§ 4º Luminosidade energética. Lei de Stefan-Boltzmann.

Lei do deslocamento de Wien

RE(iluminação de energia integrada) - a luminosidade de energia determina a quantidade de energia emitida de uma única superfície por unidade de tempo em toda a faixa de frequência de 0 a ∞ a uma determinada temperatura T.

Conexão energia luminosidade e radiância

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

A lei de J. Stefan (cientista austríaco) e L. Boltzmann (cientista alemão)

Onde

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

A luminosidade da energia de um corpo negro é proporcional à quarta potência da temperatura termodinâmica.

A lei de Stefan-Boltzmann, definindo a dependênciaREsobre a temperatura, não dá uma resposta sobre a composição espectral da radiação de um corpo completamente negro. A partir das curvas de dependência experimentalrλ ,T a partir de λ em vários T segue-se que a distribuição de energia no espectro de um corpo negro é desigual. Todas as curvas têm um máximo, que com o aumento T desloca para comprimentos de onda mais curtos. Área limitada pela curva de dependênciarλ ,T de λ, é igual a RE(isto decorre do significado geométrico da integral) e é proporcional a T 4 .

Lei de deslocamento de Wien (1864 - 1928): Comprimento, ondas (λ max), que representa a emissividade máxima de um a.ch.t. a uma dada temperatura, é inversamente proporcional à temperatura T.

b\u003d 2,9 10 -3 m K - constante de Wien.

O deslocamento de Wien ocorre porque, à medida que a temperatura aumenta, a emissividade máxima se desloca para comprimentos de onda mais curtos.

§ 5 Fórmula Rayleigh-Jeans, fórmula de Wien e catástrofe ultravioleta

A lei de Stefan-Boltzmann permite determinar a luminosidade da energiaREa.h.t. pela sua temperatura. A lei de deslocamento de Wien relaciona a temperatura do corpo com o comprimento de onda no qual a emissividade máxima cai. Mas nem uma nem outra lei resolve o problema principal de quão grande é a capacidade radiativa por cada λ no espectro de um A.Ch.T. a uma temperatura T. Para fazer isso, você precisa estabelecer uma dependência funcionalrλ ,T de λ e T.

Com base no conceito da natureza contínua da emissão de ondas eletromagnéticas na lei da distribuição uniforme de energias em graus de liberdade, foram obtidas duas fórmulas para a emissividade de um a.ch.t.:

• Fórmula do Vinho

Onde uma, b = const.

• Fórmula Rayleigh-Jeans

k =1,38·10-23 J/K - constante de Boltzmann.

A verificação experimental mostrou que para uma dada temperatura a fórmula de Wien é correta para ondas curtas e apresenta discrepâncias acentuadas com a experiência na região de ondas longas. A fórmula Rayleigh-Jeans acabou sendo correta para ondas longas e não aplicável para ondas curtas.

O estudo da radiação térmica usando a fórmula de Rayleigh-Jeans mostrou que no quadro da física clássica é impossível resolver o problema da função que caracteriza a emissividade de uma AChT. Esta tentativa malsucedida de explicar as leis de radiação de A.Ch.T. com a ajuda do aparato da física clássica, foi chamado de “catástrofe ultravioleta”.

Se tentarmos calcularREusando a fórmula de Rayleigh-Jeans, então

• “ catástrofe ultravioleta”

§6 Hipótese quântica e fórmula de Planck.

Em 1900, M. Planck (um cientista alemão) apresentou uma hipótese segundo a qual a emissão e absorção de energia não ocorre continuamente, mas em certas pequenas porções - quanta, e a energia quântica é proporcional à frequência de oscilação (fórmula de Planck ):

h \u003d 6,625 10 -34 J s - constante de Planck ou

Onde

Como a radiação ocorre em porções, a energia do oscilador (átomo oscilante, elétron) E assume apenas valores que são múltiplos de um número inteiro de porções elementares de energia, ou seja, apenas valores discretos

E = n E o = nhν .

EFEITO FOTOELÉTRICO

A influência da luz no curso dos processos elétricos foi estudada pela primeira vez por Hertz em 1887. Ele conduziu experimentos com um centelhador elétrico e descobriu que quando irradiado com radiação ultravioleta, a descarga ocorre em uma voltagem muito menor.

Em 1889-1895. A.G. Stoletov estudou o efeito da luz nos metais usando o seguinte esquema. Dois eletrodos: o cátodo K feito do metal em estudo e o ânodo A (no esquema de Stoletov - uma malha de metal que transmite luz) em um tubo de vácuo são conectados à bateria para que, com a ajuda de resistência R você pode alterar o valor e o sinal da tensão aplicada a eles. Quando o cátodo de zinco foi irradiado, uma corrente fluiu no circuito, que foi registrada por um miliamperímetro. Ao irradiar o cátodo com luz de vários comprimentos de onda, Stoletov estabeleceu as seguintes leis básicas:

• O efeito mais forte é exercido pela radiação ultravioleta;
• Sob a ação da luz, as cargas negativas escapam do cátodo;
• A força da corrente gerada pela ação da luz é diretamente proporcional à sua intensidade.

Lenard e Thomson em 1898 mediram a carga específica ( e/ m), partículas ejetadas, e descobriu-se que é igual à carga específica do elétron, portanto, os elétrons são ejetados do cátodo.

§ 2º Efeito fotoelétrico externo. Três leis do efeito fotoelétrico externo

O efeito fotoelétrico externo é a emissão de elétrons por uma substância sob a influência da luz. Os elétrons que escapam de uma substância com um efeito fotoelétrico externo são chamados de fotoelétrons, e a corrente que eles geram é chamada de fotocorrente.

Usando o esquema Stoletov, a seguinte dependência da fotocorrente emtensão aplicada em fluxo luminoso constante F(ou seja, foi obtida a característica I-V - característica corrente-tensão):

Em alguma voltagemvocêHfotocorrente atinge a saturaçãoEU n - todos os elétrons emitidos pelo cátodo atingem o ânodo, daí a corrente de saturaçãoEU n é determinado pelo número de elétrons emitidos pelo cátodo por unidade de tempo sob a ação da luz. O número de fotoelétrons liberados é proporcional ao número de quanta de luz incidente na superfície do cátodo. E o número de quanta de luz é determinado pelo fluxo luminoso F caindo no cátodo. Número de fótonsNcaindo ao longo do tempot à superfície é determinada pela fórmula:

Onde C- energia de radiação recebida pela superfície durante o tempo Δt,

energia de fótons,

F e-fluxo luminoso (potência de radiação).

1ª lei do efeito fotoelétrico externo (Lei de Stoletov):

Em uma frequência fixa da luz incidente, a fotocorrente de saturação é proporcional ao fluxo de luz incidente:

EUnós~ Ф, ν =const

vocêh - tensão de retardoé a tensão na qual nenhum elétron pode atingir o ânodo. Portanto, a lei de conservação de energia neste caso pode ser escrita: a energia dos elétrons emitidos é igual à energia de retardo do campo elétrico

portanto, pode-se encontrar a velocidade máxima dos fotoelétrons emitidosVmáx

2ª lei do efeito fotoelétrico : velocidade inicial máximaVmáxfotoelétrons não depende da intensidade da luz incidente (em F), mas é determinado apenas por sua frequência ν

3ª lei do efeito fotoelétrico : para cada substância existe efeito de foto "borda vermelha", ou seja, a frequência mínima ν kp , dependendo da natureza química da substância e do estado de sua superfície, na qual o efeito fotoelétrico externo ainda é possível.

A segunda e a terceira leis do efeito fotoelétrico não podem ser explicadas usando a natureza ondulatória da luz (ou a teoria eletromagnética clássica da luz). De acordo com esta teoria, a retirada de elétrons de condução do metal é o resultado de seu "balanço" pelo campo eletromagnético da onda de luz. À medida que a intensidade da luz aumenta ( F) a energia transmitida pelo elétron do metal deve aumentar, portanto, deve aumentarVmáx, e isso contradiz a 2ª lei do efeito fotoelétrico.

Uma vez que, de acordo com a teoria das ondas, a energia transmitida pelo campo eletromagnético é proporcional à intensidade da luz ( F), então qualquer luz; frequência, mas uma intensidade suficientemente alta teria que retirar elétrons do metal, ou seja, a borda vermelha do efeito fotoelétrico não existiria, o que contraria a 3ª lei do efeito fotoelétrico. O efeito fotoelétrico externo é inercial. E a teoria das ondas não pode explicar sua inércia.

§ 3 Equação de Einstein para o efeito fotoelétrico externo.

Função no trabalho

Em 1905, A. Einstein explicou o efeito fotoelétrico com base em conceitos quânticos. Segundo Einstein, a luz não é apenas emitida por quanta de acordo com a hipótese de Planck, mas se propaga no espaço e é absorvida pela matéria em porções separadas - quanta com energia E0 = hv. Os quanta de radiação eletromagnética são chamados fótons.

A equação de Einstein (a lei da conservação da energia para o efeito da foto externa):

Energia de fótons incidentes hvé gasto para retirar um elétron do metal, ou seja, na função trabalho Uma saída, e para comunicar energia cinética ao fotoelétron emitido.

A menor energia que deve ser transmitida a um elétron para removê-lo de um corpo sólido para o vácuo é chamada de função no trabalho.

Uma vez que a energia de Ferm para E Fdepende da temperatura e E F, também muda com a temperatura, então, portanto, Uma saída dependente da temperatura.

Além disso, a função de trabalho é muito sensível ao acabamento da superfície. Aplicando um filme na superfície Sa, SG, Wa) no CUma saídadiminui de 4,5 eV para puroC até 1,5h 2 eV para impurezaC.

A equação de Einstein torna possível explicar em c e três leis do foto-efeito externo,

1ª lei: cada quantum é absorvido por apenas um elétron. Portanto, o número de fotoelétrons ejetados deve ser proporcional à intensidade ( F) Sveta

2ª lei: Vmáx~ ν e desde Uma saída não depende de F, então eVmáx não depende de F

3ª lei: À medida que ν diminui,Vmáx e para ν = ν 0 Vmáx = 0, portanto,hν 0 = Uma saída, portanto, ou seja existe uma frequência mínima, a partir da qual é possível o efeito fotoelétrico externo.

A radiação térmica dos corpos é chamada de radiação eletromagnética que ocorre devido àquela parte da energia interna do corpo, que está relacionado ao movimento térmico de suas partículas.

As principais características da radiação térmica de corpos aquecidos a uma temperatura T são:

1. Energia luminosidadeR (T ) -a quantidade de energia emitida por unidade de tempo por unidade de superfície do corpo, em toda a faixa de comprimentos de onda. Depende da temperatura, natureza e estado da superfície do corpo radiante. No sistema SI R ( T ) tem a dimensão [W/m 2 ].

2. Densidade espectral de luminosidade de energiar (  ,T) =dW/ d - a quantidade de energia emitida por uma unidade de superfície corporal por unidade de tempo em um intervalo de comprimento de onda unitário (próximo ao comprimento de onda considerado ). Aqueles. esta quantidade é numericamente igual à razão de energia dW emitida por unidade de área por unidade de tempo em uma estreita faixa de comprimentos de onda de  antes da  +d , para a largura desse intervalo. Depende da temperatura do corpo, do comprimento de onda e também da natureza e do estado da superfície do corpo radiante. No sistema SI r( , T) tem a dimensão [W/m 3 ].

Luminosidade energética R(T) relacionado com a densidade espectral da luminosidade da energia r( , T) Da seguinte maneira:

(1) [W/m2]

3. Todos os corpos não apenas irradiam, mas também absorvem as ondas eletromagnéticas incidentes em sua superfície. Para determinar a capacidade de absorção dos corpos em relação às ondas eletromagnéticas de um determinado comprimento de onda, é introduzido o conceito coeficiente de absorção monocromática-a razão entre a energia de uma onda monocromática absorvida pela superfície do corpo e a energia de uma onda monocromática incidente:

O coeficiente de absorção monocromática é uma quantidade adimensional que depende da temperatura e do comprimento de onda. Mostra qual fração da energia da onda monocromática incidente é absorvida pela superfície do corpo. Valor  ( , T) pode assumir valores de 0 a 1.

A radiação em um sistema adiabaticamente fechado (sem troca de calor com o ambiente) é chamada de equilíbrio. Se for criado um pequeno orifício na parede da cavidade, o estado de equilíbrio mudará ligeiramente e a radiação que sai da cavidade corresponderá à radiação de equilíbrio.

Se um feixe for direcionado para esse buraco, depois de repetidas reflexões e absorção nas paredes da cavidade, ele não poderá voltar. Isso significa que, para tal furo, o coeficiente de absorção ( , T) = 1.

A cavidade considerada fechada com um pequeno orifício serve como um dos modelos corpo absolutamente negro.

Corpo completamente pretoé chamado um corpo que absorve toda a radiação incidente sobre ele, independentemente da direção da radiação incidente, sua composição espectral e polarização (sem refletir ou transmitir nada).

Para um corpo negro, a densidade espectral da luminosidade da energia é alguma função universal do comprimento de onda e da temperatura. f( , T) e não depende de sua natureza.

Todos os corpos na natureza refletem parcialmente a radiação incidente em sua superfície e, portanto, não pertencem a corpos absolutamente negros. Se o coeficiente de absorção monocromática de um corpo é o mesmo para todos os comprimentos de onda e menosunidades(( , T) = Т =const<1),então esse corpo é chamado cinzento. O coeficiente de absorção monocromática de um corpo cinza depende apenas da temperatura do corpo, de sua natureza e do estado de sua superfície.

Kirchhoff mostrou que para todos os corpos, independentemente de sua natureza, a razão entre a densidade espectral de luminosidade de energia e o coeficiente de absorção monocromática é a mesma função universal de comprimento de onda e temperatura. f( , T) , que é a densidade espectral da luminosidade de energia de um corpo negro :

A equação (3) é a lei de Kirchhoff.

Lei de Kirchhoff pode ser formulado assim: para todos os corpos do sistema que estão em equilíbrio termodinâmico, a razão entre a densidade espectral da luminosidade da energia e o coeficiente absorção monocromática não depende da natureza do corpo, é a mesma função para todos os corpos, dependendo do comprimento de onda e temperatura T.

Do exposto e da fórmula (3) fica claro que, a uma dada temperatura, os corpos cinzas que têm um grande coeficiente de absorção irradiam mais fortemente, e os corpos absolutamente pretos irradiam mais fortemente. Já que para um corpo completamente preto(  , T)=1, então a fórmula (3) implica que a função universal f( , T) é a densidade espectral da luminosidade de energia de um corpo negro

Luminosidade energética do corpo- - uma quantidade física que é função da temperatura e numericamente igual à energia emitida pelo corpo por unidade de tempo por unidade de superfície em todas as direções e em todo o espectro de frequência. J/s m²=W/m²

Densidade espectral de luminosidade de energia- uma função de frequência e temperatura que caracteriza a distribuição da energia de radiação ao longo de todo o espectro de frequências (ou comprimentos de onda). , Uma função semelhante também pode ser escrita em termos do comprimento de onda

Pode-se provar que a densidade espectral da luminosidade da energia, expressa em termos de frequência e comprimento de onda, está relacionada pela relação:

Corpo completamente preto- idealização física usada em termodinâmica, um corpo que absorve toda a radiação eletromagnética que incide sobre ele em todas as faixas e não reflete nada. Apesar do nome, o próprio corpo negro pode emitir radiação eletromagnética de qualquer frequência e ter visualmente uma cor. O espectro de radiação de um corpo negro é determinado apenas por sua temperatura.

A importância de um corpo negro na questão do espectro de radiação térmica de quaisquer corpos (cinzentos e coloridos) em geral, além de ser o caso não trivial mais simples, está também no fato de que a questão do espectro de equilíbrio a radiação térmica de corpos de qualquer cor e coeficiente de reflexão é reduzida pelos métodos da termodinâmica clássica à questão da radiação de um corpo absolutamente negro (e historicamente isso já era feito no final do século XIX, quando o problema da radiação de um corpo corpo absolutamente negro veio à tona).

Corpos absolutamente negros não existem na natureza, portanto, na física, um modelo é usado para experimentos. É uma cavidade fechada com uma pequena abertura. A luz que entra por este buraco será completamente absorvida após reflexões repetidas, e o buraco parecerá completamente preto do lado de fora. Mas quando esta cavidade é aquecida, ela terá sua própria radiação visível. Como a radiação emitida pelas paredes internas da cavidade, antes de sair (afinal, o buraco é muito pequeno), na grande maioria dos casos, ela sofrerá um grande número de novas absorções e radiações, pode-se dizer com certeza de que a radiação no interior da cavidade está em equilíbrio termodinâmico com as paredes. (Na verdade, o buraco para este modelo não é importante, basta enfatizar a observabilidade fundamental da radiação no interior; o buraco pode, por exemplo, ser completamente fechado e aberto rapidamente apenas quando o equilíbrio já foi estabelecido e a medição está sendo feita).

2. Lei de radiação de Kirchhoffé uma lei física estabelecida pelo físico alemão Kirchhoff em 1859. Na formulação moderna, a lei diz o seguinte: A razão entre a emissividade de qualquer corpo e sua capacidade de absorção é a mesma para todos os corpos a uma dada temperatura para uma dada frequência e não depende de sua forma, composição química, etc.

Sabe-se que quando a radiação eletromagnética incide sobre um determinado corpo, parte dela é refletida, parte é absorvida e parte pode ser transmitida. A fração de radiação absorvida em uma dada frequência é chamada capacidade de absorção corpo . Por outro lado, cada corpo aquecido irradia energia de acordo com uma certa lei, chamada emissividade do corpo.

Os valores e podem variar muito ao passar de um corpo para outro, no entanto, de acordo com a lei de radiação de Kirchhoff, a proporção das habilidades de emissão e absorção não depende da natureza do corpo e é uma função universal de frequência ( comprimento de onda) e temperatura:

Por definição, um corpo completamente negro absorve toda a radiação que incide sobre ele, ou seja, para ele. Portanto, a função coincide com a emissividade de um corpo absolutamente negro, descrita pela lei de Stefan-Boltzmann, pelo que a emissividade de qualquer corpo pode ser encontrada com base apenas em sua capacidade de absorção.

Lei de Stefan-Boltzmann- a lei da radiação de um corpo completamente negro. Determina a dependência do poder de radiação de um corpo absolutamente negro em sua temperatura. A redação da lei: O poder de radiação de um corpo absolutamente negro é diretamente proporcional à área de superfície e à quarta potência da temperatura do corpo: P = Sεσ T 4 , onde ε é o grau de emissividade (para todas as substâncias ε< 1, для абсолютно черного тела ε = 1).

Usando a lei de Planck para radiação, a constante σ pode ser definida como onde é a constante de Planck, ké a constante de Boltzmann, cé a velocidade da luz.

Valor numérico J s −1 m −2 K −4 .

O físico alemão W. Wien (1864-1928), baseando-se nas leis da termodinâmica e da eletrodinâmica, estabeleceu a dependência do comprimento de onda l max correspondente ao máximo da função r l , T , temperatura T. De acordo com A lei do deslocamento de Wien,l max \u003d b / T

ou seja, o comprimento de onda l max correspondente ao valor máximo da densidade espectral da luminosidade da energia rl, T corpo negro é inversamente proporcional à sua temperatura termodinâmica, b- Constante de Wien: seu valor experimental é 2,9 10 -3 m K. A expressão (199,2) é, portanto, chamada de lei tendência A falha é que mostra o deslocamento da posição do máximo da função rl, Tà medida que a temperatura aumenta para a região de comprimentos de onda curtos. A lei de Wien explica por que, à medida que a temperatura dos corpos aquecidos diminui, a radiação de onda longa predomina em seu espectro (por exemplo, a transição do calor branco para o vermelho quando o metal esfria).

Apesar do fato de que as leis de Stefan - Boltzmann e Wien desempenham um papel importante na teoria da radiação térmica, são leis particulares, pois não fornecem uma imagem geral da distribuição de energia em frequências em diferentes temperaturas.

3. Deixe que as paredes desta cavidade reflitam completamente a luz que incide sobre elas. Vamos colocar na cavidade algum corpo que emitirá energia luminosa. Um campo eletromagnético surgirá dentro da cavidade e, ao final, ela será preenchida com radiação que está em estado de equilíbrio térmico com o corpo. O equilíbrio também ocorrerá no caso em que, de alguma forma, a troca de calor do corpo investigado com seu ambiente seja completamente eliminada (por exemplo, faremos esse experimento mental no vácuo, quando não houver fenômenos de condução de calor e convecção). Somente devido aos processos de emissão e absorção da luz, o equilíbrio virá necessariamente: o corpo radiante terá uma temperatura igual à temperatura da radiação eletromagnética preenchendo isotropicamente o espaço dentro da cavidade, e cada parte selecionada da superfície do corpo emitirá como muita energia por unidade de tempo que absorve. Nesse caso, o equilíbrio deve ocorrer independentemente das propriedades do corpo colocado dentro da cavidade fechada, que, no entanto, afetam o tempo que leva para estabelecer o equilíbrio. A densidade de energia do campo eletromagnético na cavidade, como será mostrado a seguir, no estado de equilíbrio é determinada apenas pela temperatura.

Para caracterizar a radiação térmica de equilíbrio, não só a densidade de energia do volume é importante, mas também a distribuição desta energia ao longo do espectro. Portanto, caracterizaremos a radiação de equilíbrio preenchendo isotropicamente o espaço dentro da cavidade usando a função você ω - densidade espectral de radiação, ou seja, a energia média de uma unidade de volume do campo eletromagnético, distribuída na faixa de frequência de ω a ω + δω e relacionada ao valor desse intervalo. Obviamente o valor vocêω deve depender significativamente da temperatura, então a denotamos você(ω, T). Densidade total de energia você(T) associado com você(ω, T) Fórmula .

Estritamente falando, o conceito de temperatura é aplicável apenas à radiação térmica de equilíbrio. No equilíbrio, a temperatura deve permanecer constante. No entanto, muitas vezes o conceito de temperatura também é usado para caracterizar corpos incandescentes que não estão em equilíbrio com a radiação. Além disso, com uma mudança lenta nos parâmetros do sistema, é possível em cada período de tempo caracterizar sua temperatura, que mudará lentamente. Assim, por exemplo, se não houver influxo de calor e a radiação for devido a uma diminuição na energia de um corpo luminoso, sua temperatura também diminuirá.

Vamos estabelecer uma conexão entre a emissividade de um corpo negro e a densidade espectral da radiação de equilíbrio. Para isso, calculamos o fluxo de energia incidente em uma unidade de área localizada dentro de uma cavidade fechada preenchida com energia eletromagnética de média densidade Uω. Deixe a radiação cair em uma área unitária na direção determinada pelos ângulos θ e ϕ (Fig. 6a) dentro do ângulo sólido dΩ:

Como a radiação de equilíbrio é isotrópica, uma fração igual à energia total que preenche a cavidade se propaga em um determinado ângulo sólido. O fluxo de energia eletromagnética que passa por uma unidade de área por unidade de tempo

Substituindo dΩ expressão e integrando sobre ϕ dentro de (0, 2π) e sobre θ dentro de (0, π/2), obtemos o fluxo total de energia incidente em uma área unitária:

É óbvio que em condições de equilíbrio é necessário equacionar a expressão (13) da emissividade de um corpo completamente negro rω , que caracteriza o fluxo de energia emitido pelo site em um intervalo de frequência unitária próximo de ω:

Assim, mostra-se que a emissividade de um corpo absolutamente negro, até um fator c/4, coincide com a densidade espectral da radiação de equilíbrio. A igualdade (14) deve ser satisfeita para cada componente espectral da radiação, portanto segue que f(ω, T)= você(ω, T) (15)

Em conclusão, destacamos que a radiação de um corpo negro absoluto (por exemplo, a luz emitida por um pequeno orifício na cavidade) não estará mais em equilíbrio. Em particular, esta radiação não é isotrópica, pois não se propaga em todas as direções. Mas a distribuição de energia sobre o espectro para tal radiação coincidirá com a densidade espectral da radiação de equilíbrio preenchendo isotropicamente o espaço dentro da cavidade. Isso possibilita o uso da relação (14), que é válida em qualquer temperatura. Nenhuma outra fonte de luz tem uma distribuição de energia semelhante em todo o espectro. Assim, por exemplo, uma descarga elétrica em gases ou um brilho sob a ação de reações químicas tem espectros que diferem significativamente do brilho de um corpo absolutamente negro. A distribuição de energia no espectro de corpos incandescentes também difere marcadamente do brilho de um corpo negro, que era maior comparando os espectros de uma fonte de luz comum (uma lâmpada incandescente com filamento de tungstênio) e um corpo negro.

4. Com base na lei da equipartição de energia em graus de liberdade: para cada oscilação eletromagnética, há uma energia média que é adicionada de duas partes kT. Uma metade é introduzida pela componente elétrica da onda e a outra metade pela componente magnética. Por si só, a radiação de equilíbrio na cavidade pode ser representada como um sistema de ondas estacionárias. O número de ondas estacionárias no espaço tridimensional é dado por:

No nosso caso, a velocidade v deve ser igual a c, além disso, duas ondas eletromagnéticas com a mesma frequência, mas com polarizações mutuamente perpendiculares, podem se mover na mesma direção, então (1) além disso deve ser multiplicado por dois:

Assim, Rayleigh e Jeans, a energia foi atribuída a cada oscilação. Multiplicando (2) por , obtemos a densidade de energia que cai no intervalo de frequência dω:

Conhecendo a relação da emissividade de um corpo completamente negro f(ω, T) com uma densidade de energia de equilíbrio de radiação térmica, para f(ω, T) encontramos: As expressões (3) e (4), são chamadas Fórmula Rayleigh-Jeans.

As fórmulas (3) e (4) concordam satisfatoriamente com os dados experimentais apenas para comprimentos de onda longos; em comprimentos de onda mais curtos, a concordância com o experimento diverge acentuadamente. Além disso, a integração (3) sobre ω na faixa de 0 a para a densidade de energia de equilíbrio você(T) dá um valor infinitamente grande. Esse resultado, chamado catástrofe ultravioleta, obviamente, está em conflito com o experimento: o equilíbrio entre a radiação e o corpo radiante deve ser estabelecido em valores finitos você(T).

catástrofe ultravioleta- um termo físico que descreve o paradoxo da física clássica, que consiste no fato de que a potência total da radiação térmica de qualquer corpo aquecido deve ser infinita. O nome do paradoxo deveu-se ao fato de que a densidade de potência espectral da radiação tinha que aumentar indefinidamente à medida que o comprimento de onda diminuía. Em essência, esse paradoxo mostrou, se não a inconsistência interna da física clássica, pelo menos uma discrepância extremamente aguda (absurda) com observações e experimentos elementares.

5. Hipótese de Planck- uma hipótese apresentada em 14 de dezembro de 1900 por Max Planck e que consiste no fato de que durante a radiação térmica, a energia é emitida e absorvida não continuamente, mas em quanta separados (porções). Cada porção quântica tem energia , proporcional à frequência ν radiação:

Onde h ou - o coeficiente de proporcionalidade, posteriormente denominado constante de Planck. Com base nessa hipótese, ele propôs uma derivação teórica da relação entre a temperatura de um corpo e a radiação emitida por esse corpo - a fórmula de Planck.

Fórmula de Planck- uma expressão para a densidade de potência espectral da radiação de um corpo negro, obtida por Max Planck. Para a densidade de energia de radiação você(ω, T):

A fórmula de Planck foi obtida depois que ficou claro que a fórmula de Rayleigh-Jeans descreve satisfatoriamente a radiação apenas na região de ondas longas. Para derivar a fórmula, Planck em 1900 assumiu que a radiação eletromagnética é emitida na forma de porções separadas de energia (quanta), cuja magnitude está relacionada à frequência de radiação pela expressão:

O coeficiente de proporcionalidade foi posteriormente chamado de constante de Planck, = 1,054 10 −27 erg s.

Para explicar as propriedades da radiação térmica, foi necessário introduzir o conceito de emissão de radiação eletromagnética em porções (quanta). A natureza quântica da radiação também é confirmada pela existência de um limite de comprimento de onda curto do espectro de bremsstrahlung.

A radiação de raios X ocorre quando alvos sólidos são bombardeados por elétrons rápidos.Aqui, o ânodo é feito de W, Mo, Cu, Pt - metais refratários pesados ​​ou de alta condutividade térmica. Apenas 1-3% da energia do elétron vai para a radiação, o restante é liberado no ânodo na forma de calor, então os ânodos são resfriados com água. Uma vez no material do ânodo, os elétrons sofrem forte desaceleração e se tornam uma fonte de ondas eletromagnéticas (raios-X).

A velocidade inicial de um elétron quando atinge o ânodo é determinada pela fórmula:

Onde vocêé a tensão de aceleração.

> Radiação perceptível é observada apenas durante uma desaceleração acentuada de elétrons rápidos, a partir de você~ 50 kV, enquanto ( Comé a velocidade da luz). Nos aceleradores de elétrons de indução - betatrons, os elétrons adquirem energia de até 50 MeV, = 0,99995 Com. Ao direcionar esses elétrons para um alvo sólido, obtemos radiação de raios X com um pequeno comprimento de onda. Esta radiação tem um alto poder de penetração. De acordo com a eletrodinâmica clássica, quando um elétron desacelera, deve aparecer radiação de todos os comprimentos de onda de zero ao infinito. O comprimento de onda no qual a potência máxima de radiação cai deve diminuir à medida que a velocidade do elétron aumenta. No entanto, há uma diferença fundamental da teoria clássica: as distribuições de potência zero não vão para a origem, mas se interrompem em valores finitos - isso é borda de comprimento de onda curto do espectro de raios-X.

Foi estabelecido experimentalmente que

A existência de um limite de comprimento de onda curto segue diretamente da natureza quântica da radiação. De fato, se a radiação surge devido à energia perdida pelo elétron durante a desaceleração, então a energia do quantum não pode exceder a energia do elétron. UE, ou seja , daqui ou .

Neste experimento, você pode determinar a constante de Planck h. De todos os métodos para determinar a constante de Planck, o método baseado na medição da borda de comprimento de onda curto do espectro de bremsstrahlung é o mais preciso.

7. Efeito de foto- esta é a emissão de elétrons de uma substância sob a influência da luz (e, em geral, qualquer radiação eletromagnética). Nas substâncias condensadas (sólidas e líquidas), distinguem-se os efeitos fotoelétricos externos e internos.

Leis do efeito fotoelétrico:

Redação 1ª lei do efeito fotoelétrico: o número de elétrons ejetados pela luz da superfície de um metal por unidade de tempo em uma dada frequência é diretamente proporcional ao fluxo de luz que ilumina o metal.

De acordo com 2ª lei do efeito fotoelétrico, a energia cinética máxima dos elétrons ejetados pela luz aumenta linearmente com a frequência da luz e não depende de sua intensidade.

3ª lei do efeito fotoelétrico: para cada substância há uma borda vermelha do efeito fotoelétrico, ou seja, a frequência mínima da luz ν 0 (ou o comprimento de onda máximo λ 0), na qual o efeito fotoelétrico ainda é possível, e se ν 0, então o efeito fotoelétrico não ocorre mais.

A explicação teórica dessas leis foi dada em 1905 por Einstein. Segundo ele, a radiação eletromagnética é um fluxo de quanta individuais (fótons) com energia hν cada, onde h é a constante de Planck. Com o efeito fotoelétrico, parte da radiação eletromagnética incidente é refletida da superfície do metal e parte penetra na camada superficial do metal e é ali absorvida. Tendo absorvido um fóton, o elétron recebe energia dele e, fazendo a função trabalho, deixa o metal: hν = Uma saída + Nós, Onde Nós- a energia cinética máxima que um elétron pode ter ao sair do metal.

Da lei da conservação da energia, quando a luz é representada na forma de partículas (fótons), segue a fórmula de Einstein para o efeito fotoelétrico: hν = Uma saída + Ek

Onde Uma saída- assim chamado. função trabalho (a energia mínima necessária para remover um elétron de uma substância), Ek é a energia cinética de um elétron emitido (dependendo da velocidade, a energia cinética de uma partícula relativística pode ser calculada ou não), ν é a frequência de um fóton incidente com energia hν, hé a constante de Planck.

Função no trabalho- a diferença entre a energia mínima (geralmente medida em elétron-volts), que deve ser transmitida a um elétron para sua remoção "direta" do volume de um corpo sólido, e a energia de Fermi.

Borda "vermelha" do efeito fotoelétrico- frequência mínima ou comprimento de onda máximo λ máximo luz, na qual o efeito fotoelétrico externo ainda é possível, ou seja, a energia cinética inicial dos fotoelétrons é maior que zero. A frequência depende apenas da função trabalho da saída. Uma saída elétron: , onde Uma saídaé a função trabalho para um fotocátodo específico, hé a constante de Planck e Comé a velocidade da luz. Função no trabalho Uma saída depende do material do fotocátodo e do estado da sua superfície. A emissão de fotoelétrons começa imediatamente, assim que a luz incide no fotocátodo com uma frequência ou comprimento de onda.

Então, o que é radiação térmica?

A radiação térmica é a radiação eletromagnética que ocorre devido à energia do movimento rotacional e vibracional de átomos e moléculas na composição de uma substância. A radiação térmica é característica de todos os corpos que têm uma temperatura superior à temperatura do zero absoluto.

A radiação térmica do corpo humano pertence à faixa infravermelha das ondas eletromagnéticas. Pela primeira vez tal radiação foi descoberta pelo astrônomo inglês William Herschel. Em 1865, o físico inglês J. Maxwell provou que a radiação infravermelha tem natureza eletromagnética e tem comprimento de onda de 760 nm até 1-2 milímetros. Na maioria das vezes, toda a faixa de radiação IR é dividida em áreas: próximo (750 nm-2.500nm), médio (2.500 nm - 50.000nm) e distante (50.000 nm-2.000.000nm).

Considere o caso em que o corpo A está localizado na cavidade B, que é limitada por uma concha refletiva ideal (impermeável à radiação) C (Fig. 1). Como resultado da reflexão múltipla da superfície interna da casca, a radiação permanecerá dentro da cavidade do espelho e será parcialmente absorvida pelo corpo A. Sob tais condições, a cavidade do sistema B - o corpo A não perderá energia, mas apenas um contínuo haverá troca de energia entre o corpo A e a radiação que preenche a cavidade B.

Figura 1. Reflexão múltipla de ondas térmicas das paredes espelhadas da cavidade B

Se a distribuição de energia permanecer inalterada para cada comprimento de onda, então o estado de tal sistema estará em equilíbrio e a radiação também estará em equilíbrio. O único tipo de radiação de equilíbrio é a térmica. Se, por algum motivo, o equilíbrio entre a radiação e o corpo mudar, esses processos termodinâmicos começarão a ocorrer que retornarão o sistema a um estado de equilíbrio. Se o corpo A começa a irradiar mais do que absorve, então o corpo começa a perder energia interna e a temperatura do corpo (como medida de energia interna) começará a cair, o que reduzirá a quantidade de energia irradiada. A temperatura do corpo cairá até que a quantidade de energia emitida se torne igual à quantidade de energia absorvida pelo corpo. Assim, um estado de equilíbrio virá.

A radiação térmica de equilíbrio tem as seguintes propriedades: homogênea (mesma densidade de fluxo de energia em todos os pontos da cavidade), isotrópica (possíveis direções de propagação são igualmente prováveis), não polarizada (direções e valores dos vetores de energia elétrica e magnética campos em todos os pontos da cavidade mudam aleatoriamente).

As principais características quantitativas da radiação térmica são:

- luminosidade de energia - esta é a quantidade de energia da radiação eletromagnética em toda a faixa de comprimento de onda da radiação térmica, que é irradiada pelo corpo em todas as direções a partir de uma unidade de área de superfície por unidade de tempo: R \u003d E / (S t), [J / (m 2 s)] \u003d [W /m 2 ] A luminosidade da energia depende da natureza do corpo, da temperatura do corpo, do estado da superfície do corpo e do comprimento de onda da radiação.

- densidade espectral de luminosidade de energia - luminosidade energética do corpo para determinados comprimentos de onda (λ + dλ) a uma determinada temperatura (T + dT): R λ,T = f(λ, T).

A luminosidade de um corpo dentro de certos comprimentos de onda é calculada integrando R λ,T = f(λ, T) para T = const:

- coeficiente de absorção - a razão entre a energia absorvida pelo corpo e a energia incidente. Portanto, se a radiação do fluxo dФ cair cair sobre o corpo, uma parte dela será refletida da superfície do corpo - dФ neg, a outra parte passará para o corpo e será parcialmente convertida em calor dФ absorvido, e o a terceira parte, após várias reflexões internas, passa pelo corpo para fora dФ pr : α = dФ absorve /dФ queda.

O coeficiente de absorção α depende da natureza do corpo absorvente, do comprimento de onda da radiação absorvida, da temperatura e do estado da superfície do corpo.

- coeficiente de absorção monocromática- coeficiente de absorção de radiação térmica de um determinado comprimento de onda a uma determinada temperatura: α λ,T = f(λ,T)

Entre os corpos existem corpos que podem absorver toda a radiação térmica de qualquer comprimento de onda que incide sobre eles. Esses corpos perfeitamente absorventes são chamados corpos completamente negros. Para eles α = 1.

Existem também corpos cinzentos para os quais α<1, но одинаковый для всех длин волн инфракрасного диапазона.

O modelo de corpo negro é uma pequena abertura da cavidade com um invólucro impermeável ao calor. O diâmetro do furo não é superior a 0,1 do diâmetro da cavidade. A uma temperatura constante, alguma energia é emitida do buraco, correspondendo à luminosidade energética de um corpo completamente negro. Mas a ABB é uma idealização. Mas as leis da radiação térmica de um corpo negro ajudam a aproximar os padrões reais.

2. Leis da radiação térmica

1. Lei de Kirchhoff. A radiação térmica é equilíbrio - quanta energia é emitida pelo corpo, tanto é absorvida por ele. Para três corpos em uma cavidade fechada, podemos escrever:

A proporção indicada será verdadeira mesmo quando um dos corpos for AF:

Porque para corpo negro αλT.
Esta é a lei de Kirchhoff: a razão entre a densidade espectral da luminosidade da energia de um corpo e seu coeficiente de absorção monocromática (a uma certa temperatura e para um certo comprimento de onda) não depende da natureza do corpo e é igual para todos os corpos de a densidade espectral da luminosidade da energia na mesma temperatura e comprimento de onda.

Consequências da lei de Kirchhoff:
1. A luminosidade da energia espectral de um corpo negro é uma função universal do comprimento de onda e da temperatura corporal.
2. A luminosidade de energia espectral do corpo negro é a maior.
3. A luminosidade da energia espectral de um corpo arbitrário é igual ao produto do seu coeficiente de absorção pela luminosidade da energia espectral de um corpo absolutamente negro.
4. Qualquer corpo a uma dada temperatura emite ondas com o mesmo comprimento de onda que emite a uma dada temperatura.

Um estudo sistemático dos espectros de vários elementos permitiu a Kirchhoff e Bunsen estabelecer uma relação inequívoca entre os espectros de absorção e emissão de gases e a individualidade dos átomos correspondentes. Assim foi proposto análise espectral, que pode ser usado para detectar substâncias cuja concentração é de 0,1 nm.

A distribuição da densidade espectral de luminosidade de energia para um corpo negro, um corpo cinza, um corpo arbitrário. A última curva possui vários máximos e mínimos, o que indica a seletividade da radiação e absorção de tais corpos.

2. Lei de Stefan-Boltzmann.
Em 1879, os cientistas austríacos Josef Stefan (experimentalmente para um corpo arbitrário) e Ludwig Boltzmann (teoricamente para um corpo negro) estabeleceram que a luminosidade total da energia em toda a faixa de comprimento de onda é proporcional à quarta potência da temperatura corporal absoluta:

3. Lei do vinho.
O físico alemão Wilhelm Wien em 1893 formulou uma lei que determina a posição da densidade espectral máxima da luminosidade de energia de um corpo no espectro de radiação de um corpo negro em função da temperatura. De acordo com a lei, o comprimento de onda λ max , que representa a densidade espectral máxima da luminosidade de energia de um corpo negro, é inversamente proporcional à sua temperatura absoluta T: λ max \u003d w / t, onde w \u003d 2,9 * 10 - 3 m K é a constante de Wien.

Assim, com o aumento da temperatura, não apenas a energia total da radiação muda, mas também a própria forma da curva de distribuição da densidade espectral da luminosidade da energia. O máximo de densidade espectral muda para comprimentos de onda mais curtos com o aumento da temperatura. Portanto, a lei de Wien é chamada de lei do deslocamento.

A lei de Wien se aplica em pirometria óptica- um método para determinar a temperatura a partir do espectro de emissão de corpos fortemente aquecidos que estão longe do observador. Foi por este método que a temperatura do Sol foi determinada pela primeira vez (para 470nm T = 6160K).

As leis apresentadas não permitiram encontrar teoricamente as equações para a distribuição da densidade espectral da luminosidade da energia em comprimentos de onda. Os trabalhos de Rayleigh e Jeans, nos quais os cientistas estudaram a composição espectral da radiação do corpo negro com base nas leis da física clássica, levaram a dificuldades fundamentais chamadas de catástrofe ultravioleta. Na faixa de ondas UV, a luminosidade energética do corpo negro deveria ter atingido o infinito, embora em experimentos tenha diminuído para zero. Esses resultados contradiziam a lei da conservação da energia.

4. A teoria de Planck. Um cientista alemão em 1900 apresentou uma hipótese de que os corpos não emitem continuamente, mas em porções separadas - quanta. A energia quântica é proporcional à frequência de radiação: E = hν = h·c/λ, onde h = 6,63*10 -34 J·s é a constante de Planck.

Guiado pelos conceitos de radiação quântica de um corpo negro, ele obteve uma equação para a densidade espectral da luminosidade de energia de um corpo negro:

Esta fórmula está de acordo com os dados experimentais em toda a faixa de comprimentos de onda em todas as temperaturas.

O sol é a principal fonte de radiação térmica na natureza. A radiação solar ocupa uma ampla faixa de comprimentos de onda: de 0,1 nm a 10 m ou mais. 99% da energia solar está na faixa de 280 a 6000 nm. Nas montanhas, de 800 a 1000 W/m 2 cai por unidade de área da superfície da Terra. Um bilionésimo do calor atinge a superfície da Terra - 9,23 J/cm 2. Para a faixa de radiação térmica de 6000 a 500000 nmé responsável por 0,4% da energia do Sol. Na atmosfera da Terra, a maior parte da radiação infravermelha é absorvida pelas moléculas de água, oxigênio, nitrogênio, dióxido de carbono. O alcance de rádio também é principalmente absorvido pela atmosfera.

A quantidade de energia que os raios do sol trazem em 1 s para uma área de 1 m², localizada fora da atmosfera terrestre a uma altitude de 82 km perpendicular aos raios do sol, é chamada de constante solar. É igual a 1,4 * 10 3 W / m 2.

A distribuição espectral da densidade de fluxo normal da radiação solar coincide com a do corpo negro a uma temperatura de 6.000 graus. Portanto, o Sol em relação à radiação térmica é um corpo negro.

3. Radiação de corpos reais e do corpo humano

A radiação térmica da superfície do corpo humano desempenha um papel importante na transferência de calor. Existem tais métodos de transferência de calor: condutividade térmica (condução), convecção, radiação, evaporação. Dependendo das condições em que uma pessoa se encontra, cada um desses métodos pode ser dominante (por exemplo, em temperaturas ambientais muito altas, o papel principal pertence à evaporação e na condução de água fria, e uma temperatura da água de 15 graus é um ambiente mortal para uma pessoa nua, e após 2-4 horas ocorrem desmaios e morte devido à hipotermia do cérebro). A participação da radiação na transferência total de calor pode ser de 75 a 25%. Em condições normais, cerca de 50% em repouso fisiológico.

A radiação térmica, que desempenha um papel na vida dos organismos vivos, é dividida em ondas curtas (de 0,3 a 3 µm) e ondas longas (de 5 a 100 mícron). A fonte de radiação de ondas curtas é o Sol e uma chama aberta, e os organismos vivos são receptores exclusivos dessa radiação. A radiação de onda longa é emitida e absorvida por organismos vivos.

O valor do coeficiente de absorção depende da proporção das temperaturas do meio e do corpo, a área de sua interação, a orientação dessas áreas e a radiação de ondas curtas - na cor da superfície. Assim, nos negros apenas 18% da radiação de ondas curtas é refletida, enquanto nas pessoas da raça branca cerca de 40% (muito provavelmente, a cor da pele dos negros na evolução não estava relacionada à transferência de calor). Para radiação de comprimento de onda longo, o coeficiente de absorção é próximo de 1.

O cálculo da transferência de calor por radiação é uma tarefa muito difícil. Para corpos reais, a lei de Stefan-Boltzmann não pode ser usada, pois eles têm uma dependência mais complexa da luminosidade da energia em relação à temperatura. Acontece que depende da temperatura, da natureza do corpo, da forma do corpo e do estado de sua superfície. Com uma mudança na temperatura, o coeficiente σ e o expoente da temperatura mudam. A superfície do corpo humano tem uma configuração complexa, uma pessoa usa roupas que alteram a radiação, o processo é afetado pela postura em que a pessoa está localizada.

Para um corpo cinza, a potência de radiação em toda a faixa é determinada pela fórmula: P = α s.t. σ T 4 S Considerando que corpos reais (pele humana, tecidos de roupas) estão próximos de corpos cinzas com certas aproximações, podemos encontrar uma fórmula para calcular o poder de radiação de corpos reais a uma certa temperatura: P = α σ T 4 S temperaturas do corpo radiante e do meio ambiente: P = α σ (T 1 4 - T 2 4) S
Existem características da densidade espectral da luminosidade de energia de corpos reais: a 310 Para, que corresponde à temperatura média do corpo humano, a radiação térmica máxima cai em 9700 nm. Qualquer mudança na temperatura do corpo leva a uma mudança no poder da radiação térmica da superfície do corpo (0,1 grau é suficiente). Portanto, o estudo das áreas da pele associadas a certos órgãos através do sistema nervoso central ajuda a identificar doenças, como resultado das quais a temperatura muda bastante ( termografia das zonas Zakharyin-Ged).

Um método interessante de massagem sem contato com um biocampo humano (Juna Davitashvili). Poder de radiação térmica da palma 0,1 ter, e a sensibilidade térmica da pele é de 0,0001 W/cm 2. Se você agir nas zonas acima mencionadas, poderá estimular reflexivamente o trabalho desses órgãos.

4. Efeito biológico e terapêutico do calor e do frio

O corpo humano emite e absorve constantemente a radiação de calor. Este processo depende da temperatura do corpo humano e do ambiente. A radiação IR máxima do corpo humano cai em 9300nm.

Em baixas e médias doses de irradiação com raios infravermelhos, os processos metabólicos são potencializados e as reações enzimáticas, os processos de regeneração e reparo são acelerados.

Como resultado da ação dos raios infravermelhos e da radiação visível, substâncias biologicamente ativas são formadas nos tecidos (bradicinina, calidina, histamina, acetilcolina, principalmente substâncias vasomotoras que desempenham um papel na implementação e regulação do fluxo sanguíneo local).

Como resultado da ação dos raios IR, os termorreceptores são ativados na pele, cujas informações entram no hipotálamo, como resultado dos vasos da pele se expandem, o volume de sangue que circula neles aumenta e a transpiração aumenta.

A profundidade de penetração dos raios infravermelhos depende do comprimento de onda, teor de umidade da pele, grau de pigmentação, etc.

O eritema vermelho aparece na pele humana sob a ação dos raios infravermelhos.

É utilizado na prática clínica para influenciar a hemodinâmica local e geral, aumentar a sudorese, relaxar os músculos, reduzir a dor, acelerar a reabsorção de hematomas, infiltrados, etc.

Em condições de hipertermia, o efeito antitumoral da radioterapia - termorradioterapia - é potencializado.

As principais indicações para o uso da terapia de infravermelho: processos inflamatórios agudos não purulentos, queimaduras e congelamento, processos inflamatórios crônicos, úlceras, contraturas, aderências, lesões das articulações, ligamentos e músculos, miosite, mialgia, neuralgia. As principais contra-indicações: tumores, inflamação purulenta, sangramento, insuficiência circulatória.

O frio é usado para parar o sangramento, aliviar a dor e tratar certas doenças de pele. O endurecimento leva à longevidade.

Sob a influência do frio, a frequência cardíaca e a pressão sanguínea diminuem e as reações reflexas são inibidas.

Em certas doses, o frio estimula a cicatrização de queimaduras, feridas purulentas, úlceras tróficas, erosões e conjuntivites.

Criobiologia- estuda os processos que ocorrem nas células, tecidos, órgãos e no corpo sob a influência de temperaturas baixas e não fisiológicas.

Usado na medicina crioterapia e hipertermia. A crioterapia inclui métodos baseados no resfriamento dosado de tecidos e órgãos. A criocirurgia (parte da crioterapia) usa o congelamento local dos tecidos para removê-los (parte da amígdala. Se todos - criotonsilectomia. Os tumores podem ser removidos, por exemplo, pele, colo do útero, etc.) corpos para um bisturi congelado ) - separação do órgão da peça.

Com a hipertermia, é possível preservar as funções dos órgãos in vivo por algum tempo. A hipotermia com a ajuda de anestesia é usada para preservar a função dos órgãos na ausência de suprimento sanguíneo, pois o metabolismo nos tecidos diminui. Os tecidos tornam-se resistentes à hipóxia. Aplique anestesia fria.

O efeito do calor é realizado usando lâmpadas incandescentes (lâmpada Minin, solux, banho de luz-térmica, lâmpada de raios IR) usando meios físicos com alta capacidade térmica, baixa condutividade térmica e boa capacidade de retenção de calor: lama, parafina, ozocerita, naftaleno, etc

5. Fundamentos físicos da termografia. Termovisores

A termografia, ou imagem térmica, é um método de diagnóstico funcional baseado no registro da radiação infravermelha do corpo humano.

Existem 2 tipos de termografia:

- termografia colestérica de contato: o método utiliza as propriedades ópticas dos cristais líquidos colestéricos (misturas multicomponentes de ésteres e outros derivados do colesterol). Tais substâncias refletem seletivamente diferentes comprimentos de onda, o que possibilita a obtenção de imagens do campo térmico da superfície do corpo humano nos filmes dessas substâncias. Um fluxo de luz branca é direcionado para o filme. Diferentes comprimentos de onda refletem diferentemente do filme, dependendo da temperatura da superfície na qual o colestérico é depositado.

Sob a influência da temperatura, os colestéricos podem mudar de cor de vermelho para roxo. Como resultado, é formada uma imagem colorida do campo térmico do corpo humano, que é fácil de decifrar, conhecendo a dependência temperatura-cor. Existem colestéricos que permitem corrigir uma diferença de temperatura de 0,1 graus. Assim, é possível determinar os limites do processo inflamatório, os focos de infiltração inflamatória em diferentes estágios de seu desenvolvimento.

Em oncologia, a termografia permite detectar nódulos metastáticos com diâmetro de 1,5-2 milímetros na glândula mamária, pele, glândula tireóide; em ortopedia e traumatologia, avaliar a irrigação sanguínea de cada segmento do membro, por exemplo, antes da amputação, antecipar a profundidade da queimadura, etc.; em cardiologia e angiologia para detectar violações do funcionamento normal do sistema cardiovascular, distúrbios circulatórios em caso de doença de vibração, inflamação e bloqueio de vasos sanguíneos; varizes, etc.; em neurocirurgia, determinar a localização dos focos de dano de condução nervosa, confirmar a localização da neuroparalisia causada por apoplexia; em obstetrícia e ginecologia para determinar a gravidez, localização do local da criança; diagnosticar uma ampla gama de processos inflamatórios.

- Teletermografia - baseia-se na transformação da radiação infravermelha do corpo humano em sinais elétricos que são gravados na tela de um termovisor ou outro dispositivo de gravação. O método é sem contato.

A radiação IR é percebida por um sistema de espelhos, após o qual os raios IR são direcionados para um receptor de ondas IR, cuja parte principal é um detector (fotorresistência, bolômetro de metal ou semicondutor, termoelemento, indicador fotoquímico, conversor óptico-eletrônico, piezoelétrico detectores, etc.).

Os sinais elétricos do receptor são transmitidos para o amplificador e, em seguida, para o dispositivo de controle, que serve para mover os espelhos (varredura de objetos), aquecer a fonte de luz do ponto TIS (em proporção à radiação térmica) e mover o filme. Cada vez que o filme é iluminado com TIS de acordo com a temperatura corporal no local do estudo.

Após o dispositivo de controle, o sinal pode ser transmitido para um sistema de computador com um display. Isso permite memorizar termogramas e processá-los com a ajuda de programas analíticos. Oportunidades adicionais são fornecidas por termovisores coloridos (cores próximas à temperatura devem ser marcadas com cores contrastantes) e isotérmicas podem ser desenhadas.

Muitas empresas reconheceram recentemente o fato de que às vezes é bastante difícil “alcançar” um cliente em potencial, seu campo de informações é tão carregado com vários tipos de mensagens publicitárias que simplesmente deixam de ser percebidas.
As vendas ativas por telefone estão se tornando uma das maneiras mais eficazes de aumentar as vendas em pouco tempo. As chamadas frias visam atrair clientes que não se inscreveram anteriormente em um produto ou serviço, mas por vários fatores são clientes em potencial. Tendo discado o número de telefone, o gerente de vendas ativo deve entender claramente o objetivo da chamada fria. Afinal, as conversas telefônicas exigem habilidade e paciência especiais do gerente de vendas, além de conhecimento da técnica e metodologia de negociação.

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EMISSÃO E ABSORÇÃO DE ENERGIA

ÁTOMOS E MOLÉCULAS

PERGUNTAS PARA A LIÇÃO SOBRE O ASSUNTO:

1. Radiação térmica. Suas principais características: fluxo de radiação Ф, luminosidade de energia (intensidade) R, densidade espectral de luminosidade de energia r λ ; coeficiente de absorção α, coeficiente de absorção monocromático α λ. Corpo completamente preto. Lei de Kirchhoff.

2. Espectros de radiação térmica de um ACh.T. (cronograma). Natureza quântica da radiação térmica (hipótese de Planck; não há necessidade de memorizar a fórmula para ε λ). A dependência do espectro do A.Ch.T. na temperatura (gráfico). Lei do Vinho. Lei de Stefan-Boltzmann para a.ch.t. (sem saída) e para outros corpos.

3. A estrutura das camadas eletrônicas dos átomos. Níveis de energia. Emissão de energia durante as transições entre níveis de energia. Fórmula de Bohr ( para frequência e para comprimento de onda). Espectro de átomos. O espectro do átomo de hidrogênio. Série espectral. Conceito geral dos espectros de moléculas e meios condensados ​​(líquidos, sólidos). O conceito de análise espectral e seu uso na medicina.

4. Luminescência. Tipos de luminescência. Fluorescência e fosforescência. O papel dos níveis metaestáveis. Espectros de luminescência. Regra de Stokes. Análise luminescente e seu uso na medicina.

5. A lei da absorção da luz (lei de Bouguer; conclusão). Transmitância τ e densidade ótica D. Determinação da concentração de soluções por absorção de luz.

Trabalho de laboratório: "tirar o espectro de absorção e determinar a concentração da solução usando um fotoeletrocolorímetro".

LITERATURA:

Obrigatório: A. N. Remizov. "Física médica e biológica", M., "Higher School", 1996, cap. 27, §§ 1–3; cap.29, §§ 1,2

• adicional: Emissão e absorção de energia por átomos e moléculas, palestra, risografia, ed. departamentos, 2002

DEFINIÇÕES BÁSICAS E FÓRMULA

1. Radiação térmica

Todos os corpos, mesmo sem qualquer influência externa, emitem ondas eletromagnéticas. A fonte de energia para esta radiação é o movimento térmico das partículas que compõem o corpo, por isso é chamado de radiação térmica. Em altas temperaturas (da ordem de 1000 K ou mais) essa radiação cai parcialmente na faixa de luz visível, em temperaturas mais baixas são emitidos raios infravermelhos e em temperaturas muito baixas são emitidas ondas de rádio.

Fluxo de radiação Ф - isto é potência da radiação emitida pela fonte, ou energia de radiação emitida por unidade de tempo: F \u003d P \u003d; unidade de fluxo - watt.

Luminosidade energética R - isto é fluxo de radiação que é emitido de uma superfície unitária do corpo: ; unidade de luminosidade de energia - W.m –2 .

Densidade espectral de luminosidade de energia r λ - isto é a razão da luminosidade da energia do corpo dentro de um pequeno intervalo de comprimentos de onda (ΔR λ ) ao valor deste intervalo Δ λ:

Dimensão r λ – W.m - 3

Corpo absolutamente preto (a.ch.t.) chamado t a árvore quetotalmente absorve a radiação incidente. Não existem tais corpos na natureza, mas um bom modelo de A.Ch.T. é uma pequena abertura em uma cavidade fechada.

A capacidade dos corpos de absorver a radiação incidente caracteriza coeficiente de absorção α , isso é a razão entre o fluxo de radiação absorvida e o incidente: .

Coeficiente de absorção monocromáticaé o valor do coeficiente de absorção, medido em um estreito intervalo espectral em torno de um certo valor de λ.

Lei de Kirchhoff: a temperatura constante, a razão entre a densidade espectral da luminosidade da energia em um determinado comprimento de onda e o coeficiente de absorção monocromática no mesmo comprimento de onda o mesmo para todos os corpos e é igual à densidade espectral da luminosidade da energia do A.Ch.T. neste comprimento de onda:

(às vezes r λ A.Ch.T denota ε λ)

Um corpo negro absorve e emite radiação todos os comprimentos de onda,é por isso Espectro A.Ch.T. sempre sólido. O tipo deste espectro depende da temperatura corporal. Com o aumento da temperatura, em primeiro lugar, a luminosidade da energia aumenta significativamente; Em segundo lugar, comprimento de onda correspondente à radiação máxima(λ máximo ) , desloca para comprimentos de onda mais curtos :, onde b ≈ 29090 µm.K -1 ( lei de Viena).

Lei de Stefan-Boltzmann: luminosidade de energia do a.ch.t. proporcional à quarta potência da temperatura corporal na escala Kelvin: R = σT 4

2. Emissão de energia por átomos e moléculas

Como se sabe, na camada eletrônica de um átomo, a energia de um elétron pode assumir apenas valores estritamente definidos, característicos de um determinado átomo. Em outras palavras, eles dizem Um elétron só pode estar localizado emníveis de energia. Quando um elétron está em um determinado nível de energia, ele não altera sua energia, ou seja, não absorve ou emite luz. Ao passar de um nível para outro a energia do elétron muda, e ao mesmo tempo absorvido ou emitidoquantum de luz (fóton).A energia quântica é igual à diferença de energia entre os níveis entre os quais ocorre a transição: E QUANTUM = hν = E n – E m onde n e m são os números de nível (fórmula de Bohr).

Transições de elétrons entre diferentes níveisocorrem com diferentes probabilidades. Em alguns casos a probabilidade de transição é muito próxima de zero; as linhas espectrais correspondentes não são observadas em condições normais. Essas transições são chamadas Entrada.

Em muitos casos, a energia de um elétron pode não ser convertida na energia de um quantum, mas pode ser convertida na energia do movimento térmico de átomos ou moléculas. Essas transições são chamadas não radiativo.

Além da probabilidade de transição, o brilho das linhas espectrais é diretamente proporcional ao número de átomos da substância emissora. Essa dependência está subjacente análise espectral quantitativa.
3. Luminescência

Luminescência ligue para qualquer não radiação térmica. As fontes de energia para esta radiação podem ser diferentes, respectivamente, elas falam sobre diferentes tipos de luminescência. Os mais importantes deles são: quimioluminescência- brilho que ocorre durante certas reações químicas; bioluminescênciaé quimioluminescência em organismos vivos; catodoluminescência - brilham sob a influência de um fluxo de elétrons, que é usado em cinescópios de TV, tubos de raios catódicos, lâmpadas de luz a gás, etc.; eletroluminescência- brilho que ocorre em um campo elétrico (mais frequentemente em semicondutores). O tipo mais interessante de luminescência é fotoluminescência. Este é um processo no qual átomos ou moléculas absorvem luz (ou radiação UV) em uma faixa de comprimento de onda e emitem em outra (por exemplo, absorvem raios azuis e emitem amarelos). Neste caso, a substância absorve quanta com uma energia relativamente alta hν 0 (com um pequeno comprimento de onda). Além disso, o elétron pode não retornar imediatamente ao nível fundamental, mas primeiro ir para o nível intermediário e depois para o nível fundamental (pode haver vários níveis intermediários). Na maioria dos casos, algumas das transições são não radiativas, ou seja, a energia do elétron é convertida em energia do movimento térmico. Portanto, a energia dos fótons emitidos durante a luminescência será menor que a energia do fóton absorvido. O comprimento de onda da luz emitida deve ser maior que o comprimento de onda da luz absorvida. Se formularmos o que foi dito de uma forma geral, obtemos lei Stokes : o espectro de luminescência é deslocado para comprimentos de onda mais longos em relação ao espectro de radiação que causa a luminescência.

As substâncias luminescentes são de dois tipos. Em alguns, o brilho pára quase instantaneamente depois de desligar a luz excitante. Tal curto prazo o brilho é chamado fluorescência.

Em substâncias de outro tipo, depois que a luz de excitação é desligada, o brilho desaparece gradualmente(de acordo com a lei exponencial). Tal prolongado o brilho é chamado fosforescência. A razão para o brilho longo é que os átomos ou moléculas de tais substâncias contêm níveis metaestáveis.Metaestável Este nível de energia é chamado onde os elétrons podem ficar muito mais tempo do que em níveis comuns. Portanto, a duração da fosforescência pode ser de minutos, horas e até dias.
4. Lei de absorção de luz (lei de Bouguer)

Quando um fluxo de radiação passa por uma substância, ela perde parte de sua energia (a energia absorvida é convertida em calor). A lei da absorção da luz é chamada Lei de Booger: F = F 0 ∙ e – κ λ · eu ,

onde Ф 0 é o fluxo incidente, Ф é o fluxo que passou por uma camada de matéria de espessura L; coeficiente κ λ é chamado natural Taxa de absorção ( seu valor depende do comprimento de onda) . Para cálculos práticos, eles preferem usar logaritmos decimais em vez de logaritmos naturais. Então a lei de Bouguer toma a forma: Ф = Ф 0 ∙ 10 – k λ ∙ L ,

onde k λ – decimal Taxa de absorção.

transmitância chame a quantidade

Densidade óptica D - é o valor definido pela equação: . Pode-se dizer de outra forma: a densidade óptica D é o valor que está no expoente na fórmula da lei de Bouguer: D = k λ ∙ L

Para soluções da maioria das substâncias densidade óptica é diretamente proporcional à concentração do soluto:D = χ λ ∙ C∙ eu ;

coeficiente χ λ é chamado taxa de absorção molar(se a concentração for em mols) ou taxa de absorção específica(se a concentração estiver em gramas). Da última fórmula obtemos: Ф = Ф 0 ∙10 - χ λ ∙ C ∙ eu(lei Bugera - Bera)

Essas fórmulas formam a base das mais comuns em laboratórios clínicos e bioquímicos método para determinar as concentrações de substâncias dissolvidas pela absorção de luz.

PROBLEMA DE TIPO DE APRENDIZAGEM COM SOLUÇÕES

(Daqui em diante, por brevidade, simplesmente escrevemos “tarefas de treinamento”)

Tarefa de aprendizagem nº 1

O aquecedor elétrico (radiador) emite um fluxo de raios infravermelhos de 500 W. Área de superfície do radiador 3300 cm 2 . Encontre a energia emitida pelo radiador em 1 hora e a luminosidade energética do radiador.

Dado: Achar

Ф = 500 W W e R

t = 1 hora = 3600 s

S \u003d 3300 cm 2 \u003d 0,33 m 2

Solução:

O fluxo de radiação Ф é a potência de radiação ou energia emitida por unidade de tempo: . Daqui

W \u003d F t \u003d 500 W 3600 s \u003d 18 10 5 J \u003d 1800 kJ

Tarefa de aprendizagem nº 2

Em que comprimento de onda a radiação térmica da pele humana é máxima (ou seja, r λ = max)? A temperatura da pele nas partes expostas do corpo (rosto, mãos) é de cerca de 30 o C.

Dado: Achar:

T \u003d 30 ° C \u003d 303 K λ max

Solução:

Substituímos os dados na fórmula Win:,

isto é, quase toda a radiação encontra-se na faixa IR do espectro.

Tarefa de aprendizagem nº 3

O elétron está no nível de energia com uma energia de 4,7,10 -19 J

Quando irradiado com luz com comprimento de onda de 600 nm, ele se moveu para um nível com maior energia. Encontre a energia deste nível.

Solução:

Tarefa de aprendizagem nº 4

O valor decimal da absorção de água para a luz solar é 0,09 m -1 . Que fração de radiação atingirá a profundidade L = 100 m?

Dado Achar:

k \u003d 0,09 m - 1

Solução:

Vamos escrever a lei de Bouguer: . A fração de radiação que atinge a profundidade L é obviamente,

ou seja, um bilionésimo da luz solar atingirá uma profundidade de 100 m.
Tarefa de aprendizagem nº 5

A luz passa por dois filtros em série. A primeira densidade óptica D1 = 0,6; o segundo D 2 = 0,4. Que porcentagem do fluxo de radiação passará por este sistema?

Dado: Encontrar:

D 1 \u003d 0,6 (em%%)

Solução:

Começamos a solução com um desenho deste sistema

SF-1 SF-2

Encontramos F 1: F 1 \u003d F 0 10 - D 1

Da mesma forma, o fluxo que passa pelo segundo filtro de luz é:

F 2 \u003d F 1 10 - D 2 \u003d F 0 10 - D 1 10 - D 2 \u003d F 0 10 - (D 1 + D 2)

O resultado obtido tem um significado geral: se a luz passa sequencialmente através de um sistema de vários objetos,a densidade óptica total será igual à soma das densidades ópticas desses objetos .

Sob as condições de nossa tarefa, o fluxo Ф 2 = 100% ∙ 10 - (0,6 + 0,4) = 100% ∙ 10 - 1 = 10% passará pelo sistema de dois filtros de luz

Tarefa de aprendizagem nº 6

De acordo com a lei Bouguer-Beer, pode-se, em particular, determinar a concentração de DNA. Na região do visível, as soluções de ácido nucleico são transparentes, mas absorvem fortemente na parte UV do espectro; o máximo de absorção situa-se em torno de 260 nm. Obviamente, é nesta região do espectro que deve ser medida a absorção de radiação; enquanto a sensibilidade e a precisão da medição serão as melhores.

Condições do problema: ao medir a absorção de raios UV com comprimento de onda de 260 nm por uma solução de DNA, o fluxo de radiação transmitido foi atenuado em 15%. O comprimento do caminho do feixe em uma cubeta com uma solução "x" é de 2 cm. O índice de absorção molar (decimal) para DNA em um comprimento de onda de 260 nm é 1,3,10 5 mol - 1,cm 2 Encontre a concentração de DNA na solução.

Dado:

Ф 0 = 100%; F = 100% - 15% = 85% Achar: Com DNA

x = 2cm; λ = 260 nm

χ 260 \u003d 1.3.10 5 mol -1.cm 2

Solução:

(nós “invertemos” a fração para nos livrarmos do expoente negativo). . Agora logaritmos: , e ; substituto:

0,07 e C \u003d 2,7,10 - 7 mol / cm 3

Preste atenção à alta sensibilidade do método!

TAREFAS PARA SOLUÇÃO INDEPENDENTE
Ao resolver problemas, pegue os valores das constantes:

b = 2900 µm.K; σ \u003d 5.7.10 - 8 W.K 4; h \u003d 6.6.10 - 34 J.s; c = 3,10 8 ms -1

1. Qual é a luminosidade da energia da superfície do corpo humano, se a radiação máxima cai no comprimento de onda de 9,67 mícrons? A pele pode ser considerada um corpo completamente preto.

2. As duas lâmpadas são exatamente do mesmo desenho, exceto que em uma o filamento é feito de tungstênio puro (α = 0,3), e na outra é coberto com preto platina (α = 0,93). Qual lâmpada tem o maior fluxo radiante? Quantas vezes?

3. Em que regiões do espectro estão os comprimentos de onda correspondentes à densidade espectral máxima de luminosidade da energia, se a fonte de radiação for: a) uma espiral de uma lâmpada elétrica (T = 2.300 K); b) a superfície do Sol (T = 5800 K); c) a superfície da bola de fogo de uma explosão nuclear no momento em que sua temperatura é de cerca de 30.000 K? A diferença nas propriedades dessas fontes de radiação de A.Ch.T. negligência.

4. Um corpo de metal quente, cuja superfície é de 2,10 - 3 m 2, a uma temperatura superficial de 1000 K, irradia um fluxo de 45,6. ter Qual é o coeficiente de absorção da superfície desse corpo?

5. A lâmpada tem uma potência de 100W. A área de superfície do filamento é de 0,5,10 - 4 m 2. A temperatura do filamento é de 2.400 K. Qual é o coeficiente de absorção da superfície do filamento?

6. A uma temperatura da pele de 27 0 C, são emitidos 0,454 watts de cada centímetro quadrado da superfície do corpo. É possível (com uma precisão não inferior a 2%) considerar a pele como um corpo absolutamente negro?

7. No espectro de uma estrela azul, a radiação máxima corresponde a um comprimento de onda de 0,3 mícron. Qual é a temperatura da superfície desta estrela?

8. Que energia um corpo com uma superfície de 4.000 cm 2 irradia em uma hora?

a uma temperatura de 400 K, se o coeficiente de absorção do corpo for 0,6?

9. A placa (A) tem uma área de superfície de 400 cm 2 ; seu coeficiente de absorção é 0,4. Outra placa (B) com área de 200 cm 2 tem um coeficiente de absorção de 0,2. A temperatura das placas é a mesma. Qual placa irradia mais energia e em quanto?

10 – 16. Análise espectral qualitativa. Com base no espectro de absorção de um dos compostos orgânicos cujos espectros

são mostrados na figura, determine quais grupos funcionais fazem parte de uma determinada substância, Use os dados da tabela:

Grupo; Tipo de conexão	Comprimentos de onda absorvidos, µm	Grupo, tipo de conexão	absorvivel comprimentos de onda, µm
-ELE	2,66 – 2,98	-NH4	7,0 – 7,4
-NH	2,94 – 3,0	-SH	7,76
 CH	3,3	-CF	8,3
-N  N	4,67	-NH2	8,9
-C=N	5,94	-NÃO	12,3
-N=N	6,35	-SO2	19,2
-CN 2	6,77	-C=O	23,9

10 - gráfico a); 11 - gráfico b); 12 - gráfico c); 13 - gráfico d);

14 - gráfico e); 15 - gráfico e); 16 - gráfico g).

Preste atenção em qual valor em seu gráfico é plotado ao longo do eixo vertical!

17. A luz passa sucessivamente por dois filtros de luz com transmitâncias de 0,2 e 0,5. Que porcentagem da radiação sairá de tal sistema?

18. A luz passa sucessivamente por dois filtros com densidades ópticas de 0,7 e 0,4. Que porcentagem de radiação passará por tal sistema?

19. Para proteger contra a radiação luminosa de uma explosão nuclear, são necessários óculos que atenuem a luz em pelo menos um milhão de vezes. O vidro do qual eles querem fazer esses vidros com uma espessura de 1 mm tem uma densidade óptica de 3. Qual a espessura do vidro para obter o resultado desejado?

20 Para proteger os olhos ao trabalhar com um laser, é necessário que um fluxo de radiação não superior a 0,0001% do fluxo criado pelo laser possa entrar no olho. Que densidade óptica os óculos devem ter para garantir a segurança?

Tarefa geral para tarefas 21 - 28 (análise quantitativa):

A figura mostra os espectros de absorção de soluções coloridas de algumas substâncias. Além disso, as tarefas indicam os valores D (densidade óptica da solução em um comprimento de onda correspondente à absorção máxima de luz) e X(espessura da célula). Encontre a concentração da solução.

Preste atenção às unidades em que o valor de absorbância é indicado em seu gráfico.

21. Gráfico a). D = 0,8 x = 2 cm

22. Gráfico b). D = 1,2 x = 1 cm

... 23. Anexo c). D = 0,5 x = 4 cm

24. Gráfico d). D = 0,25 x = 2 cm

25 Gráfico e). D = 0,4 x = 3 cm

26. Gráfico e) D = 0,9 x = 1 cm

27. Gráfico g). D = 0,2 x = 2 cm