის და შთანთქმის თანაფარდობა არ არის დამოკიდებული სხეულის ბუნებაზე, ის ერთნაირია ყველა სხეულისთვის.(უნივერსალური)სიხშირისა და ტემპერატურის ფუნქცია.

სად - უნივერსალური Kirchhoff ფუნქცია.

ამ ფუნქციას აქვს უნივერსალური, ანუ აბსოლუტური ხასიათი.

ცალ-ცალკე აღებული რაოდენობები და საკუთარი თავი შეიძლება ძალიან მკვეთრად შეიცვალოს ერთი სხეულიდან მეორეზე გადასვლისას, მაგრამ მათი თანაფარდობა მუდმივადყველა სხეულისთვის (მიცემულ სიხშირეზე და ტემპერატურაზე).

მაშასადამე, აბსოლუტურად შავი სხეულისთვის, ე.ი. კირჩჰოფის უნივერსალური ფუნქცია სხვა არაფერია, თუ არა სრულიად შავი სხეულის ბზინვარება.

აბსოლუტურად შავი სხეულები ბუნებაში არ არსებობს. ჭვარტლს ან პლატინის შავს აქვს შთამნთქმელი ძალა, მაგრამ მხოლოდ შეზღუდული სიხშირის დიაპაზონში. თუმცა, პატარა ხვრელის მქონე ღრუ თავისი თვისებებით ძალიან ახლოს არის სრულიად შავ სხეულთან. შიგნით მოხვედრილი სხივი, მრავალჯერადი არეკვლის შემდეგ, აუცილებლად შეიწოვება და ნებისმიერი სიხშირის სხივი (ნახ. 1.2).

ბრინჯი. 1.2

ასეთი ხელსაწყოს (ღრუელის) ემისიურობა ძალიან ახლოსაა ვ(ν, , ტ). ამრიგად, თუ ღრუს კედლები შენარჩუნებულია ტემპერატურაზე თ, მაშინ ხვრელიდან გამომავალი გამოსხივება სპექტრული შემადგენლობით ძალიან ახლოს არის იმავე ტემპერატურაზე სრულიად შავი სხეულის გამოსხივებასთან.

ამ გამოსხივების სპექტრში გაფართოებით, ჩვენ შეგვიძლია ვიპოვოთ ფუნქციის ექსპერიმენტული ფორმა ვ(ν, , ტ) (ნახ. 1.3), სხვადასხვა ტემპერატურაზე თ 3 > თ 2 > თ 1 .

ბრინჯი. 1.3

მრუდით დაფარული ფართობი იძლევა შავი სხეულის ენერგეტიკულ სიკაშკაშეს შესაბამის ტემპერატურაზე.

ეს მრუდები ყველა სხეულისთვის ერთნაირია.

მრუდები მოლეკულების სიჩქარის განაწილების ფუნქციის მსგავსია. მაგრამ იქ მოსახვევებით დაფარული უბნები მუდმივია, აქ კი ტემპერატურის მატებასთან ერთად ფართობი საგრძნობლად იზრდება. ეს იმაზე მეტყველებს, რომ ენერგიის თავსებადობა დიდად არის დამოკიდებული ტემპერატურაზე. მაქსიმალური გამოსხივება (ემისიურობა) ტემპერატურის მატებასთან ერთად იცვლისუფრო მაღალი სიხშირისკენ.

თერმული გამოსხივების კანონები

ნებისმიერი გახურებული სხეული ასხივებს ელექტრომაგნიტურ ტალღებს. რაც უფრო მაღალია სხეულის ტემპერატურა, მით უფრო მოკლეა მისი ტალღები. თერმოდინამიკურ წონასწორობაში მყოფ სხეულს თავისი გამოსხივებით ეწოდება აბსოლუტურად შავი (AChT). შავი სხეულის გამოსხივება დამოკიდებულია მხოლოდ მის ტემპერატურაზე. 1900 წელს მაქს პლანკმა გამოიტანა ფორმულა, რომლითაც მოცემულ ტემპერატურაზე სრულიად შავ სხეულს შეუძლია გამოთვალოს მისი გამოსხივების ინტენსივობა.

ავსტრიელმა ფიზიკოსებმა სტეფანმა და ბოლცმანმა დაადგინეს კანონი, რომელიც გამოხატავს რაოდენობრივ კავშირს შავი სხეულის მთლიან ემისიურობასა და ტემპერატურას შორის:

ამ კანონს ე.წ შტეფან-ბოლცმანის კანონი . მუდმივი σ \u003d 5,67 ∙ 10 -8 W / (m 2 ∙ K 4) ეწოდა სტეფან-ბოლცმანის მუდმივი .

პლანკის ყველა მოსახვევს აქვს მკვეთრად გამოხატული მაქსიმუმი, რომელიც მიეკუთვნება ტალღის სიგრძეს

ამ კანონს ე.წ ვიენის კანონი . ასე რომ, მზისთვის T 0 = 5800 K და მაქსიმალური მოდის ტალღის სიგრძეზე λ max ≈ 500 ნმ, რაც შეესაბამება მწვანე ფერს ოპტიკურ დიაპაზონში.

ტემპერატურის მატებასთან ერთად, შავი სხეულის გამოსხივების მაქსიმუმი გადადის სპექტრის მოკლე ტალღის ნაწილზე. უფრო ცხელი ვარსკვლავი თავისი ენერგიის უმეტეს ნაწილს ულტრაიისფერ დიაპაზონში ასხივებს, ნაკლებად ცხელი კი ინფრაწითელში.

ფოტოელექტრული ეფექტი. ფოტონები

ფოტოელექტრული ეფექტიაღმოაჩინა 1887 წელს გერმანელმა ფიზიკოსმა გ.ჰერცმა და ექსპერიმენტულად შეისწავლა ა.გ.სტოლეტოვმა 1888–1890 წლებში. ფოტოელექტრული ეფექტის ფენომენის ყველაზე სრულყოფილი შესწავლა ჩაატარა ფ. ლენარდმა 1900 წელს. ამ დროისთვის ელექტრონი უკვე აღმოჩენილი იყო (1897, ჯ. ტომსონი) და ცხადი გახდა, რომ ფოტოელექტრული ეფექტი (ან, უფრო ზუსტად, გარე ფოტოელექტრული ეფექტი) არის ელექტრონების გამოყვანა მატერიიდან მასზე დაცემული სინათლის გავლენის ქვეშ.

ფოტოელექტრული ეფექტის შესასწავლად ექსპერიმენტული დაყენების განლაგება ნაჩვენებია ნახ. 5.2.1.

ექსპერიმენტებში გამოიყენეს მინის ვაკუუმის ჭურჭელი ორი ლითონის ელექტროდით, რომლის ზედაპირი კარგად გაიწმინდა. ელექტროდებზე ძაბვა იქნა გამოყენებული უ, რომლის პოლარობა შეიძლება შეიცვალოს ორმაგი გასაღების გამოყენებით. ერთ-ერთი ელექტროდი (კათოდი K) განათებული იყო კვარცის ფანჯრიდან გარკვეული ტალღის სიგრძის მონოქრომატული შუქით. მუდმივი მანათობელი ნაკადის დროს მიღებული იყო ფოტოდინების სიძლიერის დამოკიდებულება მეგამოყენებული ძაბვისგან. ნახ. 5.2.2 ნაჩვენებია ასეთი დამოკიდებულების ტიპიური მრუდები, მიღებული კათოდზე სინათლის ნაკადის ინტენსივობის ორი მნიშვნელობისთვის.

მრუდები გვიჩვენებს, რომ A ანოდზე საკმარისად მაღალი დადებითი ძაბვის დროს ფოტოდინება აღწევს გაჯერებას, ვინაიდან კათოდიდან სინათლის მიერ გამოდევნილი ყველა ელექტრონი აღწევს ანოდამდე. ფრთხილად გაზომვებმა აჩვენა, რომ გაჯერების დენი მე n პირდაპირპროპორციულია დაცემის სინათლის ინტენსივობისა. როდესაც ანოდზე ძაბვა უარყოფითია, ელექტრული ველი კათოდსა და ანოდს შორის ანელებს ელექტრონებს. ანოდს შეუძლია მიაღწიოს მხოლოდ იმ ელექტრონებს, რომელთა კინეტიკური ენერგია აღემატება | ევროპა|. თუ ანოდის ძაბვა ნაკლებია - უსთ, ფოტოდინება ჩერდება. საზომი უთ, შესაძლებელია ფოტოელექტრონების მაქსიმალური კინეტიკური ენერგიის დადგენა:

მრავალმა ექსპერიმენტატორმა დაადგინა ფოტოელექტრული ეფექტის შემდეგი ძირითადი კანონები:

1. ფოტოელექტრონების მაქსიმალური კინეტიკური ენერგია წრფივად იზრდება ν სინათლის სიხშირის მატებასთან ერთად და არ არის დამოკიდებული მის ინტენსივობაზე.
2. ყველა ნივთიერებისთვის არსებობს ე.წ წითელი საზღვრის ფოტო ეფექტი , ანუ ყველაზე დაბალი სიხშირე ν წთ, რომლის დროსაც ჯერ კიდევ შესაძლებელია გარე ფოტოელექტრული ეფექტი.
3. კათოდიდან 1 წმ-ში სინათლის მიერ გამოყვანილი ფოტოელექტრონების რაოდენობა სინათლის ინტენსივობის პირდაპირპროპორციულია.
4. ფოტოელექტრული ეფექტი პრაქტიკულად ინერციულია, ფოტოდინება ჩნდება მყისიერად კათოდური განათების დაწყების შემდეგ, იმ პირობით, რომ სინათლის სიხშირე ν > ν min .

ფოტოელექტრული ეფექტის ყველა ეს კანონი ძირეულად ეწინააღმდეგებოდა კლასიკური ფიზიკის იდეებს სინათლის მატერიასთან ურთიერთქმედების შესახებ. ტალღის კონცეფციების თანახმად, ელექტრომაგნიტურ სინათლის ტალღასთან ურთიერთობისას ელექტრონს თანდათან უნდა დაეგროვებინა ენერგია და სინათლის ინტენსივობიდან გამომდინარე დასჭირდება მნიშვნელოვანი დრო, რათა ელექტრონმა დააგროვოს საკმარისი ენერგია კათოდიდან გასაფრენად. . გამოთვლები აჩვენებს, რომ ეს დრო უნდა ყოფილიყო გათვლილი წუთებში ან საათებში. თუმცა, გამოცდილება გვიჩვენებს, რომ ფოტოელექტრონები ჩნდება კათოდის განათების დაწყებისთანავე. ამ მოდელში ასევე შეუძლებელი იყო ფოტოელექტრული ეფექტის წითელი საზღვრის არსებობის გაგება. სინათლის ტალღური თეორია ვერ ხსნიდა ფოტოელექტრონების ენერგიის დამოუკიდებლობას სინათლის ნაკადის ინტენსივობიდან და მაქსიმალური კინეტიკური ენერგიის პროპორციულობა სინათლის სიხშირეზე.

ამრიგად, სინათლის ელექტრომაგნიტური თეორია ვერ ახსნიდა ამ კანონზომიერებებს.

გამოსავალი იპოვა ა. აინშტაინმა 1905 წელს. ფოტოელექტრული ეფექტის დაკვირვებული კანონების თეორიული ახსნა მისცა აინშტაინმა მ. პლანკის ჰიპოთეზის საფუძველზე, რომ სინათლე გამოიყოფა და შეიწოვება გარკვეულ ნაწილებში და თითოეულის ენერგია. ასეთი ნაწილი განისაზღვრება ფორმულით ე = თ v, სადაც თარის პლანკის მუდმივი. აინშტაინმა შემდეგი ნაბიჯი გადადგა კვანტური კონცეფციების შემუშავებაში. ის მივიდა დასკვნამდე, რომ სინათლეს აქვს უწყვეტი (დისკრეტული) სტრუქტურა. ელექტრომაგნიტური ტალღა შედგება ცალკეული ნაწილებისგან - კვანტებისგან, შემდგომში დასახელებული ფოტონები. მატერიასთან ურთიერთობისას ფოტონი მთელ თავის ენერგიას გადასცემს თერთი ელექტრონისთვის. ამ ენერგიის ნაწილი შეიძლება გაიფანტოს ელექტრონის მიერ მატერიის ატომებთან შეჯახებისას. გარდა ამისა, ელექტრონის ენერგიის ნაწილი იხარჯება მეტალ-ვაკუუმის ინტერფეისზე პოტენციური ბარიერის გადალახვაზე. ამისათვის ელექტრონმა უნდა შეასრულოს სამუშაო ფუნქცია აკათოდური მასალის თვისებებიდან გამომდინარე. მაქსიმალური კინეტიკური ენერგია, რომელიც შეიძლება ჰქონდეს კათოდიდან გამოსხივებულ ფოტოელექტრონს, განისაზღვრება ენერგიის შენარჩუნების კანონით:

ამ ფორმულას ე.წ აინშტაინის განტოლება ფოტოელექტრული ეფექტისთვის .

აინშტაინის განტოლების გამოყენებით, შეგიძლიათ ახსნათ გარე ფოტოელექტრული ეფექტის ყველა კანონზომიერება. აინშტაინის განტოლებიდან გამომდინარეობს მაქსიმალური კინეტიკური ენერგიის წრფივი დამოკიდებულება სიხშირეზე და დამოუკიდებლობა სინათლის ინტენსივობაზე, წითელი საზღვრის არსებობა და ფოტოელექტრული ეფექტის ინერცია. ფოტოელექტრონების ჯამური რაოდენობა, რომლებიც ტოვებენ კათოდის ზედაპირს 1 წამში, პროპორციული უნდა იყოს იმავე დროს ზედაპირზე დაცემული ფოტონების რაოდენობის. აქედან გამომდინარეობს, რომ გაჯერების დენი პირდაპირპროპორციული უნდა იყოს სინათლის ნაკადის ინტენსივობისა.

როგორც აინშტაინის განტოლებიდან ჩანს, სწორი ხაზის დახრილობა, რომელიც გამოხატავს ბლოკირების პოტენციალის დამოკიდებულებას უ h ν სიხშირიდან (ნახ. 5.2.3), უდრის პლანკის მუდმივობის შეფარდებას თელექტრონის მუხტამდე ე:

სადაც გარის სინათლის სიჩქარე, λcr არის ტალღის სიგრძე, რომელიც შეესაბამება ფოტოელექტრული ეფექტის წითელ საზღვარს. მეტალების უმეტესობისთვის, სამუშაო ფუნქცია აარის რამდენიმე ელექტრონ ვოლტი (1 eV = 1.602 10 -19 J). კვანტურ ფიზიკაში ელექტრონვოლტი ხშირად გამოიყენება როგორც ენერგიის ერთეული. პლანკის მუდმივის მნიშვნელობა, რომელიც გამოიხატება ელექტრონ ვოლტებში წამში, არის

ლითონებს შორის ტუტე ელემენტებს აქვთ ყველაზე დაბალი სამუშაო ფუნქცია. მაგალითად, ნატრიუმი ა= 1,9 ევ, რომელიც შეესაბამება ფოტოელექტრული ეფექტის წითელ საზღვარს λcr ≈ 680 ნმ. ამიტომ, ტუტე ლითონის ნაერთები გამოიყენება კათოდების შესაქმნელად ფოტოცელტები შექმნილია ხილული სინათლის გამოსავლენად.

ასე რომ, ფოტოელექტრული ეფექტის კანონები მიუთითებს იმაზე, რომ სინათლე, როდესაც გამოსხივდება და შეიწოვება, იქცევა როგორც ნაწილაკების ნაკადი ე.წ. ფოტონები ან მსუბუქი კვანტები .

ფოტონის ენერგია არის

აქედან გამომდინარეობს, რომ ფოტონს აქვს იმპულსი

ამრიგად, სინათლის დოქტრინა, რომელმაც დაასრულა რევოლუცია, რომელიც გაგრძელდა ორი საუკუნის განმავლობაში, კვლავ დაუბრუნდა სინათლის ნაწილაკების - კორპუსკულების იდეებს.

მაგრამ ეს არ იყო ნიუტონის კორპუსკულარული თეორიის მექანიკური დაბრუნება. მე-20 საუკუნის დასაწყისში გაირკვა, რომ სინათლეს აქვს ორმაგი ბუნება. სინათლის გავრცელებისას ჩნდება მისი ტალღური თვისებები (ინტერფერენცია, დიფრაქცია, პოლარიზაცია), ხოლო მატერიასთან ურთიერთობისას კორპუსკულური თვისებები (ფოტოელექტრული ეფექტი). სინათლის ამ ორმაგ ბუნებას ე.წ ტალღა-ნაწილაკების ორმაგობა . მოგვიანებით, ორმაგი ბუნება აღმოაჩინეს ელექტრონებსა და სხვა ელემენტარულ ნაწილაკებში. კლასიკურ ფიზიკას არ შეუძლია მიკრო-ობიექტების ტალღური და კორპუსკულური თვისებების კომბინაციის ვიზუალური მოდელი. მიკრო ობიექტების მოძრაობა კონტროლდება არა კლასიკური ნიუტონის მექანიკის, არამედ კვანტური მექანიკის კანონებით. მ. პლანკის მიერ შემუშავებული შავი სხეულის გამოსხივების თეორია და აინშტაინის ფოტოელექტრული ეფექტის კვანტური თეორია ეფუძნება ამ თანამედროვე მეცნიერებას.

1. თერმული გამოსხივების მახასიათებლები.

2. კირჩჰოფის კანონი.

3. შავი სხეულის გამოსხივების კანონები.

4. მზის გამოსხივება.

5. თერმოგრაფიის ფიზიკური საფუძვლები.

6. სინათლის თერაპია. ულტრაიისფერი გამოსხივების თერაპიული გამოყენება.

7. ძირითადი ცნებები და ფორმულები.

8. ამოცანები.

ელექტრომაგნიტური გამოსხივების მთელი მრავალფეროვნებიდან, ადამიანის თვალით ხილული თუ უხილავი, შეიძლება განვასხვავოთ ის, რაც თანდაყოლილია ყველა სხეულში - ეს არის თერმული გამოსხივება.

თერმული გამოსხივება- ნივთიერების მიერ გამოსხივებული ელექტრომაგნიტური გამოსხივება და წარმოიქმნება მისი შინაგანი ენერგიის გამო.

თერმული გამოსხივება გამოწვეულია მატერიის ნაწილაკების აგზნებით თერმული მოძრაობის პროცესში შეჯახებისას ან მუხტების აჩქარებული მოძრაობით (კრისტალური მედის იონების რხევები, თავისუფალი ელექტრონების თერმული მოძრაობა და სხვ.). ის ჩნდება ნებისმიერ ტემპერატურაზე და თანდაყოლილია ყველა სხეულში. თერმული გამოსხივების დამახასიათებელი თვისებაა უწყვეტი სპექტრი.

გამოსხივების ინტენსივობა და სპექტრული შემადგენლობა დამოკიდებულია სხეულის ტემპერატურაზე, ამიტომ თერმული გამოსხივება ყოველთვის არ აღიქმება თვალის მიერ, როგორც ბზინვარება. მაგალითად, მაღალ ტემპერატურაზე გაცხელებული სხეულები ასხივებენ ენერგიის მნიშვნელოვან ნაწილს ხილულ დიაპაზონში, ოთახის ტემპერატურაზე კი თითქმის მთელი ენერგია გამოიყოფა სპექტრის ინფრაწითელ ნაწილში.

26.1. თერმული გამოსხივების მახასიათებლები

ენერგია, რომელსაც სხეული კარგავს თერმული გამოსხივების გამო, ხასიათდება შემდეგი მნიშვნელობებით.

რადიაციული ნაკადი(F) - ენერგია, რომელიც გამოსხივებულია დროის ერთეულზე სხეულის მთელი ზედაპირიდან.

სინამდვილეში, ეს არის თერმული გამოსხივების ძალა. რადიაციული ნაკადის განზომილებაა [J/s \u003d W].

ენერგიის სიკაშკაშე(Re) არის თერმული გამოსხივების ენერგია, რომელიც გამოიყოფა დროში ერთეულში გახურებული სხეულის ზედაპირიდან:

ამ მახასიათებლის განზომილებაა [W / m 2].

როგორც რადიაციული ნაკადი, ასევე ენერგიის სიკაშკაშე დამოკიდებულია ნივთიერების სტრუქტურასა და მის ტემპერატურაზე: Ф = Ф(Т), Re = Re(T).

ენერგიის სიკაშკაშის განაწილება თერმული გამოსხივების სპექტრზე ახასიათებს მის სპექტრული სიმკვრივე.მოდით აღვნიშნოთ თერმული გამოსხივების ენერგია, რომელიც გამოსხივებულია ერთი ზედაპირიდან 1 წამში ტალღის სიგრძის ვიწრო დიაპაზონში. λ ადრე λ +დ λ, dRe-ს მეშვეობით.

ენერგიის სიკაშკაშის სპექტრული სიმკვრივე(რ) ან ემისიურობაარის ენერგიის სიკაშკაშის თანაფარდობა სპექტრის ვიწრო ნაწილში (dRe) ამ ნაწილის სიგანესთან (dλ):

სპექტრული სიმკვრივისა და ენერგიის სიკაშკაშის (dRe) სავარაუდო ხედვა ტალღის სიგრძის დიაპაზონში λ ადრე λ +დ λ, ნაჩვენებია ნახ. 26.1.

ბრინჯი. 26.1.ენერგიის სიკაშკაშის სპექტრული სიმკვრივე

ენერგიის სიკაშკაშის სპექტრული სიმკვრივის დამოკიდებულება ტალღის სიგრძეზე ეწოდება სხეულის რადიაციული სპექტრი.ამ დამოკიდებულების ცოდნა საშუალებას გაძლევთ გამოთვალოთ სხეულის ენერგიის სიკაშკაშე ნებისმიერი ტალღის სიგრძის დიაპაზონში:

სხეულები არა მხოლოდ ასხივებენ, არამედ შთანთქავენ თერმულ გამოსხივებას. სხეულის უნარი შთანთქას რადიაციის ენერგია დამოკიდებულია მის ნივთიერებაზე, ტემპერატურაზე და გამოსხივების ტალღის სიგრძეზე. სხეულის შთანთქმის უნარი ხასიათდება მონოქრომატული შთანთქმის კოეფიციენტიα.

სხეულის ზედაპირზე ნაკადი დაეცეს მონოქრომატულიგამოსხივება Φ λ ტალღის სიგრძით λ. ამ ნაკადის ნაწილი აისახება და ნაწილი შეიწოვება ორგანიზმის მიერ. ავღნიშნოთ შთანთქმული ნაკადის Φ λ abs.

მონოქრომატული შთანთქმის კოეფიციენტი α λ არის მოცემული სხეულის მიერ შთანთქმული რადიაციული ნაკადის თანაფარდობა დამთხვევის მონოქრომატული ნაკადის სიდიდესთან:

მონოქრომატული შთანთქმის კოეფიციენტი არის განზომილებიანი რაოდენობა. მისი მნიშვნელობები დევს ნულსა და ერთს შორის: 0 ≤ α ≤ 1.

ფუნქცია α = α(λ,Τ), რომელიც გამოხატავს მონოქრომატული შთანთქმის კოეფიციენტის დამოკიდებულებას ტალღის სიგრძეზე და ტემპერატურაზე, ე.წ. შთანთქმის უნარისხეული. მისი გარეგნობა შეიძლება საკმაოდ რთული იყოს. შთანთქმის უმარტივესი ტიპები განიხილება ქვემოთ.

მთლიანად შავი სხეული- ისეთი სხეული, რომლის შთანთქმის კოეფიციენტი ტოლია ყველა ტალღის სიგრძის ერთიანობას: α = 1. შთანთქავს მასზე მოხვედრილ მთელ გამოსხივებას.

მათი შთანთქმის თვისებების მიხედვით, ჭვარტლი, შავი ხავერდი, პლატინის შავი ახლოსაა აბსოლუტურად შავ სხეულთან. შავი სხეულის ძალიან კარგი მოდელია დახურული ღრუ პატარა ხვრელით (O). ღრუს კედლები გაშავებულია ნახ. 26.2.

ამ ხვრელში შემავალი სხივი თითქმის მთლიანად შეიწოვება კედლებიდან მრავალი არეკვლის შემდეგ. მსგავსი მოწყობილობები

ბრინჯი. 26.2.შავი სხეულის მოდელი

გამოიყენება როგორც სინათლის სტანდარტები, გამოიყენება მაღალი ტემპერატურის გაზომვისას და ა.შ.

სრულიად შავი სხეულის ენერგეტიკული სიკაშკაშის სპექტრული სიმკვრივე აღინიშნება ε(λ, Τ). ეს ფუნქცია მნიშვნელოვან როლს ასრულებს თერმული გამოსხივების თეორიაში. მისი ფორმა ჯერ ექსპერიმენტულად ჩამოყალიბდა, შემდეგ კი თეორიულად იქნა მიღებული (პლანკის ფორმულა).

აბსოლუტურად თეთრი სხეული- ისეთი სხეული, რომლის შთანთქმის კოეფიციენტი ნულის ტოლია ყველა ტალღის სიგრძისთვის: α = 0.

ბუნებაში არ არსებობს ჭეშმარიტად თეთრი სხეულები, თუმცა არის სხეულები, რომლებიც ახლოს არიან მათთან შედარებით ტემპერატურისა და ტალღის სიგრძის საკმაოდ ფართო დიაპაზონში. მაგალითად, სარკე სპექტრის ოპტიკურ ნაწილში ასახავს თითქმის მთელ შუქს.

ნაცრისფერი სხეულიარის სხეული, რომლის შთანთქმის კოეფიციენტი არ არის დამოკიდებული ტალღის სიგრძეზე: α = const< 1.

ზოგიერთ რეალურ სხეულს აქვს ეს თვისება ტალღის სიგრძისა და ტემპერატურის გარკვეულ დიაპაზონში. მაგალითად, "ნაცრისფერი" (α = 0.9) შეიძლება ჩაითვალოს ადამიანის კანი ინფრაწითელ რეგიონში.

26.2. კირჩჰოფის კანონი

რაოდენობრივი კავშირი გამოსხივებასა და შთანთქმას შორის დაადგინა გ.კირჩჰოფმა (1859).

კირჩჰოფის კანონი- დამოკიდებულება ემისიურობასხეული მისი შთანთქმის უნარიიგივეა ყველა სხეულისთვის და ტოლია მთლიანად შავი სხეულის ენერგიის სინათლის სპექტრული სიმკვრივისა:

ჩვენ აღვნიშნავთ ამ კანონის ზოგიერთ შედეგს.

1. თუ სხეული მოცემულ ტემპერატურაზე არ შთანთქავს რაიმე გამოსხივებას, მაშინ ის არ ასხივებს მას. მართლაც, თუ ამისთვის

26.3. შავი სხეულის გამოსხივების კანონები

შავი სხეულის გამოსხივების კანონები ჩამოყალიბდა შემდეგი თანმიმდევრობით.

1879 წელს ჯ.შტეფანმა ექსპერიმენტულად, ხოლო 1884 წელს ლ.ბოლცმანმა თეორიულად განსაზღვრა ენერგიის სიკაშკაშეაბსოლუტურად შავი სხეული.

შტეფან-ბოლცმანის კანონი -შავი სხეულის ენერგიის სიკაშკაშე პროპორციულია მისი აბსოლუტური ტემპერატურის მეოთხე ხარისხთან:

ზოგიერთი მასალის შთანთქმის კოეფიციენტების მნიშვნელობები მოცემულია ცხრილში. 26.1.

ცხრილი 26.1.შთანთქმის კოეფიციენტები

გერმანელმა ფიზიკოსმა W. Wien-მა (1893) დაადგინა ტალღის სიგრძის ფორმულა, რომელიც ითვალისწინებს მაქსიმუმს. ემისიურობააბსოლუტურად შავი სხეული. თანაფარდობა, რომელიც მან მიიღო, მისი სახელი დაარქვეს.

ტემპერატურის მატებასთან ერთად, მაქსიმალური ემისია იცვლისმარცხნივ (სურ. 26.3).

ბრინჯი. 26.3.ვიენის გადაადგილების კანონის ილუსტრაცია

მაგიდაზე. 26.2 გვიჩვენებს ფერებს სპექტრის ხილულ ნაწილში, რომლებიც შეესაბამება სხეულების გამოსხივებას სხვადასხვა ტემპერატურაზე.

ცხრილი 26.2. გახურებული სხეულების ფერები

შტეფან-ბოლცმანისა და ვიენის კანონების გამოყენებით შესაძლებელია სხეულების ტემპერატურის დადგენა ამ სხეულების გამოსხივების გაზომვით. მაგალითად, ასე განისაზღვრება მზის ზედაპირის ტემპერატურა (~6000 K), ტემპერატურა აფეთქების ეპიცენტრში (~10 6 K) და ა.შ. ამ მეთოდების საერთო სახელია პირომეტრია.

1900 წელს მ.პლანკმა მიიღო გამოთვლის ფორმულა ემისიურობათეორიულად აბსოლუტურად შავი სხეული. ამისათვის მას უნდა დაეტოვებინა კლასიკური იდეები უწყვეტობაელექტრომაგნიტური ტალღების გამოსხივების პროცესი. პლანკის აზრით, რადიაციული ნაკადი შედგება ცალკეული ნაწილებისგან - კვანტა,რომლის ენერგიები სინათლის სიხშირეების პროპორციულია:

ფორმულიდან (26.11) თეორიულად შეიძლება მივიღოთ სტეფან-ბოლცმანისა და ვიენის კანონები.

26.4. მზის გამოსხივება

მზის სისტემაში მზე არის თერმული გამოსხივების ყველაზე ძლიერი წყარო, რომელიც განსაზღვრავს სიცოცხლეს დედამიწაზე. მზის გამოსხივებას აქვს სამკურნალო თვისებები (ჰელიოთერაპია), გამოიყენება როგორც გამკვრივების საშუალება. მას ასევე შეუძლია უარყოფითი გავლენა მოახდინოს სხეულზე (დამწვრობა, თერმული

მზის გამოსხივების სპექტრები დედამიწის ატმოსფეროს საზღვარზე და დედამიწის ზედაპირზე განსხვავებულია (სურ. 26.4).

ბრინჯი. 26.4.მზის გამოსხივების სპექტრი: 1 - ატმოსფეროს საზღვარზე, 2 - დედამიწის ზედაპირზე

ატმოსფეროს საზღვარზე მზის სპექტრი ახლოსაა შავი სხეულის სპექტრთან. მაქსიმალური ემისიურობა არის λ1 max= 470 ნმ (ლურჯი).

დედამიწის ზედაპირთან ახლოს მზის რადიაციის სპექტრს უფრო რთული ფორმა აქვს, რაც ატმოსფეროში შეწოვას უკავშირდება. კერძოდ, ის არ შეიცავს ულტრაიისფერი გამოსხივების მაღალი სიხშირის ნაწილს, რომელიც საზიანოა ცოცხალი ორგანიზმებისთვის. ეს სხივები თითქმის მთლიანად შეიწოვება ოზონის შრის მიერ. მაქსიმალური ემისიურობა არის λ2 max= 555 ნმ (მწვანე-ყვითელი), რაც შეესაბამება თვალის საუკეთესო მგრძნობელობას.

მზის თერმული გამოსხივების ნაკადი დედამიწის ატმოსფეროს საზღვარზე განსაზღვრავს მზის მუდმივიᲛᲔ.

დედამიწის ზედაპირზე მიმავალი ნაკადი გაცილებით ნაკლებია ატმოსფეროში შეწოვის გამო. ყველაზე ხელსაყრელ პირობებში (მზე თავის ზენიტში), ის არ აღემატება 1120 ვტ/მ 2-ს. მოსკოვში ზაფხულის მზედგომის დროს (ივნისი) - 930 ვტ/მ 2.

მზის რადიაციის ძალა დედამიწის ზედაპირთან და მისი სპექტრული შემადგენლობა ყველაზე მეტად დამოკიდებულია მზის სიმაღლეზე ჰორიზონტზე. ნახ. 26.5 მოცემულია მზის ენერგიის განაწილების გათლილი მრუდები: I - ატმოსფეროს გარეთ; II - მზის პოზიციაზე ზენიტში; III - ჰორიზონტზე 30 ° სიმაღლეზე; IV - მზის ამოსვლასთან და ჩასვლთან ახლოს (ჰორიზონტზე 10° ზემოთ) პირობებში.

ბრინჯი. 26.5.ენერგიის განაწილება მზის სპექტრში ჰორიზონტის ზემოთ სხვადასხვა სიმაღლეებზე

მზის სპექტრის სხვადასხვა კომპონენტი დედამიწის ატმოსფეროში სხვადასხვა გზით გადის. სურათი 26.6 გვიჩვენებს ატმოსფეროს გამჭვირვალობას მზის მაღალ სიმაღლეებზე.

26.5. თერმოგრაფიის ფიზიკური საფუძველი

ადამიანის თერმული გამოსხივება მისი თერმული დანაკარგების მნიშვნელოვან ნაწილს შეადგენს. ადამიანის რადიაციული დანაკარგი სხვაობის ტოლია ემიტირებულინაკადი და შეიწოვებაგარემოს რადიაციული ნაკადი. რადიაციის დაკარგვის სიმძლავრე გამოითვლება ფორმულით

სადაც S არის ზედაპირის ფართობი; δ - შემცირებული შთანთქმის კოეფიციენტი კანის (ტანსაცმელი), განიხილება როგორც ნაცრისფერი სხეული; T 1 - სხეულის ზედაპირის ტემპერატურა (ტანსაცმელი); T 0 - გარემოს ტემპერატურა.

განვიხილოთ შემდეგი მაგალითი.

მოდით გამოვთვალოთ შიშველი ადამიანის რადიაციული დანაკარგების სიმძლავრე 18°C ​​(291 K) გარემოს ტემპერატურაზე. ავიღოთ: სხეულის ზედაპირის ფართობი S = 1,5 მ 2; კანის ტემპერატურა T 1 = 306 K (33°C). კანის შემცირებული შთანთქმის კოეფიციენტი მოცემულია ცხრილში. 26.1 (δ \u003d 5.1 * 10 -8 W / m 2 K 4). ამ მნიშვნელობების ჩანაცვლებით ფორმულაში (26.11), ვიღებთ

P \u003d 1.5 * 5.1 * 10 -8 * (306 4 - 291 4) ≈122 ვ.

ბრინჯი. 26.6.დედამიწის ატმოსფეროს გამჭვირვალობა (პროცენტებში) სპექტრის სხვადასხვა ნაწილისთვის მზის მაღალ სიმაღლეზე.

ადამიანის თერმული გამოსხივება შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც დიაგნოსტიკური პარამეტრი.

თერმოგრაფია -დიაგნოსტიკური მეთოდი, რომელიც დაფუძნებულია ადამიანის სხეულის ზედაპირიდან ან მისი ცალკეული მონაკვეთებიდან თერმული გამოსხივების გაზომვასა და რეგისტრაციაზე.

ტემპერატურის განაწილება სხეულის ზედაპირის მცირე ფართობზე შეიძლება განისაზღვროს სპეციალური თხევადკრისტალური ფილმების გამოყენებით. ასეთი ფილმები მგრძნობიარეა მცირე ტემპერატურის ცვლილებების მიმართ (ფერის შეცვლა). მაშასადამე, ფილმზე ჩნდება სხეულის იმ არეალის ფერადი თერმული „პორტრეტი“, რომელზეც ის ზედ დგას.

უფრო მოწინავე გზაა თერმული გამოსახულების გამოყენება, რომლებიც ინფრაწითელ გამოსხივებას ხილულ სინათლედ გარდაქმნიან. სხეულის გამოსხივება პროეცირებულია თერმული გამოსახულების მატრიცაზე სპეციალური ლინზის გამოყენებით. კონვერტაციის შემდეგ ეკრანზე ყალიბდება დეტალური თერმული პორტრეტი. სხვადასხვა ტემპერატურით მდებარე ადგილები განსხვავდება ფერით ან ინტენსივობით. თანამედროვე მეთოდები იძლევა ტემპერატურის სხვაობის დაფიქსირებას 0,2 გრადუსამდე.

თერმული პორტრეტები გამოიყენება ფუნქციურ დიაგნოსტიკაში. შინაგანი ორგანოების სხვადასხვა პათოლოგიები შეიძლება ჩამოყალიბდეს ზედაპირზე კანის ზონებში შეცვლილი ტემპერატურის პირობებში. ასეთი ზონების გამოვლენა მიუთითებს პათოლოგიის არსებობაზე. თერმოგრაფიული მეთოდი ხელს უწყობს კეთილთვისებიანი და ავთვისებიანი სიმსივნეების დიფერენციალურ დიაგნოზს. ეს მეთოდი არის მკურნალობის თერაპიული მეთოდების ეფექტურობის მონიტორინგის ობიექტური საშუალება. ასე რომ, ფსორიაზის მქონე პაციენტების თერმოგრაფიული გამოკვლევის დროს დადგინდა, რომ ფილებში მძიმე ინფილტრაციისა და ჰიპერემიის არსებობისას აღინიშნება ტემპერატურის მატება. ტემპერატურის დაქვეითება მიმდებარე ტერიტორიების დონეზე უმეტეს შემთხვევაში მიუთითებს რეგრესიაპროცესი კანზე.

ცხელება ხშირად ინფექციის მაჩვენებელია. ადამიანის ტემპერატურის დასადგენად, საკმარისია ინფრაწითელი მოწყობილობის საშუალებით შევხედოთ მის სახესა და კისერს. ჯანმრთელი ადამიანებისთვის შუბლის ტემპერატურის შეფარდება კაროტიდის ტემპერატურასთან მერყეობს 0,98-დან 1,03-მდე. ეს თანაფარდობა შეიძლება გამოყენებულ იქნას ექსპრეს დიაგნოსტიკაში ეპიდემიების დროს საკარანტინო ღონისძიებებისთვის.

26.6. ფოტოთერაპია. ულტრაიისფერი გამოსხივების თერაპიული გამოყენება

მედიცინაში ფართოდ გამოიყენება ინფრაწითელი გამოსხივება, ხილული სინათლე და ულტრაიისფერი გამოსხივება. გაიხსენეთ მათი ტალღის სიგრძის დიაპაზონები:

ფოტოთერაპიათერაპიული მიზნებისთვის ინფრაწითელი და ხილული გამოსხივების გამოყენებას უწოდებენ.

ქსოვილებში შეღწევა, ინფრაწითელი სხივები (ისევე როგორც ხილული) მათი შთანთქმის ადგილას იწვევს სითბოს გამოყოფას. ინფრაწითელი და ხილული სხივების კანში შეღწევის სიღრმე ნაჩვენებია ნახ. 26.7.

ბრინჯი. 26.7.კანში რადიაციის შეღწევის სიღრმე

სამედიცინო პრაქტიკაში ინფრაწითელი გამოსხივების წყაროდ გამოიყენება სპეციალური დასხივება (სურ. 26.8).

მინინის ნათურაარის ინკანდესენტური ნათურა რეფლექტორით, რომელიც ლოკალიზებს გამოსხივებას საჭირო მიმართულებით. რადიაციის წყაროა უფერო ან ლურჯი მინისგან დამზადებული 20-60 ვტ ინკანდესენტური ნათურა.

მსუბუქი-თერმული აბაზანაარის ნახევრად ცილინდრული ჩარჩო, რომელიც შედგება ერთმანეთთან მოძრავად დაკავშირებული ორი ნახევრისგან. ჩარჩოს შიდა ზედაპირზე, პაციენტისკენ, ფიქსირდება 40 ვტ სიმძლავრის ინკანდესენტური ნათურები. ასეთ აბანოებში ბიოლოგიურ ობიექტზე გავლენას ახდენს ინფრაწითელი და ხილული გამოსხივება, ასევე გაცხელებული ჰაერი, რომლის ტემპერატურამ შეიძლება მიაღწიოს 70°C-ს.

ნათურა Solluxარის მძლავრი ინკანდესენტური ნათურა, რომელიც მოთავსებულია სამფეხზე სპეციალურ რეფლექტორში. გამოსხივების წყაროა ინკანდესენტური ნათურა, რომლის სიმძლავრეა 500 ვტ (ვოლფრამის ძაფის ტემპერატურა 2800°C, გამოსხივების მაქსიმალური ვარდნა ტალღის სიგრძეზე 2 მკმ).

ბრინჯი. 26.8. რადიატორები: Minin ნათურა (a), მსუბუქი-თერმული აბაზანა (b), Sollux ნათურა (c)

ულტრაიისფერი გამოსხივების თერაპიული გამოყენება

სამედიცინო მიზნებისთვის გამოყენებული ულტრაიისფერი გამოსხივება იყოფა სამ დიაპაზონად:

როდესაც ულტრაიისფერი გამოსხივება შეიწოვება ქსოვილებში (კანში), ხდება სხვადასხვა ფოტოქიმიური და ფოტობიოლოგიური რეაქციები.

გამოიყენება როგორც რადიაციის წყარო. მაღალი წნევის ნათურები(რკალი, ვერცხლისწყალი, მილისებრი), ფლუორესცენტურინათურები, გაზის გამონადენი დაბალი წნევის ნათურებირომელთა ერთ-ერთი სახეობაა ბაქტერიციდული ნათურები.

რადიაციააქვს ერითემული და მთრიმლავი ეფექტი. იგი გამოიყენება მრავალი დერმატოლოგიური დაავადების სამკურნალოდ. ფუროკუმარინის სერიის ზოგიერთ ქიმიურ ნაერთს (მაგალითად, ფსორალენს) შეუძლია ამ პაციენტების კანის მგრძნობელობა გრძელი ტალღის ულტრაიისფერი გამოსხივების მიმართ და მელანოციტებში მელანინის პიგმენტის წარმოქმნის სტიმულირება. ამ პრეპარატების ერთობლივი გამოყენება A- გამოსხივებასთან არის მკურნალობის მეთოდის საფუძველი ე.წ ფოტოქიმიოთერაპიაან PUVA თერაპია(PUVA: P - psoralen; UVA - ულტრაიისფერი გამოსხივების ზონა A). სხეულის ნაწილი ან მთელი სხეული ექვემდებარება რადიაციას.

B გამოსხივებააქვს ვიტამინის ფორმირების, ანტირაქიტული ეფექტი.

C გამოსხივებააქვს ბაქტერიციდული ეფექტი. დასხივება ანადგურებს მიკროორგანიზმების და სოკოების სტრუქტურას. C- გამოსხივება იქმნება სპეციალური ბაქტერიციდული ნათურებით (სურ. 26.9).

ზოგიერთი სამედიცინო ტექნიკა იყენებს C- გამოსხივებას სისხლის დასხივების მიზნით.

ულტრაიისფერი შიმშილი.ულტრაიისფერი გამოსხივება აუცილებელია ორგანიზმის ნორმალური განვითარებისა და ფუნქციონირებისთვის. მისი დეფიციტი იწვევს უამრავ სერიოზულ დაავადებას. ექსტრემალური რეგიონის მაცხოვრებლები ულტრაიისფერი შიმშილის წინაშე დგანან

ბრინჯი. 26.9.ბაქტერიციდული დასხივება (ა), ნაზოფარინგეალური დასხივება (ბ)

ჩრდილოეთი, სამთო მრეწველობის მუშები, მეტრო, დიდი ქალაქების მაცხოვრებლები. ქალაქებში ულტრაიისფერი გამოსხივების ნაკლებობა დაკავშირებულია ჰაერის დაბინძურებასთან მტვრით, კვამლითა და გაზებით, რომლებიც ბლოკავს მზის სპექტრის UV ნაწილს. შენობის ფანჯრები არ გადასცემენ UV სხივებს λ ტალღის სიგრძით< 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).

ულტრაიისფერი გამოსხივების საფრთხე

ჭარბი ექსპოზიციაულტრაიისფერი გამოსხივების დოზები მთლიანად ორგანიზმზე და მის ცალკეულ ორგანოებზე იწვევს რიგ პათოლოგიებს. უპირველეს ყოვლისა, ეს ეხება უკონტროლო მზის აბაზანების შედეგებს: დამწვრობა, ასაკობრივი ლაქები, თვალის დაზიანება - ფოტოფთალმიის განვითარება. ულტრაიისფერი გამოსხივების გავლენა თვალზე ერითემის მსგავსია, რადგან ის ასოცირდება რქოვანას უჯრედებში და თვალის ლორწოვან გარსებში ცილების დაშლასთან. ადამიანის კანის ცოცხალი უჯრედები დაცულია ულტრაიისფერი სხივების დამღუპველი მოქმედებისგან.

მი" კანის შრის რქოვანას უჯრედები. თვალები მოკლებულია ამ დაცვას, ამიტომ, თვალის დასხივების მნიშვნელოვანი დოზით, ლატენტური პერიოდის შემდეგ ვითარდება თვალის რქოვანი (კერატიტი) და ლორწოვანი გარსების ანთება (კონიუნქტივიტი). ეს ეფექტი გამოწვეულია 310 ნმ-ზე ნაკლები ტალღის სიგრძის სხივებით. აუცილებელია თვალის დაცვა ასეთი სხივებისგან. განსაკუთრებული ყურადღება უნდა მიექცეს ულტრაიისფერი გამოსხივების ბლასტომოგენურ ეფექტს, რაც იწვევს კანის კიბოს განვითარებას.

26.7. ძირითადი ცნებები და ფორმულები

მაგიდის გაგრძელება

მაგიდის დასასრული

26.8. Დავალებები

2. დაადგინეთ რამდენჯერ განსხვავდება ადამიანის სხეულის ზედაპირის უბნების ენერგეტიკული სიკაშკაშე, შესაბამისად 34 და 33 ° C ტემპერატურით?

3. სარძევე ჯირკვლის სიმსივნის თერმოგრაფიით დიაგნოსტიკისას პაციენტს სვამენ გლუკოზის ხსნარს. გარკვეული დროის შემდეგ ფიქსირდება სხეულის ზედაპირის თერმული გამოსხივება. სიმსივნური ქსოვილის უჯრედები ინტენსიურად შთანთქავენ გლუკოზას, რის შედეგადაც იზრდება მათი სითბოს გამომუშავება. რამდენ გრადუსით იცვლება სიმსივნის ზემოთ კანის არეალის ტემპერატურა, თუ ზედაპირიდან გამოსხივება იზრდება 1%-ით (1,01-ჯერ)? სხეულის არეალის საწყისი ტემპერატურაა 37°C.

6. რამდენად გაიზარდა ადამიანის სხეულის ტემპერატურა, თუ სხეულის ზედაპირიდან გამოსხივების ნაკადი გაიზარდა 4%-ით? სხეულის საწყისი ტემპერატურაა 35°C.

7. ოთახში არის ორი იდენტური ქვაბი, რომელიც შეიცავს წყლის თანაბარ მასას 90°C ტემპერატურაზე. ერთი მოოქროვილია, მეორე კი შავი. რომელი ქვაბი გაცივდება ყველაზე სწრაფად? რატომ?

გამოსავალი

კირჩჰოფის კანონის მიხედვით, გამოსხივების და შთანთქმის უნარის თანაფარდობა ყველა სხეულისთვის ერთნაირია. ნიკელ-მოოქროვილი ჩაიდანი ირეკლავს თითქმის მთელ სინათლეს. ამიტომ მისი შთანთქმის უნარი მცირეა. შესაბამისად, ემისიურობაც მცირეა.

პასუხი:მუქი ქვაბი უფრო სწრაფად გაცივდება.

8. მავნებლების მავნებლების განადგურების მიზნით, მარცვალი ექვემდებარება ინფრაწითელ გამოსხივებას. რატომ კვდებიან ბაგები, მარცვლები კი არა?

პასუხი:შეცდომები აქვს შავიფერი, ამიტომ ინტენსიურად შთანთქავს ინფრაწითელ გამოსხივებას და იღუპება.

9. ფოლადის ნაჭერის გაცხელებისას ჩვენ დავაკვირდებით ნათელ ალუბლისფერ-წითელ სითბოს 800 ° C ტემპერატურაზე, მაგრამ შერწყმული კვარცის გამჭვირვალე ღერო საერთოდ არ ანათებს იმავე ტემპერატურაზე. რატომ?

გამოსავალი

იხილეთ ამოცანა 7. გამჭვირვალე სხეული შთანთქავს სინათლის მცირე ნაწილს. ამიტომ მისი ემისიურობა მცირეა.

პასუხი:გამჭვირვალე სხეული პრაქტიკულად არ ასხივებს, მაშინაც კი, როდესაც ის ძლიერ გაცხელებულია.

10. რატომ სძინავს ბევრ ცხოველს ცივ ამინდში დახვეული?

პასუხი:ამ შემთხვევაში მცირდება სხეულის ღია ზედაპირი და შესაბამისად მცირდება რადიაციის დანაკარგები.

სხეულების თერმული გამოსხივება ეწოდება ელექტრომაგნიტურ გამოსხივებას, რომელიც წარმოიქმნება სხეულის შინაგანი ენერგიის იმ ნაწილის გამო, რომელიც დაკავშირებულია მისი ნაწილაკების თერმულ მოძრაობასთან.

ტემპერატურამდე გაცხელებული სხეულების თერმული გამოსხივების ძირითადი მახასიათებლები თარიან:

1. ენერგია სიკაშკაშერ (თ ) -დროის ერთეულზე გამოსხივებული ენერგიის რაოდენობა სხეულის ერთეულ ზედაპირზე, ტალღის სიგრძის მთელ დიაპაზონში.ეს დამოკიდებულია რადიაციული სხეულის ზედაპირის ტემპერატურაზე, ბუნებასა და მდგომარეობაზე. SI სისტემაში რ ( თ ) აქვს ზომა [ვ/მ 2].

2. ენერგიის სიკაშკაშის სპექტრული სიმკვრივერ (  , T) =dW/ დ - ენერგიის რაოდენობა, რომელსაც ასხივებს სხეულის ზედაპირის ერთეული დროის ერთეულზე ერთეული ტალღის სიგრძის ინტერვალში (განხილული ტალღის სიგრძის მახლობლად ). იმათ. ეს რაოდენობა რიცხობრივად უდრის ენერგიის თანაფარდობას dWემიტირებული ერთეულ ფართობზე დროის ერთეულზე ტალღის სიგრძის ვიწრო დიაპაზონში  ადრე  +დ , ამ ინტერვალის სიგანეზე. ეს დამოკიდებულია სხეულის ტემპერატურაზე, ტალღის სიგრძეზე და ასევე რადიაციული სხეულის ზედაპირის ბუნებასა და მდგომარეობაზე. SI სისტემაში რ( , თ) აქვს ზომა [ვ/მ 3].

ენერგიის სიკაშკაშე რ(თ) დაკავშირებული ენერგიის სიკაშკაშის სპექტრულ სიმკვრივესთან რ( , თ) შემდეგი გზით:

(1) [ვ/მ2]

3. ყველა სხეული არა მხოლოდ ასხივებს, არამედ შთანთქავს მათ ზედაპირზე მოხვედრილ ელექტრომაგნიტურ ტალღებს. გარკვეული ტალღის სიგრძის ელექტრომაგნიტურ ტალღებთან მიმართებაში სხეულების შთანთქმის უნარის დასადგენად, შემოღებულია კონცეფცია მონოქრომატული შთანთქმის კოეფიციენტი-სხეულის ზედაპირის მიერ შთანთქმული მონოქრომატული ტალღის ენერგიის თანაფარდობა მონოქრომატული ტალღის ენერგიასთან:

მონოქრომატული შთანთქმის კოეფიციენტი არის განზომილებიანი სიდიდე, რომელიც დამოკიდებულია ტემპერატურასა და ტალღის სიგრძეზე. ის გვიჩვენებს, თუ რა ნაწილს შეიწოვება მონოქრომატული ტალღის ენერგიის რა ნაწილი შეიწოვება სხეულის ზედაპირზე. ღირებულება  ( , თ) შეუძლია მიიღოს მნიშვნელობები 0-დან 1-მდე.

რადიაციას ადიაბატურად დახურულ სისტემაში (გარემოსთან სითბოს არ ცვლის) წონასწორობა ეწოდება.. თუ ღრუს კედელში მცირე ხვრელი შეიქმნა, წონასწორობის მდგომარეობა ოდნავ შეიცვლება და ღრუდან გამომავალი გამოსხივება შეესაბამება წონასწორობის გამოსხივებას.

თუ სხივი მიმართულია ასეთ ხვრელში, მაშინ ღრუს კედლებზე განმეორებითი არეკვლისა და შთანთქმის შემდეგ ის უკან ვეღარ გაბრუნდება. ეს ნიშნავს, რომ ასეთი ხვრელისთვის არის შთანთქმის კოეფიციენტი ( , თ) = 1.

განხილული დახურული ღრუ პატარა ხვრელით ემსახურება ერთ-ერთ მოდელს აბსოლუტურად შავი სხეული.

მთლიანად შავი სხეულისხეული ეწოდება სხეულს, რომელიც შთანთქავს მასზე მოხვედრილ მთელ გამოსხივებას, განურჩევლად ინციდენტის გამოსხივების მიმართულებისა, მისი სპექტრული შემადგენლობისა და პოლარიზაციისა (არაფრის ასახვის ან გადაცემის გარეშე).

შავი სხეულისთვის ენერგიის სიკაშკაშის სპექტრული სიმკვრივე არის ტალღის სიგრძისა და ტემპერატურის უნივერსალური ფუნქცია. ვ( , თ) და არ არის დამოკიდებული მის ბუნებაზე.

ბუნებაში არსებული ყველა სხეული ნაწილობრივ ასახავს რადიაციის ინციდენტს თავის ზედაპირზე და ამიტომ არ მიეკუთვნება აბსოლუტურად შავ სხეულებს. თუ სხეულის მონოქრომატული შთანთქმის კოეფიციენტი იგივეა ყველა ტალღის სიგრძე და ნაკლებიერთეულები(( , თ) = Т = კონსტ<1),მაშინ ასეთ სხეულს უწოდებენ ნაცრისფერი. ნაცრისფერი სხეულის მონოქრომატული შთანთქმის კოეფიციენტი დამოკიდებულია მხოლოდ სხეულის ტემპერატურაზე, მის ბუნებასა და ზედაპირის მდგომარეობაზე.

კირხჰოფმა აჩვენა, რომ ყველა სხეულისთვის, მიუხედავად მათი ბუნებისა, ენერგიის სიკაშკაშის სპექტრული სიმკვრივის თანაფარდობა მონოქრომატულ შთანთქმის კოეფიციენტთან არის ტალღის სიგრძისა და ტემპერატურის იგივე უნივერსალური ფუნქცია. ვ( , თ) , რომელიც არის შავი სხეულის ენერგიის სიკაშკაშის სპექტრული სიმკვრივე :

განტოლება (3) კირხჰოფის კანონია.

კირჩჰოფის კანონიშეიძლება ჩამოყალიბდეს ასე: სისტემის ყველა სხეულისთვის, რომელიც იმყოფება თერმოდინამიკურ წონასწორობაში, ენერგიის სიკაშკაშის სპექტრული სიმკვრივის თანაფარდობა კოეფიციენტთან მონოქრომატული შეწოვა არ არის დამოკიდებული სხეულის ბუნებაზე, არის იგივე ფუნქცია ყველა სხეულისთვის, ტალღის სიგრძის მიხედვით და ტემპერატურა T.

ზემოაღნიშნულიდან და ფორმულიდან (3) ცხადია, რომ მოცემულ ტემპერატურაზე ის ნაცრისფერი სხეულები, რომლებსაც აქვთ დიდი შთანთქმის კოეფიციენტი, უფრო ძლიერად ასხივებენ, ხოლო აბსოლუტურად შავი სხეულები ყველაზე ძლიერად. რადგან სრულიად შავი სხეულისთვის(  , თ)=1, მაშინ ფორმულა (3) გულისხმობს, რომ უნივერსალური ფუნქცია ვ( , თ) არის შავი სხეულის ენერგიის სიკაშკაშის სპექტრული სიმკვრივე

თერმული გამოსხივება შტეფან ბოლცმანის კანონი ენერგიის სიკაშკაშეს შორის კავშირი Re-სა და სრულიად შავი სხეულის ენერგიის სიკაშკაშეს სპექტრულ სიმკვრივეს შორის ნაცრისფერი სხეულის ენერგიის სიკაშკაშე ვიენის გადაადგილების კანონი (1 კანონი) შავი ფერის ენერგიის სიკაშკაშის მაქსიმალური სპექტრული სიმკვრივის დამოკიდებულება სხეული ტემპერატურაზე (მე-2 კანონი) პლანკის ფორმულა

თერმული გამოსხივება 1. მზის ენერგიის სიკაშკაშის მაქსიმალური სპექტრული სიმკვრივე მოდის ტალღის სიგრძეზე = 0,48 მიკრონი. ვივარაუდოთ, რომ მზე ასხივებს როგორც შავი სხეული, დაადგინეთ: 1) მისი ზედაპირის ტემპერატურა; 2) მისი ზედაპირით გამოსხივებული სიმძლავრე. ვიენის გადაადგილების კანონის მიხედვით, მზის ზედაპირიდან გამოსხივებული სიმძლავრე შტეფან ბოლცმანის კანონის მიხედვით,

თერმული გამოსხივება 2. განსაზღვრეთ 50 სმ 2-ით დაკარგული სითბოს რაოდენობა გამდნარი პლატინის ზედაპირიდან 1 წუთში, თუ პლატინის შთანთქმის უნარი AT = 0,8. პლატინის დნობის წერტილი არის 1770 °C. პლატინის მიერ დაკარგული სითბოს რაოდენობა უდრის მისი ცხელი ზედაპირის მიერ გამოსხივებულ ენერგიას სტეფან ბოლცმანის კანონის მიხედვით.

თერმული გამოსხივება 3. ელექტრო ღუმელი მოიხმარს სიმძლავრეს P = 500 ვტ. მისი შიდა ზედაპირის ტემპერატურა ღია პატარა ხვრელით d = 5.0 სმ დიამეტრით არის 700 °C. მოხმარებული ენერგიის რა ნაწილს იშლება კედლები? მთლიანი სიმძლავრე განისაზღვრება ხვრელში გაფანტული სიმძლავრის ჯამით, კედლების მიერ გაფანტული სიმძლავრე შტეფან ბოლცმანის კანონის მიხედვით,

თერმული გამოსხივება 4 ვოლფრამის ძაფი თბება ვაკუუმში I = 1 A ტემპერატურით T 1 = 1000 K ტემპერატურამდე. რა დენის სიძლიერით გაცხელდება ძაფი T 2 = 3000 K ტემპერატურამდე? ვოლფრამის შთანთქმის კოეფიციენტები და მისი წინაღობა T 1, T 2 ტემპერატურების შესაბამისია: a 1 = 0,115 და a 2 = 0,334; 1 = 25, ohm m, 2 = 96, ohm m გამოსხივებული სიმძლავრე უდრის ელექტრული წრედიდან მოხმარებულ სიმძლავრეს მდგრად მდგომარეობაში დირიჟორში გამოთავისუფლებული ელექტრული სიმძლავრე სტეფან ბოლცმანის კანონის მიხედვით

თერმული გამოსხივება 5. მზის სპექტრში ენერგიის სიკაშკაშის მაქსიმალური სპექტრული სიმკვრივე მოდის ტალღის სიგრძეზე 0 = 0,47 მკმ. ვივარაუდოთ, რომ მზე ასხივებს როგორც აბსოლუტურად შავი სხეული, იპოვნეთ მზის გამოსხივების ინტენსივობა (ანუ რადიაციის ნაკადის სიმკვრივე) დედამიწის მახლობლად მისი ატმოსფეროს გარეთ. მანათობელი ინტენსივობა (რადიაციული ინტენსივობა) მანათობელი ნაკადი სტეფან ბოლცმანისა და ვიენის კანონების მიხედვით

თერმული გამოსხივება 6. ტალღის სიგრძე 0, რომელიც შეადგენს მაქსიმალურ ენერგიას შავი სხეულის რადიაციის სპექტრში, უდრის 0,58 მიკრონს. განსაზღვრეთ ენერგიის სიკაშკაშის მაქსიმალური სპექტრული სიმკვრივე (r, T) max, გამოითვლება ტალღის სიგრძის ინტერვალისთვის = 1 ნმ, 0-ის მახლობლად. ენერგიის სიკაშკაშის მაქსიმალური სპექტრული სიმკვრივე პროპორციულია ტემპერატურის მეხუთე ხარისხთან და გამოიხატება ვიენის მე-2 კანონით. მოცემულია SI ერთეულებში, რომლებშიც ერთი ტალღის სიგრძის ინტერვალი = 1 მ. ამოცანის პირობის მიხედვით, საჭიროა გამოვთვალოთ ენერგიის სიკაშკაშის სპექტრული სიმკვრივე, რომელიც გამოითვლება ტალღის სიგრძის ინტერვალზე 1 ნმ, ამიტომ ჩვენ ვწერთ მნიშვნელობას. C-ს SI ერთეულებში და გამოთვალეთ იგი მოცემული ტალღის სიგრძის ინტერვალისთვის:

თერმული გამოსხივება 7. მზის გამოსხივების სპექტრის შესწავლა აჩვენებს, რომ ენერგიის სიკაშკაშის მაქსიმალური სპექტრული სიმკვრივე შეესაბამება ტალღის სიგრძეს =500 ნმ. მზის შავ სხეულზე აყვანა, დაადგინეთ: 1) მზის ენერგიის სიკაშკაშე R e; 2) მზის მიერ გამოსხივებული ენერგიის ნაკადი Ф e; 3) მზის მიერ 1 წმ-ში გამოსხივებული ელექტრომაგნიტური ტალღების (ყველა სიგრძის) მასა. 1. შტეფან ბოლცმანისა და ვინის კანონების მიხედვით 2. მანათობელი ნაკადი 3. მზის მიერ გამოსხივებული ელექტრომაგნიტური ტალღების (ყველა სიგრძის) მასა t = 1 წმ დროს, ჩვენ განვსაზღვრავთ მასის პროპორციულობის კანონის გამოყენებით და ენერგია E = ms 2. t დროში გამოსხივებული ელექტრომაგნიტური ტალღების ენერგია ტოლია ენერგიის ნაკადის Ф e ((რადიაციული სიმძლავრე) და დროის: E \u003d Ф e t. შესაბამისად, Ф e \u003d ms 2 , საიდანაც m \u003d Ф e / s 2.

სხეულის ენერგეტიკული სიკაშკაშე- ფიზიკური სიდიდე, რომელიც არის ტემპერატურის ფუნქცია და რიცხობრივად უდრის სხეულის მიერ გამოსხივებულ ენერგიას დროის ერთეულზე ზედაპირის ერთეულზე ყველა მიმართულებით და მთელი სიხშირის სპექტრში. J/s m²=W/m²

ენერგიის სიკაშკაშის სპექტრული სიმკვრივე- სიხშირისა და ტემპერატურის ფუნქცია, რომელიც ახასიათებს რადიაციული ენერგიის განაწილებას სიხშირეების მთელ სპექტრზე (ან ტალღის სიგრძეზე). , მსგავსი ფუნქცია ასევე შეიძლება დაიწეროს ტალღის სიგრძის მიხედვით

შეიძლება დადასტურდეს, რომ ენერგიის სიკაშკაშის სპექტრული სიმკვრივე, გამოხატული სიხშირითა და ტალღის სიგრძით, დაკავშირებულია მიმართებით:

მთლიანად შავი სხეული- ფიზიკური იდეალიზაცია, რომელიც გამოიყენება თერმოდინამიკაში, სხეული, რომელიც შთანთქავს მასზე დაცემული ელექტრომაგნიტური გამოსხივების ყველა დიაპაზონში და არაფერს ასახავს. სახელის მიუხედავად, თავად შავ სხეულს შეუძლია ნებისმიერი სიხშირის ელექტრომაგნიტური გამოსხივება და ვიზუალურად ჰქონდეს ფერი. შავი სხეულის რადიაციის სპექტრი განისაზღვრება მხოლოდ მისი ტემპერატურით.

შავი სხეულის მნიშვნელობა ზოგადად ნებისმიერი (ნაცრისფერი და ფერადი) სხეულების თერმული გამოსხივების სპექტრის საკითხში, გარდა იმისა, რომ უმარტივესი არატრივიალური შემთხვევაა, ასევე იმაშია, რომ წონასწორობის სპექტრის საკითხი. ნებისმიერი ფერის სხეულების თერმული გამოსხივება და ასახვის კოეფიციენტი კლასიკური თერმოდინამიკის მეთოდებით მცირდება აბსოლუტურად შავი სხეულიდან გამოსხივების საკითხამდე (და ისტორიულად ეს უკვე გაკეთდა მე-19 საუკუნის ბოლოს, როდესაც გამოსხივების პრობლემა აბსოლუტურად შავი სხეული გამოვიდა წინა პლანზე).

აბსოლუტურად შავი სხეულები ბუნებაში არ არსებობს, ამიტომ ფიზიკაში ექსპერიმენტებისთვის გამოიყენება მოდელი. ეს არის დახურული ღრუ პატარა ღიობით. ამ ხვრელში შესული სინათლე მთლიანად შეიწოვება განმეორებითი არეკვლის შემდეგ და ხვრელი გარედან მთლიანად შავი გამოიყურება. მაგრამ როდესაც ეს ღრუ გაცხელდება, მას ექნება საკუთარი ხილული გამოსხივება. ვინაიდან ღრუს შიდა კედლების მიერ გამოსხივებული გამოსხივება, სანამ ის გამოდის (ბოლოს და ბოლოს, ხვრელი ძალიან მცირეა), უმეტეს შემთხვევაში, ის გაივლის უამრავ ახალ შთანთქმას და გამოსხივებას, შეიძლება ითქვას დარწმუნებულია, რომ ღრუს შიგნით გამოსხივება კედლებთან თერმოდინამიკურ წონასწორობაშია. (სინამდვილეში, ამ მოდელისთვის ხვრელი საერთოდ არ არის მნიშვნელოვანი, საჭიროა მხოლოდ ხაზგასმით აღვნიშნოთ რადიაციის ფუნდამენტური დაკვირვება შიგნით; ხვრელი შეიძლება, მაგალითად, მთლიანად დაიხუროს და სწრაფად გაიხსნას მხოლოდ მაშინ, როდესაც ბალანსი უკვე დასრულებულია. დადგენილია და გაზომვა ხდება).

2. კირჩჰოფის რადიაციული კანონიარის ფიზიკური კანონი, რომელიც დაარსდა გერმანელი ფიზიკოსის კირხჰოფის მიერ 1859 წელს. თანამედროვე ფორმულირებაში კანონი ასე იკითხება: ნებისმიერი სხეულის ემისიურობის თანაფარდობა მის შთანთქმის შესაძლებლობებთან არის ყველა სხეულისთვის მოცემულ ტემპერატურაზე მოცემული სიხშირისთვის და არ არის დამოკიდებული მათ ფორმაზე, ქიმიურ შემადგენლობაზე და ა.შ.

ცნობილია, რომ როდესაც ელექტრომაგნიტური გამოსხივება ეცემა გარკვეულ სხეულზე, მისი ნაწილი აირეკლება, ნაწილი შეიწოვება, ნაწილი კი შეიძლება გადაიცეს. აბსორბირებული გამოსხივების წილადს მოცემულ სიხშირეზე ეწოდება შთანთქმის უნარისხეული . მეორეს მხრივ, თითოეული გაცხელებული სხეული ასხივებს ენერგიას გარკვეული კანონის მიხედვით, ე.წ სხეულის ემისიურობა.

მნიშვნელობები და შეიძლება მნიშვნელოვნად განსხვავდებოდეს ერთი სხეულიდან მეორეზე გადასვლისას, თუმცა, კირჩჰოფის რადიაციული კანონის თანახმად, გამოსხივების და შთანთქმის უნარის თანაფარდობა არ არის დამოკიდებული სხეულის ბუნებაზე და არის სიხშირის უნივერსალური ფუნქცია ( ტალღის სიგრძე) და ტემპერატურა:

განმარტებით, სრულიად შავი სხეული შთანთქავს მასზე დაცემული ყველა გამოსხივებას, ანუ მისთვის. მაშასადამე, ფუნქცია ემთხვევა შტეფან-ბოლცმანის კანონით აღწერილ შტეფან-ბოლცმანის კანონით აღწერილ შტეფან-ბოლცმანის ემისიურობას, რის შედეგადაც ნებისმიერი სხეულის ემისიურობის აღმოჩენა შესაძლებელია მხოლოდ მისი შთანთქმის უნარის საფუძველზე.

შტეფან-ბოლცმანის კანონი- სრულიად შავი სხეულის გამოსხივების კანონი. განსაზღვრავს აბსოლუტურად შავი სხეულის რადიაციული სიმძლავრის დამოკიდებულებას მის ტემპერატურაზე. კანონის ფორმულირება: აბსოლუტურად შავი სხეულის რადიაციული ძალა პირდაპირპროპორციულია ზედაპირის ფართობისა და სხეულის ტემპერატურის მეოთხე ხარისხზე: პ = სεσ თ 4, სადაც ε არის ემისიის ხარისხი (ყველა ნივთიერებისთვის ε< 1, для абсолютно черного тела ε = 1).

რადიაციისთვის პლანკის კანონის გამოყენებით, მუდმივი σ შეიძლება განისაზღვროს, როგორც სად არის პლანკის მუდმივი, კარის ბოლცმანის მუდმივი, გარის სინათლის სიჩქარე.

რიცხვითი მნიშვნელობა J s −1 m −2 K −4 .

გერმანელი ფიზიკოსი W. Wien (1864-1928), ეყრდნობოდა თერმო- და ელექტროდინამიკის კანონებს, დაადგინა ტალღის სიგრძის დამოკიდებულება l max, რომელიც შეესაბამება ფუნქციის მაქსიმუმს. რ ლ, ტ,ტემპერატურა თ.Მიხედვით ვიენის გადაადგილების კანონი,l max \u003d b / T

ანუ ტალღის სიგრძე l max, რომელიც შეესაბამება ენერგიის სიკაშკაშის სპექტრული სიმკვრივის მაქსიმალურ მნიშვნელობას რ ლ, ტშავი სხეული მისი თერმოდინამიკური ტემპერატურის უკუპროპორციულია, ბ-ვიენის მუდმივი: მისი ექსპერიმენტული მნიშვნელობა არის 2,9 10 -3 მ K. ამიტომ გამოხატულებას (199,2) კანონი ეწოდება. მიკერძოებაბრალია ის, რომ აჩვენებს ფუნქციის მაქსიმუმის პოზიციის გადაადგილებას რ ლ, ტროდესაც ტემპერატურა იზრდება მოკლე ტალღის სიგრძის რეგიონამდე. ვიენის კანონი განმარტავს, თუ რატომ მცირდება გახურებული სხეულების ტემპერატურა, მათ სპექტრში ჭარბობს გრძელი ტალღის გამოსხივება (მაგალითად, თეთრი სითბოს წითელზე გადასვლა, როდესაც მეტალი გაცივდება).

იმისდა მიუხედავად, რომ შტეფან - ბოლცმანისა და ვიენის კანონები მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ თერმული გამოსხივების თეორიაში, ისინი განსაკუთრებული კანონებია, რადგან ისინი არ აძლევენ ენერგიის განაწილების ზოგად სურათს სიხშირეებზე სხვადასხვა ტემპერატურაზე.

3. დაე, ამ ღრუს კედლებმა მთლიანად აირეკლოს მათზე დაცემული შუქი. მოვათავსოთ ღრუში რაღაც სხეული, რომელიც გამოყოფს სინათლის ენერგიას. ღრუს შიგნით წარმოიქმნება ელექტრომაგნიტური ველი და, საბოლოოდ, ის ივსება გამოსხივებით, რომელიც სხეულთან თერმული წონასწორობის მდგომარეობაშია. წონასწორობა დადგება იმ შემთხვევაშიც, როდესაც რაიმე სახით, გამოკვლეული სხეულის სითბოს გაცვლა მის გარემოსთან მთლიანად აღმოიფხვრება (მაგალითად, ამ გონებრივ ექსპერიმენტს ვაკუუმში ჩავატარებთ, როდესაც არ არის სითბოს გამტარობის ფენომენი და კონვექცია). მხოლოდ სინათლის ემისიის და შთანთქმის პროცესების გამო, აუცილებლად მოვა წონასწორობა: გამოსხივებულ სხეულს ექნება ელექტრომაგნიტური გამოსხივების ტემპერატურის ტოლი ტემპერატურა, რომელიც იზოტროპულად ავსებს ღრუს სივრცეს და სხეულის ზედაპირის თითოეული არჩეული ნაწილი გამოსცემს როგორც. ბევრი ენერგია ერთეულ დროში, რადგან ის შთანთქავს. ამ შემთხვევაში, წონასწორობა უნდა მოხდეს დახურულ ღრუში მოთავსებული სხეულის თვისებების მიუხედავად, რაც, თუმცა, გავლენას ახდენს წონასწორობის დამყარების დროზე. ელექტრომაგნიტური ველის ენერგიის სიმკვრივე ღრუში, როგორც ქვემოთ იქნება ნაჩვენები, წონასწორობის მდგომარეობაში განისაზღვრება მხოლოდ ტემპერატურით.

წონასწორული თერმული გამოსხივების დასახასიათებლად მნიშვნელოვანია არა მხოლოდ მოცულობითი ენერგიის სიმკვრივე, არამედ ამ ენერგიის განაწილება სპექტრზე. მაშასადამე, ჩვენ დავახასიათებთ წონასწორობის გამოსხივებას, რომელიც იზოტროპულად ავსებს ღრუს შიგნით სივრცეს ფუნქციის გამოყენებით u ω - რადიაციის სპექტრული სიმკვრივე,ანუ ელექტრომაგნიტური ველის ერთეული მოცულობის საშუალო ენერგია, განაწილებული სიხშირის დიაპაზონში ω-დან ω + δω-მდე და დაკავშირებულია ამ ინტერვალის მნიშვნელობასთან. ცხადია ღირებულება uω მნიშვნელოვნად უნდა იყოს დამოკიდებული ტემპერატურაზე, ამიტომ აღვნიშნავთ მას u(ω, T).ენერგიის მთლიანი სიმკვრივე უ(თ) დაკავშირებული u(ω, თ) ფორმულა.

მკაცრად რომ ვთქვათ, ტემპერატურის კონცეფცია გამოიყენება მხოლოდ წონასწორული თერმული გამოსხივებისთვის. წონასწორობისას ტემპერატურა მუდმივი უნდა დარჩეს. თუმცა, ხშირად ტემპერატურის კონცეფცია ასევე გამოიყენება ინკანდესენტური სხეულების დასახასიათებლად, რომლებიც არ არიან წონასწორობაში რადიაციასთან. უფრო მეტიც, სისტემის პარამეტრების ნელი ცვლილებით, ყოველ მოცემულ პერიოდში შესაძლებელია მისი ტემპერატურის დახასიათება, რომელიც ნელ-ნელა შეიცვლება. ასე რომ, მაგალითად, თუ სითბოს შემოდინება არ არის და რადიაცია გამოწვეულია მანათობელი სხეულის ენერგიის შემცირებით, მაშინ მისი ტემპერატურაც შემცირდება.

დავამყაროთ კავშირი შავი სხეულის ემისიურობასა და წონასწორული გამოსხივების სპექტრულ სიმკვრივეს შორის. ამისათვის ჩვენ ვიანგარიშებთ ენერგიის ნაკადის ინციდენტს ერთეულ ფართობზე, რომელიც მდებარეობს დახურულ ღრუში, რომელიც სავსეა საშუალო სიმკვრივის ელექტრომაგნიტური ენერგიით. U ω.დაე, გამოსხივება დაეცეს ერთეულ ფართობზე θ და ϕ კუთხეებით განსაზღვრული მიმართულებით (ნახ. 6a) მყარი კუთხის dΩ ფარგლებში:

ვინაიდან წონასწორული გამოსხივება იზოტროპულია, ფრაქცია, რომელიც ტოლია ღრუს მთლიანი ენერგიისა, ვრცელდება მოცემულ მყარ კუთხით. ელექტრომაგნიტური ენერგიის ნაკადი, რომელიც გადის ერთეულ ფართობზე დროის ერთეულზე

ჩანაცვლება dΩგამოხატვა და ინტეგრირება ϕ-ზე (0, 2π) და θ-ზე (0, π/2) ფარგლებში, მივიღებთ მთლიანი ენერგიის ნაკადის ინციდენტს ერთეულ ფართობზე:

ცხადია, წონასწორობის პირობებში აუცილებელია გამოთქმის (13) გათანაბრება სრულიად შავი სხეულის ემისიურობისთვის. რω , რომელიც ახასიათებს უბნის მიერ გამოსხივებულ ენერგიის ნაკადს ω-სთან ახლოს სიხშირის ერთეულის ინტერვალში:

ამრიგად, ნაჩვენებია, რომ აბსოლუტურად შავი სხეულის ემისიურობა, c/4 ფაქტორამდე, ემთხვევა წონასწორული გამოსხივების სპექტრულ სიმკვრივეს. ტოლობა (14) უნდა დაკმაყოფილდეს რადიაციის თითოეული სპექტრული კომპონენტისთვის, ამიტომ აქედან გამომდინარეობს, რომ ვ(ω, თ)= u(ω, თ) (15)

დასასრულს, აღვნიშნავთ, რომ აბსოლუტური შავი სხეულის გამოსხივება (მაგალითად, ღრუში არსებული პატარა ხვრელის გამოსხივება) აღარ იქნება წონასწორობაში. კერძოდ, ეს გამოსხივება არ არის იზოტროპული, რადგან ის არ ვრცელდება ყველა მიმართულებით. მაგრამ ენერგიის განაწილება სპექტრზე ასეთი გამოსხივებისთვის დაემთხვევა წონასწორული გამოსხივების სპექტრულ სიმკვრივეს, რომელიც იზოტროპულად ავსებს ღრუს შიგნით არსებულ სივრცეს. ეს საშუალებას აძლევს გამოიყენოს კავშირი (14), რომელიც მოქმედებს ნებისმიერ ტემპერატურაზე. არცერთ სხვა სინათლის წყაროს არ აქვს ენერგიის მსგავსი განაწილება მთელ სპექტრში. მაგალითად, აირებში ელექტრული გამონადენი ან ქიმიური რეაქციების გავლენის ქვეშ მყოფი სიკაშკაშე აქვს სპექტრები, რომლებიც მნიშვნელოვნად განსხვავდება აბსოლუტურად შავი სხეულის ბზინვარებისგან. ენერგიის განაწილება ინკანდესენტური სხეულების სპექტრზე ასევე მკვეთრად განსხვავდება შავი სხეულის სიკაშკაშისგან, რომელიც უფრო მაღალი იყო საერთო სინათლის წყაროს (ინკანდესენტური ნათურა ვოლფრამის ძაფით) და შავი სხეულის სპექტრების შედარებით.

4. ეფუძნება ენერგიის თანაბარი გადანაწილების კანონს თავისუფლების ხარისხებზე: ყოველი ელექტრომაგნიტური რხევისთვის არის საშუალო ენერგია, რომელიც ემატება kT ორი ნაწილისგან. ერთი ნახევარი შემოდის ტალღის ელექტრული კომპონენტით, ხოლო მეორე ნახევარი მაგნიტური კომპონენტით. თავისთავად, ღრუში წონასწორული გამოსხივება შეიძლება წარმოდგენილი იყოს როგორც მუდმივი ტალღების სისტემა. სამგანზომილებიან სივრცეში მდგარი ტალღების რაოდენობა მოცემულია შემდეგით:

ჩვენს შემთხვევაში, სიჩქარე ვტოლი უნდა იყოს გუფრო მეტიც, ორი ელექტრომაგნიტური ტალღა იგივე სიხშირით, მაგრამ ურთიერთ პერპენდიკულარული პოლარიზაციებით, შეიძლება მოძრაობდეს იმავე მიმართულებით, შემდეგ (1) დამატებით უნდა გამრავლდეს ორზე:

ასე რომ, რეილი და ჯინსი, ენერგია მიენიჭა თითოეულ რხევას. გამრავლებით (2)-ზე მივიღებთ ენერგიის სიმკვრივეს, რომელიც მოდის სიხშირის ინტერვალზე dω:

სრულიად შავი სხეულის ემისიურობის ურთიერთობის ცოდნა ვ(ω, თ) თერმული გამოსხივების წონასწორული ენერგიის სიმკვრივით, ამისთვის ვ(ω, თ) ვპოულობთ: გამონათქვამები (3) და (4), ე.წ რეილი-ჯინსის ფორმულა.

ფორმულები (3) და (4) დამაკმაყოფილებლად ეთანხმება ექსპერიმენტულ მონაცემებს მხოლოდ გრძელი ტალღების სიგრძისთვის; უფრო მოკლე ტალღის სიგრძეზე, ექსპერიმენტთან შეთანხმება მკვეთრად განსხვავდება. უფრო მეტიც, ინტეგრაცია (3) ω-ზე 0-დან წონასწორული ენერგიის სიმკვრივის დიაპაზონში u(თ) იძლევა უსასრულოდ დიდ მნიშვნელობას. ეს შედეგი, ე.წ ულტრაიისფერი კატასტროფაცხადია, ეწინააღმდეგება ექსპერიმენტს: წონასწორობა გამოსხივებასა და გამოსხივებულ სხეულს შორის უნდა დამყარდეს სასრულ მნიშვნელობებზე. u(თ).

ულტრაიისფერი კატასტროფა- ფიზიკური ტერმინი, რომელიც აღწერს კლასიკური ფიზიკის პარადოქსს, რომელიც მდგომარეობს იმაში, რომ ნებისმიერი გაცხელებული სხეულის თერმული გამოსხივების მთლიანი სიმძლავრე უნდა იყოს უსასრულო. პარადოქსის სახელწოდება განპირობებული იყო იმით, რომ რადიაციის სპექტრული სიმძლავრის სიმკვრივე ტალღის სიგრძის შემცირებისას განუსაზღვრელი ვადით უნდა გაიზარდოს. არსებითად, ამ პარადოქსმა აჩვენა, თუ არა კლასიკური ფიზიკის შინაგანი შეუსაბამობა, მაშინ მაინც უკიდურესად მკვეთრი (აბსურდული) შეუსაბამობა ელემენტარულ დაკვირვებებთან და ექსპერიმენტებთან.

5. პლანკის ჰიპოთეზა- ჰიპოთეზა, რომელიც წამოაყენა 1900 წლის 14 დეკემბერს მაქს პლანკის მიერ და შედგება იმაში, რომ თერმული გამოსხივების დროს ენერგია გამოიყოფა და შეიწოვება არა განუწყვეტლივ, არამედ ცალკეულ კვანტებში (ნაწილებად). თითოეულ ასეთ ნაწილ-კვანტს აქვს ენერგია სიხშირის პროპორციულია ν რადიაცია:

სადაც თან - პროპორციულობის კოეფიციენტი, რომელსაც მოგვიანებით პლანკის მუდმივი ეწოდა. ამ ჰიპოთეზის საფუძველზე მან შემოგვთავაზა სხეულის ტემპერატურისა და ამ სხეულის მიერ გამოსხივებული გამოსხივების ურთიერთკავშირის თეორიული წარმოშობა - პლანკის ფორმულა.

პლანკის ფორმულა- შავი სხეულის გამოსხივების სპექტრული სიმჭიდროვის გამოხატულება, რომელიც მიიღო მაქს პლანკმა. გამოსხივების ენერგიის სიმკვრივისთვის u(ω, თ):

პლანკის ფორმულა მიიღეს მას შემდეგ, რაც გაირკვა, რომ რეილი-ჯინსის ფორმულა დამაკმაყოფილებლად აღწერს რადიაციას მხოლოდ გრძელი ტალღების რეგიონში. ფორმულის გამოსატანად პლანკმა 1900 წელს გამოთქვა ვარაუდი, რომ ელექტრომაგნიტური გამოსხივება გამოიყოფა ენერგიის ცალკეული ნაწილის სახით (კვანტები), რომელთა სიდიდე დაკავშირებულია გამოსხივების სიხშირესთან გამოთქმით:

პროპორციულობის კოეფიციენტს შემდგომში ეწოდა პლანკის მუდმივი, = 1,054 10 −27 erg s.

თერმული გამოსხივების თვისებების ასახსნელად საჭირო იყო ელექტრომაგნიტური გამოსხივების ნაწილებად (კვანტების) ემისიის კონცეფციის დანერგვა. გამოსხივების კვანტურ ბუნებას ასევე ადასტურებს ბრემსტრაჰლუნგის სპექტრის მოკლე ტალღის საზღვრის არსებობა.

რენტგენის გამოსხივება წარმოიქმნება მყარი სამიზნეების სწრაფი ელექტრონებით დაბომბვისას.აქ ანოდი მზადდება W, Mo, Cu, Pt - მძიმე ცეცხლგამძლე ან მაღალი თბოგამტარობის ლითონებისგან. ელექტრონის ენერგიის მხოლოდ 1-3% მიდის რადიაციაზე, დანარჩენი ანოდზე სითბოს სახით გამოიყოფა, ამიტომ ანოდები გაცივდება წყლით. ანოდის მასალაში მოხვედრისას ელექტრონები განიცდიან ძლიერ შენელებას და ხდება ელექტრომაგნიტური ტალღების (რენტგენის სხივების) წყარო.

ელექტრონის საწყისი სიჩქარე ანოდზე მოხვედრისას განისაზღვრება ფორმულით:

სადაც უარის აჩქარების ძაბვა.

> შესამჩნევი გამოსხივება შეინიშნება მხოლოდ სწრაფი ელექტრონების მკვეთრი შენელების დროს, დაწყებული უ~ 50 კვ, ხოლო ( თანარის სინათლის სიჩქარე). ინდუქციური ელექტრონების ამაჩქარებლებში - ბეტატრონები, ელექტრონები იძენენ ენერგიას 50 მევ-მდე, = 0,99995 თან. ასეთი ელექტრონების მყარ სამიზნეზე მიმართვით ჩვენ ვიღებთ რენტგენის გამოსხივებას მცირე ტალღის სიგრძით. ამ გამოსხივებას აქვს მაღალი შეღწევადობის ძალა. კლასიკური ელექტროდინამიკის მიხედვით, როდესაც ელექტრონი შენელდება, უნდა გამოჩნდეს ყველა ტალღის სიგრძის გამოსხივება ნულიდან უსასრულობამდე. ტალღის სიგრძე, რომელზეც ეცემა გამოსხივების მაქსიმალური სიმძლავრე, უნდა შემცირდეს ელექტრონის სიჩქარის მატებასთან ერთად. თუმცა, არსებობს ფუნდამენტური განსხვავება კლასიკური თეორიისგან: ნულოვანი სიმძლავრის განაწილება არ მიდის საწყისამდე, მაგრამ იშლება სასრულ მნიშვნელობებზე - ეს არის რენტგენის სპექტრის მოკლე ტალღის კიდე.

ექსპერიმენტულად დადგინდა, რომ

მოკლე ტალღის სიგრძის საზღვრის არსებობა პირდაპირ გამომდინარეობს რადიაციის კვანტური ბუნებიდან. მართლაც, თუ გამოსხივება წარმოიქმნება შენელების დროს ელექტრონის მიერ დაკარგული ენერგიის გამო, მაშინ კვანტის ენერგია არ შეიძლება აღემატებოდეს ელექტრონის ენერგიას. ევროპა, ე.ი. , აქედან ან .

ამ ექსპერიმენტში შეგიძლიათ განსაზღვროთ პლანკის მუდმივი თ. პლანკის მუდმივის განსაზღვრის ყველა მეთოდს შორის ყველაზე ზუსტი მეთოდია, რომელიც დაფუძნებულია ბრემსტრაჰლუნგის სპექტრის მოკლე ტალღის კიდეების გაზომვაზე.

7. ფოტო ეფექტი- ეს არის ნივთიერების ელექტრონების გამოსხივება სინათლის მოქმედებით (და, ზოგადად, ნებისმიერი ელექტრომაგნიტური გამოსხივება). შედედებულ ნივთიერებებში (მყარი და თხევადი) გამოირჩევა გარე და შიდა ფოტოელექტრული ეფექტები.

ფოტოელექტრული ეფექტის კანონები:

ფორმულირება ფოტოელექტრული ეფექტის 1 კანონი: ლითონის ზედაპირიდან სინათლის მიერ გამოდევნილი ელექტრონების რაოდენობა დროის ერთეულზე მოცემულ სიხშირეზე პირდაპირპროპორციულია სინათლის ნაკადის, რომელიც ანათებს ლითონს..

Მიხედვით ფოტოელექტრული ეფექტის მე-2 კანონი, სინათლის მიერ გამოდევნილი ელექტრონების მაქსიმალური კინეტიკური ენერგია წრფივად იზრდება სინათლის სიხშირით და არ არის დამოკიდებული მის ინტენსივობაზე.

ფოტოელექტრული ეფექტის მე-3 კანონი: თითოეული ნივთიერებისთვის არის ფოტოელექტრული ეფექტის წითელი საზღვარი, ანუ სინათლის მინიმალური სიხშირე ν 0 (ან მაქსიმალური ტალღის სიგრძე λ 0), რომელზეც ჯერ კიდევ შესაძლებელია ფოტოელექტრული ეფექტი და თუ ν 0, მაშინ ფოტოელექტრული ეფექტი. აღარ ხდება.

ამ კანონების თეორიული ახსნა აინშტაინმა 1905 წელს მისცა. მისი თქმით, ელექტრომაგნიტური გამოსხივება არის ინდივიდუალური კვანტების (ფოტონების) ნაკადი hν ენერგიით, სადაც h არის პლანკის მუდმივი. ფოტოელექტრული ეფექტით მოხვედრილი ელექტრომაგნიტური გამოსხივების ნაწილი აირეკლება ლითონის ზედაპირიდან, ნაწილი კი ლითონის ზედაპირულ ფენაში აღწევს და იქ შეიწოვება. ფოტონის შთანთქმის შემდეგ ელექტრონი იღებს მისგან ენერგიას და სამუშაო ფუნქციის შესრულებისას ტოვებს ლითონს: თν = A გარეთ + ჩვენ, სად ჩვენ- მაქსიმალური კინეტიკური ენერგია, რომელიც ელექტრონს შეიძლება ჰქონდეს ლითონისგან გაფრენისას.

ენერგიის შენარჩუნების კანონიდან, სინათლის ნაწილაკების (ფოტონების) სახით წარმოდგენისას, აინშტაინის ფოტოელექტრული ეფექტის ფორმულა შემდეგია: თν = A გარეთ + ეკ

სადაც A გარეთ- ე. წ. სამუშაო ფუნქცია (მინიმალური ენერგია, რომელიც საჭიროა ნივთიერებიდან ელექტრონის ამოსაღებად), Ek არის გამოსხივებული ელექტრონის კინეტიკური ენერგია (სიჩქარიდან გამომდინარე, რელატივისტური ნაწილაკების კინეტიკური ენერგია შეიძლება გამოითვალოს თუ არა), ν არის სიხშირე. ინციდენტის ფოტონის ენერგია თν, თარის პლანკის მუდმივი.

სამუშაო ფუნქცია- განსხვავება მინიმალურ ენერგიას (როგორც წესი, იზომება ელექტრონ ვოლტებში), რომელიც უნდა გადაეცეს ელექტრონს მყარი სხეულის მოცულობიდან მისი „პირდაპირი“ მოცილებისთვის და ფერმის ენერგიას შორის.

ფოტოელექტრული ეფექტის "წითელი" საზღვარი- მინიმალური სიხშირე ან მაქსიმალური ტალღის სიგრძე λ მაქსსინათლე, რომელზეც ჯერ კიდევ შესაძლებელია გარე ფოტოელექტრული ეფექტი, ანუ ფოტოელექტრონების საწყისი კინეტიკური ენერგია ნულზე მეტია. სიხშირე დამოკიდებულია მხოლოდ გამომავალი სამუშაო ფუნქციაზე. A გარეთელექტრონი: , სადაც A გარეთარის სამუშაო ფუნქცია კონკრეტული ფოტოკათოდისთვის, თარის პლანკის მუდმივი და თანარის სინათლის სიჩქარე. სამუშაო ფუნქცია A გარეთდამოკიდებულია ფოტოკათოდის მასალაზე და მისი ზედაპირის მდგომარეობაზე. ფოტოელექტრონების ემისია იწყება მაშინვე, როგორც კი შუქი დაეცემა ფოტოკათოდზე სიხშირით ან ტალღის სიგრძით.