Luminosité énergétique. Capacités émissives et absorbantes. Corps noir pur

Luminosité énergétique du corps- - une grandeur physique fonction de la température et numériquement égale à l'énergie émise par un corps par unité de temps à partir d'une unité de surface dans toutes les directions et sur tout le spectre de fréquences. J/s m²=W/m²

Densité spectrale de luminosité énergétique- une fonction de fréquence et de température caractérisant la répartition de l'énergie du rayonnement sur tout le spectre des fréquences (ou longueurs d'onde). , Une fonction similaire peut être écrite en termes de longueur d'onde

On peut prouver que les densités spectrales de luminosité énergétique, exprimées en termes de fréquence et de longueur d'onde, sont liées par la relation :

Corps absolument noir- une idéalisation physique utilisée en thermodynamique, un corps qui absorbe tout rayonnement électromagnétique incident sur lui dans toutes les gammes et ne réfléchit rien. Malgré son nom, un corps complètement noir peut lui-même émettre un rayonnement électromagnétique de n'importe quelle fréquence et avoir visuellement une couleur. Le spectre de rayonnement d'un corps absolument noir est déterminé uniquement par sa température.

L'importance d'un corps absolument noir dans la question du spectre de rayonnement thermique de tout corps (gris et coloré) en général, outre le fait qu'il représente le cas le plus simple et non trivial, réside également dans le fait que la question du spectre de rayonnement thermique d'équilibre de corps de n'importe quelle couleur et coefficient de réflexion est réduit par les méthodes de la thermodynamique classique à la question du rayonnement d'un corps absolument noir (et historiquement cela se faisait déjà à la fin du 19e siècle, lorsque le problème du rayonnement d'un corps absolument noir est apparu).

Les corps absolument noirs n'existent pas dans la nature, c'est pourquoi en physique, un modèle est utilisé pour les expériences. C'est une cavité fermée avec un petit trou. La lumière entrant par ce trou sera, après des réflexions répétées, complètement absorbée et l’extérieur du trou apparaîtra complètement noir. Mais lorsque cette cavité est chauffée, elle va développer son propre rayonnement visible. Étant donné que le rayonnement émis par les parois internes de la cavité, avant de sortir (après tout, le trou est très petit), dans l'écrasante majorité des cas, il subira grande quantité de nouvelles absorptions et émissions, nous pouvons alors affirmer avec certitude que le rayonnement à l'intérieur de la cavité est en équilibre thermodynamique avec les parois. (En fait, le trou n'est pas du tout important pour ce modèle, il suffit de souligner l'observabilité fondamentale du rayonnement à l'intérieur ; le trou peut, par exemple, être complètement fermé, et rapidement ouvert uniquement lorsque l'équilibre a déjà été établi. et la mesure est en cours).

2. Loi des radiations de Kirchhoff- une loi physique établie par le physicien allemand Kirchhoff en 1859. Dans sa formulation moderne, la loi se lit comme suit : Le rapport entre l'émissivité de tout corps et sa capacité d'absorption est le même pour tous les corps à une température donnée et pour une fréquence donnée et ne dépend pas de leur forme, composition chimique et ainsi de suite.

On sait que lorsqu'un rayonnement électromagnétique tombe sur un certain corps, une partie est réfléchie, une partie est absorbée et une partie peut être transmise. La fraction de rayonnement absorbée à une fréquence donnée est appelée capacité d'absorption corps. D'un autre côté, tout corps chauffé émet de l'énergie selon une loi appelée émissivité du corps.

Les valeurs de et peuvent varier considérablement lors du passage d'un corps à un autre, cependant, selon la loi du rayonnement de Kirchhoff, le rapport des capacités d'émission et d'absorption ne dépend pas de la nature du corps et est une fonction universelle de la fréquence ( longueur d'onde) et température :

Par définition, un corps absolument noir absorbe tous les rayonnements qui lui parviennent, c'est-à-dire pour lui. Par conséquent, la fonction coïncide avec l'émissivité d'un corps absolument noir, décrite par la loi de Stefan-Boltzmann, grâce à laquelle l'émissivité de tout corps peut être déterminée uniquement sur la base de sa capacité d'absorption.

Loi de Stefan-Boltzmann- la loi du rayonnement du corps noir. Détermine la dépendance de la puissance de rayonnement d'un corps absolument noir sur sa température. Énoncé de la loi : La puissance de rayonnement d'un corps absolument noir est directement proportionnelle à la surface et à la quatrième puissance de la température corporelle : P. = Sεσ T 4, où ε est le degré d'émissivité (pour toutes les substances ε< 1, для абсолютно черного тела ε = 1).

En utilisant la loi de Planck pour le rayonnement, la constante σ peut être définie comme où est la constante de Planck, k - Constante de Boltzmann, c- vitesse de la lumière.

Valeur numérique J s −1 m −2 K −4.

Le physicien allemand W. Wien (1864-1928), s'appuyant sur les lois de la thermo- et de l'électrodynamique, établit la dépendance de la longueur d'onde l max correspondant au maximum de la fonction r l , T , sur la température T. Selon Loi de déplacement de Wien,lmax =b/T

soit la longueur d'onde l max correspondant à la valeur maximale de la densité spectrale de luminosité énergétique r l , T corps noir, est inversement proportionnelle à sa température thermodynamique, b- Constante de Wien : sa valeur expérimentale est de 2,9 10 -3 m K. L'expression (199,2) est donc appelée la loi compensations Le défaut est qu'il montre un décalage dans la position du maximum de la fonction r l , Tà mesure que la température augmente dans la région des courtes longueurs d’onde. La loi de Wien explique pourquoi, à mesure que la température des corps chauffés diminue, le rayonnement à ondes longues domine de plus en plus dans leur spectre (par exemple, la transition de la chaleur blanche à la chaleur rouge lorsqu'un métal refroidit).

Bien que les lois de Stefan-Boltzmann et de Wien jouent un rôle important dans la théorie du rayonnement thermique, ce sont des lois particulières, car elles ne donnent pas une image générale de la distribution de fréquence de l'énergie à différentes températures.

3. Laissez les parois de cette cavité refléter complètement la lumière qui tombe sur elles. Plaçons un corps dans la cavité qui émettra de l'énergie lumineuse. Un champ électromagnétique apparaîtra à l’intérieur de la cavité et, finalement, elle sera remplie de rayonnement en état d’équilibre thermique avec le corps. L'équilibre se produira également dans le cas où d'une manière ou d'une autre l'échange de chaleur du corps étudié avec son environnement est complètement éliminé (par exemple, nous réaliserons cette expérience mentale dans le vide, lorsqu'il n'y a pas de phénomène de conductivité thermique et convection). Ce n'est que par les processus d'émission et d'absorption de la lumière que l'équilibre se produira nécessairement : le corps émetteur aura une température égal à la température le rayonnement électromagnétique remplit de manière isotrope l'espace à l'intérieur de la cavité, et chaque partie sélectionnée de la surface du corps émettra autant d'énergie par unité de temps qu'elle en absorbe. Dans ce cas, l’équilibre doit se produire quelles que soient les propriétés du corps placé à l’intérieur d’une cavité fermée, qui influencent cependant le temps nécessaire pour établir l’équilibre. La densité d'énergie du champ électromagnétique dans la cavité, comme cela sera montré ci-dessous, en état d'équilibre est déterminée uniquement par la température.

Pour caractériser le rayonnement thermique à l'équilibre, non seulement la densité volumétrique d'énergie est importante, mais également la répartition de cette énergie sur le spectre. Par conséquent, nous caractériserons le rayonnement d’équilibre remplissant de manière isotrope l’espace à l’intérieur de la cavité en utilisant la fonction toi ω - spectral densité de rayonnement, c'est-à-dire l'énergie moyenne par unité de volume du champ électromagnétique, distribuée dans l'intervalle de fréquence de ω à ω + δω et liée à la valeur de cet intervalle. évidemment le sens toiω devrait dépendre significativement de la température, nous le notons donc toi(ω, T). Densité énergétique totale U(T) associé à toi(ω, T) formule.

À proprement parler, la notion de température ne s'applique qu'au rayonnement thermique d'équilibre. Dans des conditions d'équilibre, la température doit rester constante. Cependant, la notion de température est souvent également utilisée pour caractériser des corps incandescents qui ne sont pas en équilibre avec le rayonnement. De plus, avec une évolution lente des paramètres du système, à tout moment donné, il est possible de caractériser sa température, qui évoluera lentement. Ainsi, par exemple, s'il n'y a pas d'afflux de chaleur et que le rayonnement est dû à une diminution de l'énergie du corps lumineux, alors sa température diminuera également.

Établissons un lien entre l'émissivité d'un corps complètement noir et la densité spectrale du rayonnement d'équilibre. Pour ce faire, calculons le flux d'énergie incident sur une seule zone située à l'intérieur d'une cavité fermée remplie d'énergie électromagnétique de densité moyenne. U ω . Laissez le rayonnement tomber sur une unité de surface dans la direction déterminée par les angles θ et ϕ (Fig. 6a) à l'intérieur de l'angle solide dΩ :

Le rayonnement d’équilibre étant isotrope, une fraction se propageant dans un angle solide donné est égale à l’énergie totale remplissant la cavité. Flux d'énergie électromagnétique traversant une unité de surface par unité de temps

Remplacement dΩ expression et en intégrant sur ϕ dans les limites (0, 2π) et sur θ dans les limites (0, π/2), on obtient le flux d'énergie total incident sur une unité de surface :

Évidemment, dans des conditions d'équilibre, il est nécessaire d'assimiler l'expression (13) de l'émissivité d'un corps absolument noir rω, caractérisant le flux d'énergie émis par la plateforme dans un intervalle de fréquence unitaire proche de ω :

Ainsi, il est montré que l'émissivité d'un corps complètement noir, jusqu'à un facteur c/4, coïncide avec la densité spectrale du rayonnement d'équilibre. L'égalité (14) doit être satisfaite pour chaque composante spectrale du rayonnement, il s'ensuit donc que F(ω, T)= toi(ω, T) (15)

En conclusion, soulignons que le rayonnement d'un corps noir absolu (par exemple la lumière émise par un petit trou dans une cavité) ne sera plus en équilibre. En particulier, ce rayonnement n'est pas isotrope, puisqu'il ne se propage pas dans toutes les directions. Mais la distribution d'énergie sur le spectre d'un tel rayonnement coïncidera avec la densité spectrale du rayonnement d'équilibre remplissant de manière isotrope l'espace à l'intérieur de la cavité. Cela nous permet d'utiliser la relation (14), qui est valable à n'importe quelle température. Aucune autre source lumineuse n’a une distribution d’énergie similaire sur tout le spectre. Par exemple, une décharge électrique dans des gaz ou une lueur sous l'influence de réactions chimiques ont des spectres très différents de la lueur d'un corps absolument noir. La répartition de l'énergie sur le spectre des corps incandescents diffère également sensiblement de la lueur d'un corps absolument noir, qui était plus élevée en comparant les spectres d'une source lumineuse commune (lampes à incandescence avec un filament de tungstène) et d'un corps absolument noir.

4. Basé sur la loi d'équidistribution de l'énergie sur les degrés de liberté : pour chaque oscillation électromagnétique il existe, en moyenne, une énergie qui est la somme de deux parties kT. Une moitié est apportée par la composante électrique de l’onde et la seconde par la composante magnétique. En soi, le rayonnement d’équilibre dans une cavité peut être représenté comme un système d’ondes stationnaires. Le nombre d’ondes stationnaires dans l’espace tridimensionnel est donné par :

Dans notre cas, la vitesse v devrait être égal à c, de plus, deux ondes électromagnétiques de même fréquence, mais de polarisations mutuellement perpendiculaires, peuvent se déplacer dans la même direction, alors (1) en plus doit être multiplié par deux :

Ainsi, Rayleigh et Jeans, de l'énergie a été attribuée à chaque vibration. En multipliant (2) par , on obtient la densité d'énergie qui tombe sur l'intervalle de fréquence dω :

Connaître la relation entre l'émissivité d'un corps complètement noir F(ω, T) avec densité d'équilibre de l'énergie du rayonnement thermique, pour F(ω, T) on trouve : Les expressions (3) et (4) sont appelées Formule Rayleigh-Jeans.

Les formules (3) et (4) s'accordent de manière satisfaisante avec les données expérimentales uniquement pour les grandes longueurs d'onde ; aux longueurs d'onde plus courtes, l'accord avec l'expérience diverge fortement. De plus, l'intégration (3) sur ω dans la plage de 0 à pour la densité d'énergie d'équilibre toi(T) donne l'infini grande importance. Ce résultat, appelé catastrophe ultraviolette, contredit évidemment l'expérience : l'équilibre entre le rayonnement et le corps rayonnant doit être établi à des valeurs finies toi(T).

Catastrophe ultraviolette- un terme physique décrivant un paradoxe physique classique, consistant dans le fait que la puissance totale du rayonnement thermique de tout corps chauffé doit être infinie. Le paradoxe tire son nom du fait que la densité spectrale de puissance du rayonnement aurait dû augmenter indéfiniment à mesure que la longueur d'onde raccourcissait. En substance, ce paradoxe montrait, sinon l'incohérence interne de la physique classique, du moins une divergence extrêmement nette (absurde) avec les observations et expériences élémentaires.

5. L'hypothèse de Planck- une hypothèse avancée le 14 décembre 1900 par Max Planck et selon laquelle lors du rayonnement thermique l'énergie n'est pas émise et absorbée de manière continue, mais par quanta (portions) séparés. Chacune de ces parties quantiques a de l'énergie , proportionnel à la fréquence ν radiation:

Où h ou - le coefficient de proportionnalité, appelé plus tard constante de Planck. Sur la base de cette hypothèse, il a proposé une dérivation théorique de la relation entre la température d'un corps et le rayonnement émis par ce corps - la formule de Planck.

La formule de Planck- expression de la densité spectrale de puissance du rayonnement du corps noir, obtenue par Max Planck. Pour la densité d'énergie du rayonnement toi(ω, T):

La formule de Planck a été obtenue après qu'il soit devenu clair que la formule de Rayleigh-Jeans décrit de manière satisfaisante le rayonnement uniquement dans la région des ondes longues. Pour dériver la formule, Planck a fait en 1900 l'hypothèse que le rayonnement électromagnétique est émis sous la forme de portions individuelles d'énergie (quanta), dont l'ampleur est liée à la fréquence du rayonnement par l'expression :

Le coefficient de proportionnalité a ensuite été appelé constante de Planck, = 1,054 · 10 −27 erg s.

Pour expliquer les propriétés du rayonnement thermique, il a fallu introduire la notion d'émission de rayonnement électromagnétique par portions (quanta). La nature quantique du rayonnement est également confirmée par l’existence d’une limite de longueur d’onde courte dans le spectre des rayons X de bremsstrahlung.

Le rayonnement des rayons X se produit lorsque des cibles solides sont bombardées par des électrons rapides. Ici, l'anode est constituée de W, Mo, Cu, Pt - des métaux réfractaires lourds ou à haute conductivité thermique. Seulement 1 à 3 % de l’énergie électronique est utilisée pour le rayonnement, le reste est libéré au niveau de l’anode sous forme de chaleur, les anodes sont donc refroidies avec de l’eau. Une fois dans la substance anodique, les électrons subissent une forte inhibition et deviennent une source d’ondes électromagnétiques (rayons X).

vitesse de démarrage l'électron frappant l'anode est déterminé par la formule :

Où U– tension accélératrice.

>Une émission notable n'est observée qu'avec une forte décélération des électrons rapides, à partir de U~ 50 kV, tandis que ( Avec- vitesse de la lumière). Dans les accélérateurs d'électrons à induction - les bêtatrons, les électrons acquièrent une énergie allant jusqu'à 50 MeV, = 0,99995 Avec. En dirigeant ces électrons vers une cible solide, nous obtenons un rayonnement X de courte longueur d’onde. Ce rayonnement a un grand pouvoir pénétrant. Selon l’électrodynamique classique, lorsqu’un électron décélère, un rayonnement de toutes les longueurs d’onde de zéro à l’infini devrait apparaître. La longueur d’onde à laquelle se produit la puissance de rayonnement maximale devrait diminuer à mesure que la vitesse des électrons augmente. Cependant, il existe une différence fondamentale par rapport à la théorie classique : les distributions de puissance nulles ne vont pas à l'origine des coordonnées, mais s'interrompent en valeurs finies - c'est extrémité de longueur d'onde courte du spectre des rayons X.

Il a été établi expérimentalement que

L’existence de la limite des ondes courtes découle directement de la nature quantique du rayonnement. En effet, si le rayonnement se produit en raison de l'énergie perdue par l'électron lors du freinage, alors l'énergie du quantum ne peut pas dépasser l'énergie de l'électron. UE, c'est à dire. , d'ici ou .

Dans cette expérience, nous pouvons déterminer la constante de Planck h. De toutes les méthodes permettant de déterminer la constante de Planck, la méthode basée sur la mesure de la limite des courtes longueurs d'onde du spectre de bremsstrahlung des rayons X est la plus précise.

7. Effet photo- il s'agit de l'émission d'électrons d'une substance sous l'influence de la lumière (et, d'une manière générale, de tout rayonnement électromagnétique). Dans les substances condensées (solides et liquides), il existe un effet photoélectrique externe et interne.

Lois de l'effet photoélectrique:

Formulation 1ère loi de l'effet photoélectrique: le nombre d'électrons émis par la lumière de la surface d'un métal par unité de temps à une fréquence donnée est directement proportionnel flux lumineux, éclairant le métal.

Selon 2ème loi de l'effet photoélectrique, l'énergie cinétique maximale des électrons éjectés par la lumière augmente linéairement avec la fréquence de la lumière et ne dépend pas de son intensité.

3ème loi de l'effet photoélectrique: pour chaque substance, il existe une limite rouge de l'effet photoélectrique, c'est-à-dire la fréquence lumineuse minimale ν 0 (ou longueur d'onde maximale λ 0), à laquelle l'effet photoélectrique est encore possible, et si ν 0, alors l'effet photoélectrique n'est plus se produit.

L'explication théorique de ces lois a été donnée en 1905 par Einstein. Selon lui, le rayonnement électromagnétique est un flux de quanta individuels (photons) d’énergie hν chacun, où h est la constante de Planck. Avec l'effet photoélectrique, une partie du rayonnement électromagnétique incident est réfléchie par la surface métallique, et une partie pénètre dans la couche superficielle du métal et y est absorbée. Après avoir absorbé un photon, l'électron en reçoit de l'énergie et, remplissant une fonction de travail, quitte le métal : hν = Une sortie + Nous, Où Nous- l'énergie cinétique maximale que peut avoir un électron en sortant du métal.

De la loi de conservation de l’énergie, lorsqu’on représente la lumière sous forme de particules (photons), la formule d’Einstein pour l’effet photoélectrique suit : hν = Une sortie + Ek

Où Une sortie- soi-disant fonction de travail (l'énergie minimale requise pour retirer un électron d'une substance), Ek est l'énergie cinétique de l'électron émis (en fonction de la vitesse, l'énergie cinétique d'une particule relativiste peut être calculée ou non), ν est la fréquence du photon incident avec l'énergie hν, h- La constante de Planck.

Fonction de travail- la différence entre l'énergie minimale (généralement mesurée en électrons-volts) qui doit être transmise à un électron pour son retrait « direct » du volume d'un corps solide, et l'énergie de Fermi.

Bordure « rouge » de l'effet photo- fréquence minimale ou longueur d'onde maximale λ maximum lumière, dans laquelle l'effet photoélectrique externe est encore possible, c'est-à-dire que l'énergie cinétique initiale des photoélectrons est supérieure à zéro. La fréquence dépend uniquement de la fonction de sortie Une sortieélectron : , où Une sortie- fonction de travail pour une photocathode spécifique, h est la constante de Planck, et Avec- vitesse de la lumière. Fonction de travail Une sortie dépend du matériau de la photocathode et de l'état de sa surface. L'émission de photoélectrons commence dès qu'une lumière de fréquence ou de longueur d'onde λ arrive sur la photocathode.

.

ÉMISSION ET ABSORPTION D’ÉNERGIE

ATOMES ET MOLÉCULES

QUESTIONS POUR LA CLASSE SUR LE SUJET :

1. Rayonnement thermique. Ses principales caractéristiques : flux de rayonnement Ф, luminosité énergétique (intensité) R, densité spectrale de luminosité énergétique r λ ; coefficient d'absorption α, coefficient d'absorption monochromatique α λ. Corps absolument noir. Loi de Kirchhoff.

2. Spectres de rayonnement thermique d'a.ch.t. (calendrier). La nature quantique du rayonnement thermique (hypothèse de Planck ; il n’est pas nécessaire de rappeler la formule de ε λ). Dépendance du spectre d'a.ch.t. sur la température (graphique). La loi du vin. Loi de Stefan-Boltzmann pour a.ch.t. (sans sortie) et pour les autres carrosseries.

3. La structure des coques électroniques des atomes. Niveaux d'énergie. Émission d'énergie lors des transitions entre niveaux d'énergie. La formule de Bohr ( pour la fréquence et pour la longueur d'onde). Spectres d'atomes. Spectre d'un atome d'hydrogène. Série spectrale. Concept général sur les spectres des molécules et de la matière condensée (liquides, solides). Le concept d'analyse spectrale et son utilisation en médecine.

4. Luminance. Types de luminosité. Fluorescence et phosphorescence. Le rôle des niveaux métastables. Spectres de luminescence. Règle de Stokes. Analyse luminescente et son utilisation en médecine.

5. Loi d’absorption de la lumière (loi de Bouguer ; conclusion). Transmission τ et densité optique D. Détermination de la concentration des solutions par absorption lumineuse.

Travaux de laboratoire : « enregistrement du spectre d'absorption et détermination de la concentration de la solution à l'aide d'un photoélectrocolorimètre ».

LITTÉRATURE:

Obligatoire : A.N. Remizov. "Physique médicale et biologique", M., " lycée", 1996, ch. 27, §§ 1 à 3 ; Chapitre 29, §§ 1,2

• complémentaire : Émission et absorption d'énergie par les atomes et les molécules, cours, risographe, éd. département, 2002

DÉFINITIONS DE BASE ET FORMULES

1. Rayonnement thermique

Tous les corps, même sans aucune influence extérieure, émettent des ondes électromagnétiques. La source d'énergie de ce rayonnement est le mouvement thermique des particules qui composent le corps, c'est pourquoi on l'appelle Radiation thermique.À hautes températures ah (environ 1 000 K ou plus), ce rayonnement tombe partiellement dans la gamme de la lumière visible, avec plus basses températures Des rayons infrarouges sont émis, et à des niveaux très faibles, des ondes radio.

Flux de rayonnement F - Ce puissance de rayonnement émise par la source, ou énergie de rayonnement émise par unité de temps : Ф = Р = ; unité de débit - watt.

Luminosité énergétique R. - Ce flux de rayonnement émis par une unité de surface d'un corps :
; unité de luminosité énergétique – W.m –2 .

Densité spectrale de luminosité énergétique r λ - Ce le rapport de la luminosité énergétique d'un corps dans un petit intervalle de longueur d'onde (ΔR. λ ) à la valeur de cet intervalle Δ λ:

Dimension r λ – W.m - 3

Corps absolument noir (a.b.t.) appelé t mangé lequelpleinement absorbe le rayonnement incident. Il n’existe pas de tels corps dans la nature, mais un bon modèle d’a.ch.t. est un petit trou dans une cavité fermée.

La capacité des corps à absorber le rayonnement incident caractérise coefficient d'absorption α , c'est rapport entre le flux de rayonnement absorbé et le flux de rayonnement incident :
.

Coefficient d'absorption monochromatique est la valeur du coefficient d'absorption mesurée dans une plage spectrale étroite autour d'une certaine valeur λ.

Loi de Kirchhoff : à température constante, le rapport entre la densité spectrale de luminosité énergétique à une certaine longueur d'onde et le coefficient d'absorption monochromatique à la même longueur d'onde pareil pour tous les corps et est égale à la densité spectrale de la luminosité énergétique de l'a.b.t. à cette longueur d'onde :

(parfois r λ A.Ch.T désigne ε λ)

Un corps complètement noir absorbe et émet des radiations toutes les longueurs d'onde, C'est pourquoi spectre d'a.h.t. toujours solide. Type de ce spectre dépend de la température corporelle. À mesure que la température augmente, premièrement, la luminosité énergétique augmente de manière significative ; Deuxièmement, longueur d'onde correspondant au rayonnement maximal(λ maximum ) , se déplace vers des longueurs d’onde plus courtes :
, où b ≈ 29090 µm.K -1 ( loi de Vienne).

Loi de Stefan-Boltzmann : luminosité énergétique de a.h.t. proportionnel à la puissance quatre de la température corporelle sur l'échelle Kelvin : R. = σT 4

2. Émission d'énergie par les atomes et les molécules

Comme on le sait, dans la couche électronique d'un atome, l'énergie d'un électron ne peut prendre que des valeurs strictement définies, caractéristiques d'un atome donné. En d'autres termes, ils disent que l'électron ne peut être localisé que sur certainsniveaux d'énergie. Lorsqu’un électron se trouve à un niveau d’énergie donné, il ne change pas d’énergie, c’est-à-dire qu’il n’absorbe ni n’émet de lumière. Lors du passage d'un niveau à un autre l'énergie de l'électron change, et en même temps absorbé ou émisquantum de lumière (photon).L'énergie d'un quantum est égale à la différence des énergies des niveaux entre lesquels se produit la transition : E QUANTUM = hν = E n – E m où n et m sont des nombres de niveaux (Formule de Bohr).

Transitions électroniques entre différents niveauxse produisent avec des probabilités différentes. Dans certains cas, la probabilité de transition est très proche de zéro ; les raies spectrales correspondantes ne sont pas observées dans des conditions normales. De telles transitions sont appelées interdit.

Dans de nombreux cas, l’énergie d’un électron peut ne pas être convertie en énergie quantique, mais plutôt en énergie de mouvement thermique d’atomes ou de molécules. De telles transitions sont appelées non radiatif.

En plus de la probabilité de transition, la luminosité des raies spectrales est directement proportionnelle au nombre d'atomes de la substance émettrice. Cette dépendance sous-tend analyse spectrale quantitative.
3. Luminance

Luminescence Appelez n'importe lequel pas le rayonnement thermique. Les sources d'énergie pour ce rayonnement peuvent être différentes ; en conséquence, on parle de différents types de luminescence. Les plus importants d'entre eux sont : chimiluminescence- lueur qui se produit à certains moments réactions chimiques; bioluminescence– c’est la chimiluminescence dans les organismes vivants ; cathodoluminescence – briller sous l'influence d'un flux d'électrons, utilisé dans les tubes cathodiques de télévision, tubes à rayons cathodiques, lampes à gaz, etc. ; électroluminescence– lueur qui se produit dans un champ électrique (le plus souvent dans les semi-conducteurs). La plupart vue intéressante la luminescence est photoluminescence. Il s'agit d'un processus dans lequel des atomes ou des molécules absorbent la lumière (ou le rayonnement UV) dans une gamme de longueurs d'onde et l'émettent dans une autre (par exemple, ils absorbent les rayons bleus et émettent des jaunes). Dans ce cas, la substance absorbe des quanta avec une énergie hν 0 relativement élevée (avec une longueur d'onde courte). Ensuite, l'électron peut ne pas retourner immédiatement au niveau fondamental, mais passer d'abord au niveau intermédiaire, puis au niveau fondamental (il peut y avoir plusieurs niveaux intermédiaires). Dans la plupart des cas, certaines transitions sont non radiatives, c’est-à-dire que l’énergie électronique est convertie en énergie de mouvement thermique. Par conséquent, l’énergie des quanta émis lors de la luminescence sera inférieure à l’énergie du quantum absorbé. Les longueurs d'onde de la lumière émise doivent être supérieures à la longueur d'onde de la lumière absorbée. Si ce qui a été dit est formulé dans vue générale, on a loi Stokes : le spectre de luminescence est décalé vers des ondes plus longues par rapport au spectre du rayonnement provoquant la luminescence.

Il existe deux types de substances luminescentes. Dans certains cas, la lueur s’arrête presque instantanément après l’extinction de la lumière excitante. Ce court terme la lueur s'appelle fluorescence.

Dans les substances d'un autre type, après avoir éteint la lumière excitante, la lueur s'estompe progressivement(selon la loi exponentielle). Ce long terme la lueur s'appelle phosphorescence. La raison de cette longue lueur est que les atomes ou les molécules de ces substances contiennent niveaux métastables.Métastable Ce niveau d'énergie est appelé dans lequel les électrons peuvent rester beaucoup plus longtemps qu’aux niveaux normaux. Par conséquent, la durée de la phosphorescence peut être de quelques minutes, heures et même jours.
4. Loi d'absorption de la lumière (loi de Bouguer)

Lorsqu'un flux de rayonnement traverse une substance, celle-ci perd une partie de son énergie (l'énergie absorbée se transforme en chaleur). La loi de l’absorption de la lumière s’appelle Loi de Bouguer : Ф = Ф 0 ∙e – κ λ · L ,

où Ф 0 est le flux incident, Ф est le flux traversant une couche de substance d'épaisseur L ; le coefficient κ λ est appelé naturel taux d'absorption ( son ampleur dépend de la longueur d'onde) . Pour les calculs pratiques, ils préfèrent utiliser des logarithmes décimaux plutôt que des logarithmes naturels. Alors la loi de Bouguer prend la forme : Ф = Ф 0 ∙ 10 – k λ ∙ L ,

où kλ – décimal taux d'absorption.

Transmission nommer la quantité

Densité optique D - c'est la quantité définie par l'égalité :
. On peut le dire autrement : la densité optique D est une quantité qui est dans l’exposant dans la formule de la loi de Bouguer : D = k λ ∙ L

Pour les solutions de la plupart des substances la densité optique est directement proportionnelle à la concentration du soluté :D = χ λ ∙ C∙ L ;

coefficient χ λ est appelé taux d'absorption molaire(si la concentration est donnée en moles) ou Débit d'Absorption Spécifique(si la concentration est indiquée en grammes). De la dernière formule on obtient : Ф = Ф 0 ∙10 - χ λ ∙ C ∙ L(loi Bugera-Bera)

Ces formules sont à la base des plus courantes dans les laboratoires cliniques et biochimiques méthode de détermination des concentrations de substances dissoutes par absorption de la lumière.

PROBLEMES DE TYPE ENSEIGNEMENT AVEC SOLUTIONS

(À l’avenir, par souci de concision, nous écrirons simplement « tâches de formation »)

Objectif d'apprentissage n°1

Un radiateur électrique (radiateur) émet un flux de rayons infrarouges de 500 W. La superficie du radiateur est de 3300 cm2. Retrouvez l'énergie émise par le radiateur en 1 heure et la luminosité énergétique du radiateur.

Donné: Trouver

Ф = 500 W W et R

t = 1 heure = 3600 s

S = 3300 cm2 = 0,33 m2

Solution:

Le flux de rayonnement Ф est la puissance de rayonnement ou l'énergie émise par unité de temps :
. D'ici

W = F t = 500 W 3 600 s = 18 10 5 J = 1 800 kJ

Objectif d'apprentissage n°2

À quelle longueur d'onde le rayonnement thermique de la peau humaine est-il maximal (c'est-à-dire r λ = max) ? La température cutanée des parties exposées du corps (visage, mains) est d'environ 30°C.

Donné: Trouver:

Т = 30 о С = 303 К λ max

Solution:

Nous substituons les données dans la formule de Wien :
,

c'est-à-dire que presque tout le rayonnement se situe dans la gamme IR du spectre.

Objectif d'apprentissage n°3

L'électron est à un niveau d'énergie avec une énergie de 4.7.10 –19 J

Lorsqu’il est irradié avec une lumière d’une longueur d’onde de 600 nm, il passe à un niveau d’énergie plus élevé. Trouvez l'énergie de ce niveau.

Solution:

Objectif d'apprentissage n°4

Valeur décimale d’absorption d’eau pour lumière du soleilégal à 0,09 m –1. Quelle fraction du rayonnement atteindra la profondeur L = 100 m ?

Donné Trouver:

L = 100 m

k = 0,09 m – 1

Solution:

Écrivons la loi de Bouguer :
. La fraction du rayonnement atteignant la profondeur L est évidemment :
,

c'est-à-dire qu'un milliardième de lumière solaire atteindra une profondeur de 100 m.
Objectif d'apprentissage n°5

La lumière passe successivement à travers deux filtres. Le premier a une densité optique D 1 = 0,6 ; le second a D 2 = 0,4. Quel pourcentage du flux de rayonnement traversera ce système ?

Étant donné : Trouver :

D 1 = 0,6 (en %%)

Solution:

Nous commençons la solution avec un dessin de ce système

SF-1 SF-2

Trouver Ф 1 : Ф 1 = Ф 0 10 – D 1

De même, le flux traversant le deuxième filtre lumineux est égal à :

Ф 2 = Ф 1 10 – D 2 = Ф 0 10 – D 1 10 – D 2 = Ф 0 10 – (D 1 + D 2)

Le résultat obtenu a une signification générale: si la lumière traverse séquentiellement un système de plusieurs objets,la densité optique totale sera égale à la somme des densités optiques de ces objets .

Dans les conditions de notre problème, un flux de F 2 = 100%∙10 – (0,6 + 0,4) = 100%∙10 – 1 = 10% traversera un système de deux filtres lumineux

Objectif d'apprentissage n°6

Selon la loi de Bouguer-Baer, ​​il est possible notamment de déterminer la concentration d'ADN. Dans le domaine visible, les solutions d'acides nucléiques sont transparentes, mais elles absorbent fortement dans la partie UV du spectre ; Le maximum d'absorption se situe autour de 260 nm. Il est évident que c'est précisément dans cette région du spectre qu'il faut mesurer l'absorption du rayonnement ; dans ce cas, la sensibilité et la précision de la mesure seront les meilleures.

Conditions du problème: Lors de la mesure de l'absorption des rayons UV d'une longueur d'onde de 260 nm par une solution d'ADN, le flux de rayonnement transmis a été atténué de 15 %. La longueur du trajet du faisceau dans la cuvette avec la solution « x » est de 2 cm. L'indice d'absorption molaire (décimal) pour l'ADN à une longueur d'onde de 260 nm est de 1.3.10 5 mol – 1.cm 2 Trouvez la concentration d'ADN dans la solution.

Donné:

Ф 0 = 100 % ; F = 100 % – 15 % = 85 % Trouver: Avec de l'ADN

x = 2 cm ; λ = 260 nm

χ 260 = 1.3.10 5 mol –1 .cm 2

Solution:

(nous avons « inversé » la fraction pour supprimer l’exposant négatif). . Prenons maintenant un logarithme :
, Et
; on remplace :

0,07 et C =
2.7.10 – 7 moles/cm3

Attention à la haute sensibilité de la méthode !

TÂCHES POUR UNE SOLUTION INDÉPENDANTE
Lors de la résolution de problèmes, prenez les valeurs des constantes :

b = 2900 µm.K ; σ = 5.7.10 – 8 W.K 4 ; h = 6.6.10 – 34 J.s ; c = 3,10 8 m.s –1

1. Quelle est la luminosité énergétique de la surface du corps humain si le rayonnement maximum se produit à une longueur d'onde de 9,67 microns ? La peau peut être considérée comme un corps absolument noir.

2. Deux ampoules ont exactement le même design, sauf que dans l'une le filament est en tungstène pur (α = 0,3) et dans l'autre il est recouvert de noir platine (α = 0,93). Quelle ampoule a le plus grand flux de rayonnement ? Combien de fois?

3. Dans quelles zones du spectre se situent les longueurs d'onde correspondant à la densité spectrale maximale de luminosité énergétique si la source de rayonnement est : a) la spirale d'une ampoule électrique (T = 2 300 K) ; b) la surface du Soleil (T = 5 800 K) ; c) surface boule de feu explosion nucléaire à un moment où sa température est d'environ 30 000 K ? La différence entre les propriétés de ces sources de rayonnement et celles de l'a.ch.t. négligence.

4. Un corps métallique chauffé au rouge, dont la surface est de 2,10 à 3 m 2, à une température de surface de 1000 K, émet un flux de 45,6. Mar Quel est le coefficient d'absorption de la surface de ce corps ?

5. L'ampoule a une puissance de 100 W. La surface du filament est de 0,5,10 à 4 m 2. La température du filament est de 2 400 K. Quel est le coefficient d'absorption de la surface du filament ?

6. À une température cutanée de 27 0 C, 0,454 W sont émis par chaque centimètre carré de la surface du corps. Est-il possible (avec une précision d'au moins 2 %) de considérer la peau comme un corps absolument noir ?

7. Dans le spectre d'une étoile bleue, l'émission maximale correspond à une longueur d'onde de 0,3 micron. Quelle est la température de surface de cette étoile ?

8. Quelle énergie un corps d'une surface de 4 000 cm 2 rayonne-t-il en une heure ?

à une température de 400 K, si le coefficient d'absorption du corps est de 0,6 ?

9. La plaque (A) a une superficie de 400 cm 2 ; son coefficient d'absorption est de 0,4. Une autre plaque (B) d'une superficie de 200 cm 2 a un coefficient d'absorption de 0,2. La température des plaques est la même. Quelle plaque émet le plus d’énergie et de combien ?

10 – 16. Analyse spectrale qualitative. Basé sur le spectre d'absorption de l'un des composés organiques, dont le spectre

sont indiqués sur la figure, déterminez quels groupes fonctionnels font partie de cette substance, utilisez les données du tableau :

Groupe; type de connexion	Longueurs d'onde absorbées, microns	Groupe, type de connexion	Absorbé longueurs d'onde, µm
-IL	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	-NON	12,3
-N=N	6,35	-SO2	19,2
-CN2	6,77	-C=O	23,9

10 – graphique a); 11 – graphique b); 12 – graphique c); 13 – graphique d);

14 – graphique d); 15 – graphique f); 16 – graphique g).

Faites attention à quelle valeur sur votre graphique est tracée sur l’axe vertical !

17. La lumière traverse séquentiellement deux filtres lumineux avec des coefficients de transmission de 0,2 et 0,5. Quel pourcentage de rayonnement sortira d’un tel système ?

18. La lumière traverse séquentiellement deux filtres de densités optiques de 0,7 et 0,4. Quel pourcentage de rayonnement traversera un tel système ?

19. Pour vous protéger du rayonnement lumineux d'une explosion nucléaire, vous avez besoin de lunettes qui atténuent la lumière au moins un million de fois. Le verre à partir duquel ils souhaitent fabriquer de tels verres a une densité optique de 3 et une épaisseur de 1 mm. Quelle épaisseur de verre faut-il prendre pour obtenir le résultat souhaité ?

20 Pour protéger les yeux lors du travail avec un laser, il est nécessaire qu'un flux de rayonnement ne dépassant pas 0,0001 % du flux créé par le laser puisse pénétrer dans l'œil. Quelle densité optique les lunettes doivent-elles avoir pour assurer la sécurité ?

Devoir général pour les problèmes 21 – 28 (analyse quantitative):

La figure montre les spectres d'absorption de solutions colorées de certaines substances. De plus, les problèmes indiquent les valeurs de D (la densité optique de la solution à la longueur d'onde correspondant à l'absorption maximale de la lumière) et X(épaisseur de la cuvette). Trouvez la concentration de la solution.

Faites attention aux unités dans lesquelles le taux d'absorption est indiqué sur votre graphique.

21. Graphique a). D = 0,8 x = 2 cm

22. Graphique b). D = 1,2 x = 1 cm

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

24. Graphique d). D = 0,25 x = 2 cm

25 Annexe d). D = 0,4 x = 3 cm

26. Graphique e) D = 0,9 x = 1 cm

27. Graphique g). D = 0,2 x = 2 cm

La densité spectrale de luminosité énergétique (luminosité) est une fonction montrant la répartition de la luminosité énergétique (luminosité) sur le spectre de rayonnement.
Ce qui signifie que:
La luminosité énergétique est la densité de flux superficiel de l'énergie émise par une surface.
La luminosité énergétique est la quantité de flux émis par unité de surface par unité d'angle solide dans une direction donnée.

Corps absolument noir- une idéalisation physique utilisée en thermodynamique, un corps qui absorbe tout rayonnement électromagnétique incident sur lui dans toutes les gammes et ne réfléchit rien. Malgré son nom, un corps complètement noir peut lui-même émettre un rayonnement électromagnétique de n'importe quelle fréquence et avoir visuellement une couleur. Le spectre de rayonnement d'un corps absolument noir est déterminé uniquement par sa température.

Corps noir pur

Corps noir pur- il s'agit d'une abstraction physique (modèle), qui est comprise comme un corps qui absorbe complètement tout le rayonnement électromagnétique qui lui arrive

Pour un corps complètement noir

Corps gris

Corps gris- c'est un corps dont le coefficient d'absorption ne dépend pas de la fréquence, mais dépend uniquement de la température

- pour corps gris

Loi de Kirchhoff pour le rayonnement thermique

Le rapport entre l'émissivité d'un corps et sa capacité d'absorption est le même pour tous les corps à une température donnée et pour une fréquence donnée et ne dépend pas de leur forme et de leur nature chimique.

Dépendance en température de la densité spectrale de la luminosité énergétique d'un corps absolument noir

La dépendance de la densité spectrale d'énergie du rayonnement L (T) d'un corps noir sur la température T dans la plage de rayonnement micro-ondes est établie pour la plage de température de 6 300 à 100 000 K.

Loi de déplacement de Vienne donne la dépendance de la longueur d'onde à laquelle le flux de rayonnement énergétique du corps noir atteint son maximum sur la température du corps noir.

B=2,90*m*K

Loi de Stefan-Boltzmann

Formule Rayleigh-jean

La formule de Planck

barre constante

Effet photo- il s'agit de l'émission d'électrons par une substance sous l'influence de la lumière (et, d'une manière générale, de tout rayonnement électromagnétique). Dans les substances condensées (solides et liquides), il existe un effet photoélectrique externe et interne.

Lois de l'effet photoélectrique:

Formulation 1ère loi de l'effet photoélectrique: le nombre d'électrons émis par la lumière de la surface d'un métal par unité de temps à une fréquence donnée est directement proportionnel au flux lumineux éclairant le métal.

Selon 2ème loi de l'effet photoélectrique, l'énergie cinétique maximale des électrons éjectés par la lumière augmente linéairement avec la fréquence de la lumière et ne dépend pas de son intensité.

3ème loi de l'effet photoélectrique: pour chaque substance, il existe une limite rouge de l'effet photoélectrique, c'est-à-dire la fréquence minimale de la lumière (ou la longueur d'onde maximale λ 0) à laquelle l'effet photoélectrique est encore possible, et si , alors l'effet photoélectrique ne se produit plus.

Photon- une particule élémentaire, un quantum de rayonnement électromagnétique (au sens étroit de lumière). C'est une particule sans masse qui ne peut exister qu'en se déplaçant à la vitesse de la lumière. La charge électrique d'un photon est également nulle.

L'équation d'Einstein pour l'effet photoélectrique externe

Photocellule- un appareil électronique qui convertit l'énergie photonique en énergie électrique. La première cellule photoélectrique basée sur l'effet photoélectrique externe a été créée par Alexander Stoletov en fin XIX siècle.

énergie, masse et impulsion du photon

Légère pression est la pression produite par les ondes lumineuses électromagnétiques incidentes à la surface d’un corps.

La pression p exercée par l'onde sur la surface du métal pourrait être calculée comme le rapport des forces de Lorentz résultantes agissant sur les électrons libres dans la couche superficielle du métal sur la surface du métal :

La théorie quantique de la lumière explique légère pressionà la suite de photons transférant leur impulsion à des atomes ou des molécules de matière.

Effet Compton(Effet Compton) - le phénomène de changement de longueur d'onde du rayonnement électromagnétique dû à la diffusion élastique par les électrons

Longueur d'onde Compton

La conjecture de De Broglie c'est que le physicien français Louis de Broglie a avancé l'idée d'attribuer des propriétés ondulatoires à l'électron. Faisant une analogie avec un quantum, de Broglie a suggéré que le mouvement d'un électron ou de toute autre particule ayant une masse au repos est associé à un processus ondulatoire.

La conjecture de De Broglieétablit qu'une particule en mouvement d'énergie E et d'impulsion p correspond à un processus ondulatoire dont la fréquence est égale à :

et longueur d'onde :

où p est l'impulsion de la particule en mouvement.

Expérience Davisson-Germer- une expérience physique sur la diffraction électronique réalisée en 1927 par les scientifiques américains Clinton Davisson et Lester Germer.

Une étude a été réalisée sur la réflexion des électrons d'un monocristal de nickel. L'installation comprenait un monocristal de nickel, meulé selon un angle et monté sur un support. Un faisceau d’électrons monochromatiques était dirigé perpendiculairement au plan de section poli. La vitesse des électrons a été déterminée par la tension aux bornes canon à électrons:

Une coupelle de Faraday a été installée à un angle par rapport au faisceau d'électrons incident, reliée à un galvanomètre sensible. Sur la base des lectures du galvanomètre, l'intensité du faisceau d'électrons réfléchi par le cristal a été déterminée. L'ensemble de l'installation était sous vide.

Dans les expériences, l'intensité du faisceau d'électrons diffusé par le cristal a été mesurée en fonction de l'angle de diffusion. depuis l'angle azimutal , sur la vitesse des électrons dans le faisceau.

Des expériences ont montré qu'il existe une sélectivité prononcée dans la diffusion des électrons. À différentes significations des angles et des vitesses, des maxima et des minima d'intensité sont observés dans les rayons réfléchis. Condition maximale :

Voici la distance interplanaire.

Ainsi, la diffraction électronique a été observée sur le réseau cristallin d’un monocristal. L’expérience a été une brillante confirmation de l’existence de propriétés ondulatoires dans les microparticules.

Fonction d'onde, ou fonction psi- une fonction à valeurs complexes utilisée en mécanique quantique pour décrire l'état pur d'un système. Est-ce que le coefficient d'expansion du vecteur d'état sur une base (généralement une base de coordonnées) :

où est le vecteur de base des coordonnées et est la fonction d'onde dans la représentation des coordonnées.

Signification physique la fonction d'onde est que, selon l'interprétation de Copenhague mécanique quantique densité de probabilité de trouver une particule à un point donné de l'espace dans ce moment le temps est considéré comme égal au carré de la valeur absolue de la fonction d'onde de cet état en représentation coordonnée.

Principe d'incertitude de Heisenberg(ou Heisenberg) en mécanique quantique - une inégalité fondamentale (relation d'incertitude) qui fixe la limite de précision pour la détermination simultanée d'une paire d'observables physiques caractérisant un système quantique (voir grandeur physique), décrites par des opérateurs non-navetteurs (par exemple, coordonnées et impulsion, courant et tension, champ électrique et magnétique). La relation d'incertitude [* 1] fixe une limite inférieure pour le produit des écarts types d'une paire d'observables quantiques. Le principe d'incertitude, découvert par Werner Heisenberg en 1927, est l'une des pierres angulaires de la mécanique quantique.

Définition S'il existe plusieurs (nombreuses) copies identiques du système dans un état donné, alors les valeurs mesurées des coordonnées et de la quantité de mouvement obéiront à une certaine distribution de probabilité - c'est un postulat fondamental de la mécanique quantique. En mesurant la valeur de l'écart type de la coordonnée et l'écart type de l'impulsion, on trouvera que :

équation de Schrödinger

Puits potentiel– une région de l’espace où il existe un minimum local de l’énergie potentielle d’une particule.

Effet tunnel, tunnelisation- franchissement d'une barrière de potentiel par une microparticule dans le cas où son énergie totale (qui reste inchangée lors du tunnelage) est inférieure à la hauteur de la barrière. L'effet tunnel est un phénomène de nature exclusivement quantique, impossible et même totalement contradictoire avec la mécanique classique. Un analogue de l'effet tunnel en optique ondulatoire peut être la pénétration d'une onde lumineuse dans un milieu réfléchissant (à des distances de l'ordre de la longueur d'onde de la lumière) dans des conditions où, du point de vue de l'optique géométrique, complète réflexion interne. Le phénomène de tunneling est à la base de nombreux processus importants en physique atomique et moléculaire, en physique du noyau atomique, de l'état solide, etc.

Oscillateur harmonique en mécanique quantique, c'est un analogue quantique d'un simple oscillateur harmonique ; dans ce cas, ce ne sont pas les forces agissant sur la particule qui sont considérées, mais l'hamiltonien, c'est-à-dire l'énergie totale de l'oscillateur harmonique, et le potentiel on suppose que l’énergie dépend quadratiquement des coordonnées. La prise en compte des termes suivants dans l'expansion de l'énergie potentielle le long d'une coordonnée conduit au concept d'oscillateur anharmonique.

L'étude de la structure des atomes a montré que les atomes sont constitués d'un noyau chargé positivement, dans lequel est concentrée presque toute la masse. h de l'atome et des électrons chargés négativement se déplaçant autour du noyau.

Modèle planétaire de Bohr-Rutherford de l'atome. En 1911, Ernest Rutherford, après avoir mené une série d'expériences, arriva à la conclusion que l'atome est une sorte de système planétaire dans lequel les électrons se déplacent sur des orbites autour d'un noyau lourd et chargé positivement situé au centre de l'atome (« l'atome de Rutherford modèle"). Cependant, une telle description de l’atome entre en conflit avec l’électrodynamique classique. Le fait est que, selon l'électrodynamique classique, un électron, lorsqu'il se déplace avec une accélération centripète, devrait émettre des ondes électromagnétiques et donc perdre de l'énergie. Les calculs ont montré que le temps nécessaire à un électron d'un tel atome pour tomber sur le noyau est absolument insignifiant. Pour expliquer la stabilité des atomes, Niels Bohr a dû introduire des postulats qui se résumaient au fait qu'un électron dans un atome, étant dans certains états énergétiques particuliers, n'émet pas d'énergie (« modèle de l'atome de Bohr-Rutherford »). Les postulats de Bohr ont montré que la mécanique classique est inapplicable pour décrire l'atome. Une étude plus approfondie du rayonnement atomique a conduit à la création de la mécanique quantique, qui a permis d'expliquer la grande majorité des faits observés.

Spectres d'émission des atomes généralement obtenu à une température élevée d'une source de lumière (plasma, arc ou étincelle), à ​​laquelle la substance s'évapore, ses molécules se divisent en atomes individuels et les atomes sont excités pour briller. L'analyse atomique peut être soit l'émission - l'étude des spectres d'émission, soit l'absorption - l'étude des spectres d'absorption.
Le spectre d'émission d'un atome est un ensemble de raies spectrales. La raie spectrale apparaît à la suite d'un rayonnement lumineux monochromatique lors de la transition d'un électron d'un sous-niveau électronique autorisé par le postulat de Bohr à un autre sous-niveau différents niveaux. Ce rayonnement est caractérisé par la longueur d'onde K, la fréquence v ou le nombre d'onde co.
Le spectre d'émission d'un atome est un ensemble de raies spectrales. La raie spectrale apparaît à la suite d'un rayonnement lumineux monochromatique lors de la transition d'un électron d'un sous-niveau électronique autorisé par le postulat de Bohr à un autre sous-niveau de niveaux différents.

Modèle de Bohr de l'atome (modèle de Bohr)- un modèle semi-classique de l'atome proposé par Niels Bohr en 1913. Il s'appuie sur le modèle planétaire de l'atome proposé par Rutherford. Cependant, du point de vue de l'électrodynamique classique, un électron dans le modèle de Rutherford, se déplaçant autour du noyau, devrait émettre en continu, et très rapidement, après avoir perdu de l'énergie, tomber sur le noyau. Pour surmonter ce problème, Bohr a introduit une hypothèse dont l'essence est que les électrons d'un atome ne peuvent se déplacer que sur certaines orbites (stationnaires), dans lesquelles ils n'émettent pas, et que l'émission ou l'absorption ne se produit qu'au moment de la transition d'une orbite vers un autre. De plus, seules les orbites sont stationnaires lorsqu'elles se déplacent le long desquelles le moment cinétique de l'électron est égal à un nombre entier de constantes de Planck : .

En utilisant cette hypothèse et les lois de la mécanique classique, à savoir l'égalité de la force attractive d'un électron du côté du noyau et de la force centrifuge agissant sur un électron en rotation, il a obtenu les valeurs suivantes pour le rayon d'une orbite stationnaire et l'énergie de l'électron situé sur cette orbite :

Voici la masse de l'électron, Z est le nombre de protons dans le noyau, est la constante diélectrique, e est la charge de l'électron.

C'est précisément cette expression de l'énergie qui peut être obtenue en appliquant l'équation de Schrödinger, résolvant le problème du mouvement d'un électron dans un champ coulombien central.

Le rayon de la première orbite de l'atome d'hydrogène R 0 =5,2917720859(36)·10 −11 m, maintenant appelé rayon de Bohr, ou unité atomique de longueur, est largement utilisé en physique moderne. L'énergie de la première orbite, eV, est l'énergie d'ionisation de l'atome d'hydrogène.

Les postulats de Bohr

§ Un atome ne peut se trouver que dans des états stationnaires ou quantiques spéciaux, dont chacun a une énergie spécifique. A l’état stationnaire, un atome n’émet pas d’ondes électromagnétiques.

§ Un électron dans un atome, sans perdre d'énergie, se déplace le long de certaines orbites circulaires discrètes, pour lesquelles le moment cinétique est quantifié : , où sont les nombres naturels, et est la constante de Planck. La présence d'un électron sur l'orbite détermine l'énergie de ces états stationnaires.

§ Lorsqu'un électron se déplace d'une orbite (niveau d'énergie) à une orbite, un quantum d'énergie est émis ou absorbé, où se trouvent les niveaux d'énergie entre lesquels se produit la transition. Lors du passage d'un niveau supérieur à un niveau inférieur, de l'énergie est émise ; lors du passage d'un niveau inférieur à un niveau supérieur, elle est absorbée.

En utilisant ces postulats et les lois de la mécanique classique, Bohr a proposé un modèle de l'atome, maintenant appelé modèle de Bohr de l'atome. Par la suite, Sommerfeld a étendu la théorie de Bohr au cas des orbites elliptiques. C'est ce qu'on appelle le modèle de Bohr-Sommerfeld.

Expériences Frank et Hertz

l'expérience a montré que les électrons transfèrent leur énergie aux atomes de mercure par portions , et 4,86 ​​eV est la plus petite partie possible qui peut être absorbée par un atome de mercure dans l'état d'énergie fondamentale

Formule Balmer

Pour décrire les longueurs d'onde λ des quatre raies visibles du spectre de l'hydrogène, I. Balmer a proposé la formule

où n = 3, 4, 5, 6 ; b = 3645,6 Å.

Actuellement utilisé pour la série Balmer cas particulier Formules de Rydberg :

où λ est la longueur d'onde,

R.≈ 1,0974 10 7 m −1 - Constante de Rydberg,

n- le nombre quantique principal du niveau initial est un nombre naturel supérieur ou égal à 3.

Atome semblable à l'hydrogène- un atome contenant un et un seul électron dans sa couche électronique.

Rayonnement X- les ondes électromagnétiques dont l'énergie des photons se situe sur l'échelle des ondes électromagnétiques entre le rayonnement ultraviolet et le rayonnement gamma, ce qui correspond à des longueurs d'onde de 10 −2 à 10 3 Å (de 10 −12 à 10 −7 m)

Tube à rayons X- un appareil à vide électrique conçu pour générer un rayonnement X.

Bremstrahlung- rayonnement électromagnétique émis par une particule chargée lorsqu'elle est diffusée (freinée) dans un champ électrique. Parfois le concept " bremsstrahlung» incluent également le rayonnement des particules chargées relativistes se déplaçant de manière macroscopique champs magnétiques(dans les accélérateurs, dans l’espace), et ils appellent cela le bremsstrahlung magnétique ; cependant, le terme le plus couramment utilisé dans ce cas est « rayonnement synchrotron ».

ÉMISSION CARACTÉRISTIQUE- Radiographie rayonnement du spectre des raies. Caractéristique des atomes de chaque élément.

Liaison chimique - le phénomène d'interaction des atomes, provoqué par le chevauchement de nuages ​​​​d'électrons de particules de liaison, qui s'accompagne d'une diminution de l'énergie totale du système.

spectre moléculaire- spectre d'émission (absorption) apparaissant lors des transitions quantiques entre les niveaux d'énergie des molécules

Niveau d'énergie - les valeurs propres de l'énergie des systèmes quantiques, c'est-à-dire des systèmes constitués de microparticules (électrons, protons et autres particules élémentaires) et soumis aux lois de la mécanique quantique.

Nombre quantique n – La chose principale . Il détermine l'énergie de l'électron dans l'atome d'hydrogène et les systèmes à un électron (He +, Li 2+, etc.). Dans ce cas, l'énergie électronique

Où n prend des valeurs de 1 à ∞. Le moins n, plus l'énergie d'interaction entre l'électron et le noyau est grande. À n= 1 atome d'hydrogène est à l'état fondamental, à n> 1 – excité.

Règles de sélection en spectroscopie, ils appellent restrictions et interdictions sur les transitions entre les niveaux d'un système de mécanique quantique avec l'absorption ou l'émission d'un photon, imposées par les lois de conservation et de symétrie.

Atomes multi-électrons les atomes avec deux électrons ou plus sont appelés.

Effet Zeeman- division des raies des spectres atomiques dans un champ magnétique.

Découvert en 1896 par Zeeman pour les raies d'émission de sodium.

L'essence du phénomène de résonance paramagnétique électronique est l'absorption résonante du rayonnement électromagnétique par des électrons non appariés. Un électron possède un spin et un moment magnétique associé.

RAYONNEMENT THERMIQUE Loi de Stefan Boltzmann Relation entre la luminosité énergétique R e et la densité spectrale de la luminosité énergétique d'un corps noir Luminosité énergétique d'un corps gris Loi de déplacement de Wien (1ère loi) Dépendance de la densité spectrale maximale de la luminosité énergétique d'un noir corps en température (2ème loi) Formule de Planck

RAYONNEMENT THERMIQUE 1. La densité spectrale maximale de la luminosité de l'énergie solaire se produit à une longueur d'onde = 0,48 microns. En supposant que le Soleil rayonne comme un corps noir, déterminez : 1) la température de sa surface ; 2) la puissance émise par sa surface. D'après la loi de déplacement de Wien, Puissance émise par la surface du Soleil D'après la loi de Stefan Boltzmann,

RAYONNEMENT THERMIQUE 2. Déterminez la quantité de chaleur perdue par 50 cm 2 de la surface du platine fondu en 1 minute, si la capacité d'absorption du platine A T = 0,8. Le point de fusion du platine est de 1770°C. La quantité de chaleur perdue par le platine est égale à l'énergie émise par sa surface chaude. Selon la loi de Stefan Boltzmann,

RAYONNEMENT THERMIQUE 3. Un four électrique consomme une puissance P = 500 W. La température de sa surface intérieure avec un petit trou ouvert d'un diamètre de d = 5,0 cm est de 700 °C. Quelle part de la consommation électrique est dissipée par les murs ? La puissance totale est déterminée par la somme de la puissance libérée par le trou. Puissance dissipée par les murs. Selon la loi de Stefan Boltzmann,

RAYONNEMENT THERMIQUE 4 Un filament de tungstène est chauffé sous vide avec un courant de force I = 1 A jusqu'à une température T 1 = 1000 K. A quelle intensité de courant le filament sera-t-il chauffé jusqu'à une température T 2 = 3000 K ? Coefficients d'absorption du tungstène et de ses résistivités, correspondant aux températures T 1, T 2 sont égales à : a 1 = 0,115 et a 2 = 0,334 ; 1 = 25, Ohm m, 2 = 96, Ohm m La puissance émise est égale à la puissance consommée par circuit électrique en régime permanent Puissance électrique libérée dans un conducteur D'après la loi de Stefan Boltzmann,

RAYONNEMENT THERMIQUE 5. Dans le spectre du Soleil, la densité spectrale maximale de luminosité énergétique se produit à une longueur d'onde de 0,0 = 0,47 micron. En supposant que le Soleil émet sous la forme d'un corps complètement noir, trouvez l'intensité radiation solaire(c'est-à-dire la densité de flux de rayonnement) près de la Terre en dehors de son atmosphère. Intensité lumineuse (intensité de rayonnement) Flux lumineux Selon les lois de Stefan Boltzmann et Wien

RAYONNEMENT THERMIQUE 6. La longueur d'onde 0, qui représente l'énergie maximale dans le spectre de rayonnement du corps noir, est de 0,58 microns. Déterminez la densité spectrale maximale de luminosité énergétique (r, T) max, calculée pour l'intervalle de longueur d'onde = 1 nm, proche de 0. La densité spectrale maximale de luminosité énergétique est proportionnelle à la cinquième puissance de la température et est exprimée par la 2ème loi de Wien. La température T est exprimée à partir de la loi de déplacement de Wien, la valeur C est donnée en unités SI, dans lesquelles l'intervalle de longueur d'onde unitaire = 1 m. Selon les conditions du problème, il est nécessaire de calculer la densité spectrale de luminosité calculée pour l'intervalle de longueur d'onde de 1. nm, nous écrivons donc la valeur de C en unités SI et la recalculons pour un intervalle de longueur d'onde donné :

RAYONNEMENT THERMIQUE 7. L'étude du spectre du rayonnement solaire montre que la densité spectrale maximale de luminosité énergétique correspond à une longueur d'onde = 500 nm. En prenant le Soleil comme un corps noir, déterminez : 1) la luminosité énergétique R e du Soleil ; 2) flux d'énergie F e émis par le Soleil ; 3) la masse des ondes électromagnétiques (de toutes longueurs) émises par le Soleil en 1 s. 1. D'après les lois de Stefan Boltzmann et Wien 2. Flux lumineux 3. La masse des ondes électromagnétiques (toutes longueurs) émises par le Soleil pendant le temps t = 1 s, on la détermine en appliquant la loi de proportionnalité de la masse et de l'énergie E = ms 2. L'énergie des ondes électromagnétiques émises pendant le temps t, est égale au produit du flux d'énergie Ф e ((puissance de rayonnement) par le temps : E=Ф e t. Par conséquent, Ф e =ms 2, d'où m= Ф e/s 2.

1. Caractéristiques du rayonnement thermique.

2. Loi de Kirchhoff.

3. Lois du rayonnement du corps noir.

4. Rayonnement du Soleil.

5. Fondements physiques de la thermographie.

6. Photothérapie. Usage médicinal ultra-violet.

7. Concepts et formules de base.

8. Tâches.

Parmi la variété des rayonnements électromagnétiques, visibles ou invisibles à l'œil humain, on peut en distinguer un qui est inhérent à tous les corps : le rayonnement thermique.

Radiation thermique- le rayonnement électromagnétique émis par une substance et résultant de son énergie interne.

Le rayonnement thermique est provoqué par l'excitation de particules de matière lors de collisions lors d'un mouvement thermique ou d'un mouvement accéléré de charges (oscillations des ions du réseau cristallin, mouvement thermique des électrons libres, etc.). Cela se produit à n'importe quelle température et est inhérent à tous les corps. Une caractéristique du rayonnement thermique est spectre continu.

L'intensité du rayonnement et la composition spectrale dépendent de la température corporelle, de sorte que le rayonnement thermique n'est pas toujours perçu par l'œil comme une lueur. Par exemple, les corps chauffés à haute température émettent une partie importante de l'énergie dans le domaine visible, et à température ambiante, presque toute l'énergie est émise dans la partie infrarouge du spectre.

26.1. Caractéristiques du rayonnement thermique

L'énergie qu'un corps perd à cause du rayonnement thermique est caractérisée par les quantités suivantes.

Flux de rayonnement(F) - énergie émise par unité de temps par toute la surface du corps.

En fait, c'est la puissance du rayonnement thermique. La dimension du flux de rayonnement est [J/s = W].

Luminosité énergétique(Re) est l'énergie du rayonnement thermique émis par unité de temps à partir d'une unité de surface d'un corps chauffé :

La dimension de cette caractéristique est [W/m2].

Le flux de rayonnement et la luminosité énergétique dépendent de la structure de la substance et de sa température : Ф = Ф(Т), Re = Re(T).

La répartition de la luminosité énergétique sur le spectre du rayonnement thermique le caractérise densité spectrale. Notons l'énergie du rayonnement thermique émis par une seule surface en 1 s dans une plage étroite de longueurs d'onde allant de λ avant λ +d λ, via dRe.

Densité spectrale de luminosité énergétique(r) ou émissivité est appelé le rapport de la luminosité énergétique dans une partie étroite du spectre (dRe) à la largeur de cette partie (dλ):

Forme approximative de la densité spectrale et de la luminosité énergétique (dRe) dans la gamme de longueurs d'onde de λ avant λ +d λ, montré sur la fig. 26.1.

Riz. 26.1. Densité spectrale de luminosité énergétique

La dépendance de la densité spectrale de la luminosité énergétique sur la longueur d'onde est appelée spectre de rayonnement du corps. La connaissance de cette dépendance permet de calculer la luminosité énergétique d'un corps dans n'importe quelle gamme de longueurs d'onde :

Les corps non seulement émettent, mais absorbent également du rayonnement thermique. La capacité d’un corps à absorber l’énergie du rayonnement dépend de sa substance, de sa température et de la longueur d’onde du rayonnement. La capacité d’absorption du corps est caractérisée par coefficient d'absorption monochromatiqueα.

Laisse un ruisseau tomber à la surface du corps monochromatique rayonnement Φ λ de longueur d'onde λ. Une partie de ce flux est réfléchie et une partie est absorbée par le corps. Notons l'amplitude du flux absorbé Φ λ abs.

Coefficient d'absorption monochromatique α λ est le rapport entre le flux de rayonnement absorbé par un corps donné et l'amplitude du flux monochromatique incident :

Le coefficient d'absorption monochromatique est une quantité sans dimension. Ses valeurs sont comprises entre zéro et un : 0 ≤ α ≤ 1.

La fonction α = α(λ,T), exprimant la dépendance du coefficient d'absorption monochromatique sur la longueur d'onde et la température, est appelée capacité d'absorption corps. Son apparence peut être assez complexe. Les types d’absorption les plus simples sont discutés ci-dessous.

Corps noir pur- un corps dont le coefficient d'absorption est égal à l'unité pour toutes les longueurs d'onde : α = 1. Il absorbe tout rayonnement incident sur lui.

En termes de propriétés d'absorption, la suie, le velours noir et le noir platine sont proches du corps absolument noir. Un très bon modèle de corps noir est une cavité fermée avec un petit trou (O). Les parois de la cavité sont noircies (Fig. 26.2.

Le faisceau entrant dans ce trou est presque entièrement absorbé après des réflexions répétées sur les murs. Appareils similaires

Riz. 26.2. Modèle de corps noir

utilisé comme étalon de lumière, utilisé pour mesurer des températures élevées, etc.

La densité spectrale de la luminosité énergétique d'un corps absolument noir est notée ε(λ,Τ). Cette fonction joue rôle vital dans la théorie du rayonnement thermique. Sa forme a d'abord été établie expérimentalement puis obtenue théoriquement (formule de Planck).

Corps absolument blanc- un corps dont le coefficient d'absorption est nul pour toutes les longueurs d'onde : α = 0.

Il n'y a pas de corps véritablement blancs dans la nature, mais il existe des corps qui leur sont proches par leurs propriétés dans une plage assez large de températures et de longueurs d'onde. Par exemple, un miroir situé dans la partie optique du spectre reflète la quasi-totalité de la lumière incidente.

Corps gris est un corps pour lequel le coefficient d'absorption ne dépend pas de la longueur d'onde : α = const< 1.

Certains corps réels possèdent cette propriété dans une certaine plage de longueurs d’onde et de températures. Par exemple, la peau humaine dans la région infrarouge peut être considérée comme « grise » (α = 0,9).

26.2. Loi de Kirchhoff

La relation quantitative entre rayonnement et absorption a été établie par G. Kirchhoff (1859).

Loi de Kirchhoff- attitude émissivité corps à son capacité d'absorption est le même pour tous les corps et est égal à la densité spectrale de la luminosité énergétique d'un corps absolument noir :

Notons quelques conséquences de cette loi.

1. Si un corps à une température donnée n’absorbe aucun rayonnement, alors il n’en émet pas. En effet, si pour

26.3. Lois du rayonnement du corps noir

Les lois du rayonnement du corps noir ont été établies dans l’ordre suivant.

En 1879, J. Stefan expérimentalement et en 1884 L. Boltzmann déterminèrent théoriquement luminosité énergétique corps absolument noir.

Loi de Stefan-Boltzmann - La luminosité énergétique d'un corps complètement noir est proportionnelle à la puissance quatre de sa température absolue :

Les valeurs des coefficients d'absorption pour certains matériaux sont données dans le tableau. 26.1.

Tableau 26.1. Coefficients d'absorption

Le physicien allemand W. Wien (1893) a établi une formule pour la longueur d'onde à laquelle se produit le maximum. émissivité corps absolument noir. Le ratio qu'il a obtenu porte son nom.

À mesure que la température augmente, l'émissivité maximale changements vers la gauche (Fig. 26.3).

Riz. 26.3. Illustration de la loi de déplacement de Wien

Dans le tableau 26.2 montre les couleurs dans la partie visible du spectre correspondant au rayonnement des corps à différentes températures.

Tableau 26.2. Couleurs des corps chauffés

Grâce aux lois de Stefan-Boltzmann et de Wien, il est possible de déterminer les températures des corps en mesurant le rayonnement de ces corps. C'est par exemple ainsi que sont déterminées la température de la surface solaire (~6000 K), la température à l'épicentre d'une explosion (~10 6 K), etc. Nom commun ces méthodes - pyrométrie.

En 1900, M. Planck reçut une formule pour calculer émissivité corps absolument noir en théorie. Pour ce faire, il a dû abandonner les idées classiques sur continuité processus de rayonnement des ondes électromagnétiques. Selon Planck, le flux de rayonnement est constitué de parties distinctes - quantes, dont les énergies sont proportionnelles aux fréquences de la lumière :

A partir de la formule (26.11), on peut théoriquement obtenir les lois de Stefan-Boltzmann et de Wien.

26.4. Rayonnement du Soleil

Dans système solaire Le soleil est la source de rayonnement thermique la plus puissante qui détermine la vie sur Terre. Le rayonnement solaire a des propriétés curatives (héliothérapie) et est utilisé comme moyen de durcissement. Il peut également fournir impact négatif sur le corps (brûlure, chaleur

Les spectres du rayonnement solaire à la limite de l'atmosphère terrestre et à la surface de la Terre sont différents (Fig. 26.4).

Riz. 26.4. Spectre du rayonnement solaire : 1 - à la limite de l'atmosphère, 2 - à la surface de la Terre

A la limite de l'atmosphère, le spectre du Soleil est proche de celui d'un corps complètement noir. L'émissivité maximale se produit à λ 1max= 470 nm (couleur bleue).

À la surface de la Terre, le spectre du rayonnement solaire a une forme plus complexe, associée à l'absorption dans l'atmosphère. En particulier, il ne contient pas la partie haute fréquence du rayonnement ultraviolet, nocive pour les organismes vivants. Ces rayons sont presque entièrement absorbés par la couche d’ozone. L'émissivité maximale se produit à λ2max= 555 nm (vert-jaune), ce qui correspond à la meilleure sensibilité oculaire.

Le flux de rayonnement thermique du Soleil à la limite de l'atmosphère terrestre détermine constante solaire JE.

Débit atteignant la surface de la terre, nettement moindre en raison de l'absorption dans l'atmosphère. Dans les conditions les plus favorables (soleil au zénith), elle ne dépasse pas 1120 W/m2. A Moscou au moment du solstice d'été (juin) - 930 W/m2.

La puissance du rayonnement solaire à la surface de la Terre et sa composition spectrale dépendent dans une large mesure de la hauteur du Soleil au-dessus de l'horizon. En figue. La figure 26.5 montre des courbes de répartition lissées de l'énergie solaire : I - hors de l'atmosphère ; II - lorsque le Soleil est à son zénith ; III - à une hauteur de 30° au-dessus de l'horizon ; IV - dans des conditions proches du lever et du coucher du soleil (10° au-dessus de l'horizon).

Riz. 26.5. Répartition de l'énergie dans le spectre solaire à différentes hauteurs au-dessus de l'horizon

Différentes composantes du spectre solaire traversent différemment l’atmosphère terrestre. La figure 26.6 montre la transparence de l'atmosphère à haute altitude du Soleil.

26.5. Fondements physiques de la thermographie

Le rayonnement thermique humain représente une part importante de ses pertes thermiques. Les pertes radiatives d'une personne sont égales à la différence émis flux et absorbé flux de rayonnement environnement. La puissance de perte radiative est calculée à l'aide de la formule

où S est la superficie ; δ - coefficient d'absorption réduit de la peau (vêtements), considéré comme corps gris ; T 1 - température de la surface du corps (vêtements) ; T 0 - température ambiante.

Considérez l'exemple suivant.

Calculons la puissance de perte radiative homme nuà une température ambiante de 18°C ​​(291 K). Supposons : surface corporelle S = 1,5 m2 ; température cutanée T 1 = 306 K (33°C). Le coefficient d'absorption cutanée donné peut être trouvé dans le tableau. 26.1 (δ = 5,1*10 -8 W/m 2 K 4). En substituant ces valeurs dans la formule (26.11), on obtient

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

Riz. 26.6. Transparence de l'atmosphère terrestre (en pourcentage) pour différentes parties du spectre à haute altitude station du Soleil.

Le rayonnement thermique humain peut être utilisé comme paramètre de diagnostic.

Thermographie - une méthode de diagnostic basée sur la mesure et l'enregistrement du rayonnement thermique de la surface du corps humain ou de ses parties individuelles.

La répartition de la température sur une petite zone de la surface du corps peut être déterminée à l'aide de films à cristaux liquides spéciaux. De tels films sont sensibles aux petits changements de température (changement de couleur). Ainsi, un « portrait » thermique couleur de la zone du corps sur laquelle il est appliqué apparaît sur le film.

Une méthode plus avancée consiste à utiliser des caméras thermiques qui convertissent le rayonnement infrarouge en lumière visible. Le rayonnement corporel est projeté sur la matrice de la caméra thermique à l'aide d'une lentille spéciale. Après conversion, un portrait thermique détaillé est formé sur l'écran. Les zones de températures différentes diffèrent par leur couleur ou leur intensité. Les méthodes modernes permettent d'enregistrer des différences de température allant jusqu'à 0,2 degrés.

Les portraits thermiques sont utilisés dans les diagnostics fonctionnels. Diverses pathologies des organes internes peuvent former des zones cutanées dont la température est altérée en surface. La détection de telles zones indique la présence d'une pathologie. La méthode thermographique facilite le diagnostic différentiel entre tumeurs bénignes et malignes. Cette méthode est un moyen objectif de contrôler l'efficacité des traitements thérapeutiques. Ainsi, lors d'un examen thermographique de patients atteints de psoriasis, il a été constaté qu'en présence d'une infiltration prononcée et d'une hyperémie dans les plaques, on note une augmentation de la température. Une diminution de la température au niveau des zones environnantes indique dans la plupart des cas régression processus sur la peau.

Une température élevée est souvent un indicateur d’infection. Pour déterminer la température d'une personne, il suffit de regarder son visage et son cou à travers un appareil infrarouge. Pour les personnes en bonne santé, le rapport entre la température du front et la température de l'artère carotide varie de 0,98 à 1,03. Ce ratio peut être utilisé pour des diagnostics express lors d'épidémies pour la mise en œuvre de mesures de quarantaine.

26.6. Photothérapie. Utilisations thérapeutiques de la lumière ultraviolette

Le rayonnement infrarouge, la lumière visible et le rayonnement ultraviolet sont largement utilisés en médecine. Rappelons leurs gammes de longueurs d'onde :

Photothérapie appelé l'utilisation des rayonnements infrarouges et visibles à des fins médicales.

En pénétrant dans les tissus, les rayons infrarouges (comme les visibles) au point d'absorption provoquent un dégagement de chaleur. La profondeur de pénétration des rayons infrarouges et visibles dans la peau est illustrée à la Fig. 26.7.

Riz. 26.7. Profondeur de pénétration des radiations dans la peau

Dans la pratique médicale, des irradiateurs spéciaux sont utilisés comme sources de rayonnement infrarouge (Fig. 26.8).

La lampe de Minine Il s'agit d'une lampe à incandescence dotée d'un réflecteur qui localise le rayonnement dans la direction souhaitée. La source de rayonnement est une lampe à incandescence de 20 à 60 W en verre incolore ou bleu.

Bain thermal léger Il s'agit d'un cadre semi-cylindrique composé de deux moitiés reliées de manière mobile l'une à l'autre. Sur la surface intérieure du cadre, face au patient, sont montées des lampes à incandescence d'une puissance de 40 W. Dans de tels bains, l'objet biologique est exposé à des rayonnements infrarouges et visibles, ainsi qu'à de l'air chauffé dont la température peut atteindre 70°C.

Lampe Sollux Il s'agit d'une puissante lampe à incandescence placée dans un réflecteur spécial sur un trépied. La source de rayonnement est une lampe à incandescence de 500 W (température du filament de tungstène 2 800 °C, le rayonnement maximum se produit à une longueur d'onde de 2 μm).

Riz. 26.8. Irradiateurs : lampe Minin (a), bain de lumière et de chaleur (b), lampe Sollux (c)

Utilisations thérapeutiques de la lumière ultraviolette

Le rayonnement ultraviolet utilisé à des fins médicales est divisé en trois gammes :

Lorsque le rayonnement ultraviolet est absorbé par les tissus (peau), diverses réactions photochimiques et photobiologiques se produisent.

Les sources de rayonnement utilisées sont lampes haute pression(arc, mercure, tubulaire), luminescent lampes à décharge lampes basse pression, L'une des variétés est celle des lampes bactéricides.

Rayonnement A a un effet érythémal et bronzant. Il est utilisé dans le traitement de nombreuses maladies dermatologiques. Certains composés chimiques de la série des furocoumarines (par exemple le psoralène) peuvent sensibiliser la peau de ces patients aux rayons ultraviolets à ondes longues et stimuler la formation de pigment mélanique dans les mélanocytes. L'utilisation combinée de ces médicaments avec le rayonnement A est à la base d'une méthode de traitement appelée photochimiothérapie ou Thérapie PUVA(PUVA : P - psoralène ; UVA - rayonnement ultraviolet de la zone A). Une partie ou la totalité du corps est exposée aux radiations.

Rayonnement B a un effet anti-rachitisme formateur de vatimine.

Rayonnement C a un effet bactéricide. Lorsqu'elle est irradiée, la structure des micro-organismes et des champignons est détruite. Le rayonnement C est créé par des lampes bactéricides spéciales (Fig. 26.9).

Certaines techniques de traitement utilisent le rayonnement C pour irradier le sang.

Jeûne ultraviolet. Le rayonnement ultraviolet est nécessaire au développement et au fonctionnement normal de l’organisme. Sa carence entraîne un certain nombre de maladies graves. Les habitants des conditions extrêmes sont confrontés à la famine aux ultraviolets

Riz. 26.9. Irradiateur bactéricide (a), irradiateur pour le nasopharynx (b)

Nord, travailleurs de l'industrie minière, du métro, habitants des grandes villes. Dans les villes, le manque de rayonnement ultraviolet est associé à la pollution de l’air atmosphérique par la poussière, la fumée et les gaz qui retiennent la partie UV du spectre solaire. Les fenêtres des locaux ne transmettent pas les rayons UV de longueur d'onde λ< 310 нм. Значительно снижают УФ-поток загрязненные стекла и занавеси (тюлевые занавески снижают УФ-излучение на 20 %). Поэтому на многих производствах и в быту наблюдается так называемая «биологическая полутьма». В первую очередь страдают дети (возрастает вероятность заболевания рахитом).

Les dangers du rayonnement ultraviolet

Exposition aux excès des doses de rayonnement ultraviolet sur le corps dans son ensemble et sur ses organes individuels conduisent à l'émergence d'un certain nombre de pathologies. Tout d'abord, cela s'applique aux conséquences d'un bronzage incontrôlé : brûlures, taches de vieillesse, lésions oculaires - développement de la photoophtalmie. L'effet du rayonnement ultraviolet sur l'œil est similaire à celui de l'érythème, car il est associé à la décomposition des protéines dans les cellules de la cornée et des muqueuses de l'œil. Les cellules vivantes de la peau humaine sont protégées des effets destructeurs des rayons UV « mortels ».

mi" cellules de la couche cornée de la peau. Les yeux sont privés de cette protection, donc avec une dose importante de rayonnement dans les yeux, après une période de latence, une inflammation de la cornée (kératite) et des muqueuses (conjonctivite) se développe. Cet effet est provoqué par des rayons d'une longueur d'onde inférieure à 310 nm. Il est nécessaire de protéger les yeux de ces rayons. Une attention particulière doit être portée à l'effet blastomogène des rayons UV, conduisant au développement du cancer de la peau.

26.7. Concepts et formules de base

Suite du tableau

Fin de tableau

26.8. Tâches

2. Déterminer combien de fois les luminosités énergétiques des zones de la surface du corps humain qui ont des températures de 34 et 33 °C, respectivement, diffèrent ?

3. Lors du diagnostic d'une tumeur du sein par thermographie, la patiente reçoit une solution de glucose à boire. Après un certain temps, le rayonnement thermique de la surface du corps est enregistré. Les cellules des tissus tumoraux absorbent intensément le glucose, ce qui augmente leur production de chaleur. De combien de degrés la température de la zone cutanée au-dessus de la tumeur change-t-elle si le rayonnement de la surface augmente de 1 % (1,01 fois) ? La température initiale de la zone corporelle est de 37°C.

6. De combien la température du corps humain a-t-elle augmenté si le flux de rayonnement provenant de la surface du corps augmentait de 4 % ? La température corporelle initiale est de 35°C.

7. Il y a deux théières identiques dans la pièce, contenant masses égales eau à 90°C. L'un d'eux est nickelé et l'autre est foncé. Quelle bouilloire refroidira plus rapidement ? Pourquoi?

Solution

Selon la loi de Kirchhoff, le rapport entre les capacités d'émission et d'absorption est le même pour tous les corps. La théière nickelée reflète presque toute la lumière. Sa capacité d’absorption est donc faible. L'émissivité est donc faible.

Répondre: Une bouilloire sombre refroidira plus rapidement.

8. Pour détruire les coléoptères nuisibles, les céréales sont exposées à une irradiation infrarouge. Pourquoi les insectes meurent-ils mais pas les céréales ?

Répondre: les bugs ont noir couleur, ils absorbent donc intensément le rayonnement infrarouge et meurent.

9. Lors du chauffage d'un morceau d'acier, nous observons une chaleur rouge cerise brillante à une température de 800°C, mais une tige transparente de quartz fondu à la même température ne brille pas du tout. Pourquoi?

Solution

Voir problème 7. Un corps transparent absorbe une petite partie de la lumière. Son émissivité est donc faible.

Répondre: le corps transparent ne rayonne pratiquement pas, même lorsqu'il est très chauffé.

10. Pourquoi dans température froide Combien d’animaux dorment recroquevillés en boule ?

Répondre: dans le même temps, la surface ouverte du corps diminue et, par conséquent, les pertes par rayonnement diminuent.