Radiația termică se numesc unde electromagnetice emise de atomi, care sunt excitate datorită energiei mișcării lor termice. Dacă radiația este în echilibru cu materia, se numește radiație termică de echilibru.

Toate corpurile la o temperatură T > 0 K emit unde electromagnetice. Gazele monoatomice rarefiate dau spectre de emisie de linii, gazele poliatomice și lichidele dau spectre cu dungi, adică regiuni cu un set aproape continuu de lungimi de undă. Solidele emit spectre continue constând din toate lungimile de undă posibile. Ochiul uman vede radiația într-un interval limitat de lungimi de undă de la aproximativ 400 la 700 nm. Pentru ca o persoană să poată vedea radiațiile corpului, temperatura corpului trebuie să fie de cel puțin 700 o C.

Radiația termică se caracterizează prin următoarele mărimi:

W- energia radiației (în J);

(J/(s.m 2) - luminozitate energetică (D.S.- zona radianta

suprafaţă). Luminozitate energetică R- în sens -

este energia emisă pe unitate de suprafață pe unitate

timp pentru toate lungimile de undă l de la 0 la .

Pe lângă aceste caracteristici, numite integrale, mai folosesc caracteristici spectrale, care iau în considerare cantitatea de energie emisă pe unitatea de interval de lungime de undă sau unitatea de interval

absorbție (coeficient de absorbție) este raportul dintre fluxul de lumină absorbit și fluxul incident, luat într-un interval mic de lungimi de undă aproape de o lungime de undă dată.

Densitatea spectrală a luminozității energiei este numeric egală cu puterea de radiație pe unitatea de suprafață a acestui corp într-un interval de frecvență de lățime unitară.



Radiația termică și natura ei. Dezastru ultraviolet. Curba de distribuție radiatii termice. Ipoteza lui Planck.

RADIAȚIE TERMICĂ (radiație de temperatură) - el-magn. radiația emisă de o substanță și care provine din interiorul acesteia. energie (spre deosebire, de exemplu, de luminiscență, care este excitată de surse de energie externe). T. și. are un spectru continuu, a cărui poziție maximă depinde de temperatura substanței. Pe măsură ce crește, energia totală a radiațiilor emise crește, iar maximul se deplasează în regiunea lungimilor de undă scurte. T. și. emite, de exemplu, suprafața metalului fierbinte, atmosfera pământului etc.

T. și. apare în condiții de echilibru detaliat într-o substanță (vezi Principiul de echilibru detaliat) pentru toți non-radianții. procese, adică pentru decomp. tipuri de ciocniri de particule în gaze și plasme, pentru schimbul de energii electronice și vibraționale. mișcări în solide etc. Starea de echilibru a materiei în fiecare punct din spațiu este starea termodinamică locală. echilibru (LTE) - în acest caz se caracterizează prin valoarea temperaturii, de care depinde temperatura. în acest moment.

ÎN caz general sisteme de corpuri, pentru care se efectuează numai LTE și descompunere. punctele de tăiere au diferite temperaturi, T. și. nu este în stare termodinamică. echilibru cu materia. Corpurile mai fierbinți emit mai mult decât absorb, iar corpurile mai reci fac opusul. Există un transfer de radiații de la corpurile mai fierbinți la cele mai reci. Pentru a menține o stare staționară, în care se menține distribuția temperaturii în sistem, este necesar să se compenseze pierderea de energie termică cu un corp radiant mai fierbinte și să o îndepărteze din corpul mai rece.

La termodinamică maximă În echilibru, toate părțile unui sistem de corpuri au aceeași temperatură, iar energia energiei termice emisă de fiecare corp este compensată de energia energiei termice absorbită de acest corp. alte corpuri În acest caz, are loc un echilibru detaliat și pentru radiatoare. tranziții, T. și. este în termodinamică echilibru cu substanța și numit radiația este echilibru (radiația unui corp absolut negru este echilibru). Spectrul radiației de echilibru nu depinde de natura substanței și este determinat de legea radiației lui Planck.

Pentru T. și. Pentru corpurile non-negre, legea radiației lui Kirchhoff este valabilă, conectându-le să emită. și absorb. abilități cu emit. capacitatea unui corp complet negru.

În prezența LTE, aplicând legile radiațiilor lui Kirchhoff și Planck la emisia și absorbția T. și. în gaze și plasme, este posibil să se studieze procesele de transfer de radiații. Această considerație este utilizată pe scară largă în astrofizică, în special în teoria atmosferelor stelare.

Dezastru ultraviolet - termen fizic, descriind paradoxul fizica clasica, constând în faptul că puterea totală a radiației termice a oricărui corp încălzit ar trebui să fie infinită. Paradoxul și-a primit numele pentru că densitatea spectrală energia radiației ar fi trebuit să crească nelimitat pe măsură ce lungimea de undă se scurta.

În esență, acest paradox a arătat, dacă nu inconsecvența internă a fizicii clasice, atunci cel puțin o discrepanță extrem de ascuțită (absurdă) cu observațiile elementare și experimentul.

Deoarece acest lucru nu este în concordanță cu observația experimentală, în sfârşitul XIX-lea secol, au apărut dificultăți în descrierea caracteristicilor fotometrice ale corpurilor.

Problema a fost rezolvată folosind teoria cuantică radiații de Max Planck în 1900.

Ipoteza lui Planck este o ipoteză înaintată la 14 decembrie 1900 de Max Planck, care afirmă că în timpul radiației termice energia este emisă și absorbită nu continuu, ci în cuante (porțiuni) separate. Fiecare astfel de porțiune cuantică are o energie proporțională cu frecvența ν a radiației:

unde h sau este coeficientul de proporționalitate, numit mai târziu constanta lui Planck. Pe baza acestei ipoteze, el a propus o derivare teoretică a relației dintre temperatura unui corp și radiația emisă de acest corp - formula lui Planck.

Ipoteza lui Planck a fost ulterior confirmată experimental.

§ 4 Luminozitate energetică. legea Stefan-Boltzmann.

Legea deplasării lui Wien

RE(luminozitate energetică integrată) - luminozitatea energetică determină cantitatea de energie emisă de o unitate de suprafață pe unitatea de timp pe întregul interval de frecvență de la 0 la ∞ la o anumită temperatură T.

Conexiune luminozitate energetică și emisivitate

[ R E ] = J/(m 2 s) = W/m 2

Legea lui J. Stefan (om de știință austriac) și L. Boltzmann (om de știință german)

Unde

σ = 5,67·10 -8 W/(m 2 · K 4) - constanta Steph-on-Boltzmann.

Luminozitatea energetică a unui corp negru este proporțională cu puterea a patra a temperaturii termodinamice.

Legea Stefan-Boltzmann, definind dependentaREpe temperatură nu oferă un răspuns cu privire la compoziția spectrală a radiațiilor corpului negru. Din curbele de dependență experimentalerλ,T din λ la diferit T rezultă că distribuția energiei în spectrul unui corp absolut negru este neuniformă. Toate curbele au un maxim, care, odată cu creșterea T se deplasează către lungimi de undă mai scurte. Aria limitată de curba de dependențărλ ,T din λ, este egal RE(asta rezultă din sensul geometric al integralei) și este proporțional T 4 .

Legea deplasării lui Wien (1864 - 1928): Lungimea, undele (λ max), care explică emisivitatea maximă a a.ch.t. la o anumită temperatură, invers proporțională cu temperatura T.

b= 2,9·10 -3 m·K - constanta lui Wien.

Deplasarea Wien are loc deoarece, pe măsură ce temperatura crește, emisivitatea maximă se deplasează către lungimi de undă mai scurte.

§ 5 Formula Rayleigh-Jeans, formula Wien și catastrofa ultravioletă

Legea Stefan-Boltzmann ne permite sa determinam luminozitatea energeticaREa.ch.t. in functie de temperatura acestuia. Legea deplasării lui Wien leagă temperatura corpului de lungimea de undă la care are loc emisivitatea maximă. Dar nici una, nici cealaltă lege nu rezolvă problema principală a cât de mare este capacitatea de emisie a radiațiilor pentru fiecare λ din spectrul a.ch.t. la temperatura T. Pentru a face acest lucru, trebuie să stabiliți o dependență funcționalărλ ,T din λ și T.

Bazat pe ideea naturii continue a emisiilor unde electromagneticeîn legea distribuției uniforme a energiilor pe grade de libertate s-au obținut două formule pentru emisivitatea AC:

  • Formula de vin

Unde O, b = const.

  • Formula Rayleigh-Jeans

k =1,38·10 -23 J/K - constanta lui Boltzmann.

Testele experimentale au arătat că, pentru o anumită temperatură, formula lui Wien este corectă pentru undele scurte și oferă discrepanțe puternice cu experimentul din regiunea undelor lungi. Formula Rayleigh-Jeans s-a dovedit a fi adevărată pentru undele lungi și nu este valabilă pentru cele scurte.

Studiul radiațiilor termice folosind formula Rayleigh-Jeans a arătat că, în cadrul fizicii clasice, este imposibil de rezolvat problema funcției care caracterizează emisivitatea AC. Acest încercare nereușită explicații ale legilor radiațiilor a.ch.t. Folosind aparatul fizicii clasice, a fost numită „catastrofa ultravioletă”.

Dacă încerci să calculeziREfolosind formula Rayleigh-Jeans, atunci

  • “ dezastru ultraviolet”

§6 Ipoteza cuantică și formula lui Planck.

În 1900, M. Planck (un om de știință german) a înaintat o ipoteză conform căreia emisia și absorbția energiei nu are loc continuu, ci în anumite porțiuni mici - cuante, iar energia unui cuantum este proporțională cu frecvența oscilațiilor. (Formula lui Planck):

h = 6,625·10 -34 J·s - constanta lui Planck sau

Unde

Deoarece radiația are loc în porțiuni, energia oscilatorului (atomul oscilant, electronul) E ia numai valori care sunt multipli ai unui număr întreg de porțiuni elementare de energie, adică numai valori discrete

E = n E o = nhν .

EFECT FOTOELECTRIC

Influența luminii asupra cursului proceselor electrice a fost studiată pentru prima dată de Hertz în 1887. El a efectuat experimente cu un descărcator electric și a descoperit că atunci când este iradiat cu radiații ultraviolete, descărcarea are loc la o tensiune semnificativ mai mică.

În 1889-1895. A.G. Stoletov a studiat efectul luminii asupra metalelor folosind următoarea schemă. Doi electrozi: catodul K din metalul studiat și anodul A (în schema lui Stoletov - o plasă metalică care transmite lumina) într-un tub vidat sunt conectați la baterie astfel încât cu ajutorul rezistenței R puteți modifica valoarea și semnul tensiunii aplicate acestora. Când catodul de zinc a fost iradiat, în circuit a trecut un curent, înregistrat cu un miliampermetru. Prin iradierea catodului cu lumină de diferite lungimi de undă, Stoletov a stabilit următoarele principii de bază:

  • Radiația ultravioletă are cel mai puternic efect;
  • Când sunt expuse la lumină, sarcinile negative sunt eliberate din catod;
  • Puterea curentului generat de lumină este direct proporțională cu intensitatea acesteia.

Lenard și Thomson în 1898 au măsurat sarcina specifică ( e/ m), particulele fiind rupte și s-a dovedit că este egală cu sarcina specifică a unui electron, prin urmare, electronii sunt ejectați din catod.

§ 2 Efect fotoelectric extern. Trei legi ale efectului fotoelectric extern

Efectul fotoelectric extern este emisia de electroni de către o substanță sub influența luminii. Electronii emiși de o substanță în timpul efectului fotoelectric extern se numesc fotoelectroni, iar curentul pe care îl generează se numește fotocurent.

Folosind schema lui Stoletov, următoarea dependență a fotocurentului detensiune aplicată la constantă flux luminos F(adică a fost obținută caracteristica curent-tensiune):

La o anumită tensiuneUNfotocurent ajunge la saturațieeu n - toți electronii emiși de catod ajung la anod, de unde curentul de saturațieeu n determinată de numărul de electroni emiși de catod pe unitatea de timp sub influența luminii. Numărul de fotoelectroni eliberați este proporțional cu numărul de cuante de lumină incidente pe suprafața catodului. Iar numărul de cuante de lumină este determinat de fluxul luminos F, incident pe catod. Numărul de fotoniN, căzând în timpt la suprafață este determinată de formula:

Unde W- energia de radiație primită de suprafață în timpul Δt,

Energia fotonică,

F e -flux luminos (putere de radiație).

Prima lege a efectului fotoelectric extern (Legea lui Stoletov):

La o frecvență fixă ​​a luminii incidente, fotocurentul de saturație este proporțional cu fluxul de lumină incidentă:

euS.U.A~ Ф, ν =const

Uh - tensiune de mentinere- tensiunea la care nici un electron nu poate ajunge la anod. În consecință, legea conservării energiei în acest caz poate fi scrisă: energia electronilor emiși este egală cu energia de oprire a câmpului electric

prin urmare se poate găsi viteza maxima fotoelectroni emisiVmax

A doua lege a efectului fotoelectric : viteza inițială maximăVmaxfotoelectronii nu depind de intensitatea luminii incidente (de la F), și este determinată numai de frecvența sa ν

A treia lege a efectului fotoelectric : pentru fiecare substanta exista efect foto „chenar roșu”., adică frecvența minimă ν kp, în funcție de natura chimică a substanței și de starea suprafeței acesteia, la care efectul fotoelectric extern este încă posibil.

A doua și a treia lege ale efectului fotoelectric nu pot fi explicate folosind natura ondulatorie a luminii (sau teoria electromagnetică clasică a luminii). Conform acestei teorii, ejecția electronilor de conducție dintr-un metal este rezultatul „oscilației” acestora de către câmpul electromagnetic al unei unde luminoase. Odată cu creșterea intensității luminii ( F) energia transferată de electronul metalului trebuie să crească, prin urmare, aceasta trebuie să creascăVmax, iar aceasta contrazice legea a 2-a a efectului fotoelectric.

Deoarece, conform teoriei undelor, energia transmisă de câmpul electromagnetic este proporțională cu intensitatea luminii ( F), apoi orice lumină; frecventa, dar cu o intensitate suficient de mare, ar trebui sa scoata electronii din metal, adica limita rosie a efectului fotoelectric nu ar exista, ceea ce contrazice legea a 3-a a efectului fotoelectric. Efectul fotoelectric extern este inerțial. Dar teoria undelor nu poate explica inerția ei.

§ 3 Ecuația lui Einstein pentru efectul fotoelectric extern.

Funcția de lucru

În 1905, A. Einstein a explicat efectul fotoelectric pe baza conceptelor cuantice. Potrivit lui Einstein, lumina nu este emisă doar de cuante în conformitate cu ipoteza lui Planck, ci se răspândește în spațiu și este absorbită de materie în porțiuni separate - cuante cu energie E 0 = hv. Se numesc cuante de radiație electromagnetică fotonii.

Ecuația lui Einstein (legea conservării energiei pentru efectul foto extern):

Incident de energie fotonică hv se cheltuiește pentru ruperea unui electron din metal, adică pentru funcția de lucru Și afarăși să comunice energie cinetică fotoelectronului emis.

Se numește energia minimă care trebuie transmisă unui electron pentru a-l îndepărta dintr-un solid în vid functia de lucru.

De când energia Ferm până E Fdepinde de temperatura si E F, se modifică și odată cu schimbările de temperatură, apoi, în consecință, Și afară depinde de temperatura.

În plus, funcția de lucru este foarte sensibilă la curățarea suprafeței. Aplicarea unui film pe suprafață ( Sa, SG, Va) pe WȘi afarăscade de la 4,5 eV pentru purW până la 1,5 ÷ 2 eV pentru impuritateW.

Ecuația lui Einstein ne permite să explicăm în c cele trei legi ale fotoefectului extern,

Legea 1: fiecare cuantă este absorbită de un singur electron. Prin urmare, numărul de fotoelectroni ejectați ar trebui să fie proporțional cu intensitatea ( F) Sveta

a 2-a lege: Vmax~ ν etc. Și afară nu depinde de F, atunciVmax nu depinde de F

A 3-a lege: Pe măsură ce ν scade, acesta scadeVmax iar pentru ν = ν 0 Vmax = 0, prin urmare,hν 0 = Și afară, prin urmare, i.e. Există o frecvență minimă de la care este posibil efectul fotoelectric extern.

1. Caracteristicile radiațiilor termice.

2. Legea lui Kirchhoff.

3. Legile radiației corpului negru.

4. Radiația de la Soare.

5. Bazele fizice termografie.

6. Fototerapie. Utilizare medicinală ultraviolet.

7. Concepte și formule de bază.

8. Sarcini.

Dintre întreaga varietate de radiații electromagnetice, vizibile sau invizibile pentru ochiul uman, se poate evidenția una care este inerentă tuturor corpurilor - aceasta este radiația termică.

Radiația termică- radiatii electromagnetice, emisă de o substanță și ia naștere din cauza energiei sale interne.

Radiația termică este cauzată de excitarea particulelor de materie în timpul ciocnirilor în timpul mișcării termice sau mișcării accelerate a sarcinilor (oscilații ale ionilor rețelei cristaline, mișcarea termică a electronilor liberi etc.). Apare la orice temperatură și este inerentă tuturor corpurilor. O trăsătură caracteristică a radiației termice este spectru continuu.

Intensitatea radiației și compoziția spectrală depind de temperatura corpului, astfel încât radiația termică nu este întotdeauna percepută de ochi ca o strălucire. De exemplu, corpurile încălzite la o temperatură ridicată emit o parte semnificativă a energiei în domeniul vizibil, iar la temperatura camerei aproape toată energia este emisă în partea infraroșu a spectrului.

26.1. Caracteristicile radiațiilor termice

Energia pe care o pierde un corp din cauza radiațiilor termice se caracterizează prin următoarele mărimi.

Fluxul de radiații(F) - energie emisă pe unitatea de timp de pe întreaga suprafață a corpului.

De fapt, aceasta este puterea radiației termice. Dimensiunea fluxului de radiație este [J/s = W].

Luminozitate energetică(Re) este energia radiației termice emisă pe unitatea de timp de la o unitate de suprafață a unui corp încălzit:

Dimensiunea acestei caracteristici este [W/m2].

Atât fluxul de radiație, cât și luminozitatea energetică depind de structura substanței și de temperatura acesteia: Ф = Ф(Т), Re = Re(T).

Distribuția luminozității energetice pe spectrul radiațiilor termice o caracterizează densitatea spectrală. Să notăm energia radiației termice emisă de o singură suprafață în 1 s într-un interval îngust de lungimi de undă de la λ la λ + d λ, prin dRe.

Densitatea spectrală a luminozității energetice(r) sau emisivitate se numește raportul dintre luminozitatea energetică dintr-o parte îngustă a spectrului (dRe) și lățimea acestei părți (dλ):

Forma aproximativă a densității spectrale și a luminozității energetice (dRe) în intervalul de lungimi de undă de la λ la λ + d λ, prezentată în fig. 26.1.

Orez. 26.1. Densitatea spectrală a luminozității energetice

Se numește dependența densității spectrale a luminozității energetice de lungimea de undă spectrul de radiații al corpului. Cunoașterea acestei dependențe permite să se calculeze luminozitatea energetică a unui corp în orice interval de lungimi de undă:

Corpurile nu numai că emit, ci și absorb radiații termice. Capacitatea unui corp de a absorbi energia radiației depinde de substanța, temperatura și lungimea de undă a radiației. Capacitatea de absorbție a organismului se caracterizează prin coeficientul de absorbție monocromaticα.

Lasă un curent să cadă pe suprafața corpului monocromatic radiație Φ λ cu lungimea de undă λ. O parte din acest flux este reflectată, iar o parte este absorbită de organism. Să notăm mărimea fluxului absorbit Φ λ abs.

Coeficientul de absorbție monocromatic α λ este raportul dintre fluxul de radiație absorbit de un corp dat și mărimea fluxului monocromatic incident:

Coeficientul de absorbție monocromatic este o mărime adimensională. Valorile sale sunt cuprinse între zero și unu: 0 ≤ α ≤ 1.

Funcția α = α(λ,T), care exprimă dependența coeficientului de absorbție monocromatic de lungimea de undă și temperatură, se numește capacitatea de absorbție corpuri. Aspectul său poate fi destul de complex. Cele mai simple tipuri de absorbție sunt discutate mai jos.

Corp negru pur- un corp al cărui coeficient de absorbție este egal cu unitatea pentru toate lungimile de undă: α = 1. Absoarbe toate radiațiile incidente asupra acestuia.

În ceea ce privește proprietățile lor de absorbție, funinginea, catifea neagră și negru de platină sunt aproape de corpul absolut negru. Un model foarte bun al unui corp negru este o cavitate închisă cu o gaură mică (O). Pereții cavității sunt înnegriți (Fig. 26.2.

Fasciculul care intră în această gaură este aproape complet absorbit după reflexii repetate de pe pereți. Dispozitive similare

Orez. 26.2. Model corp negru

utilizate ca etaloane de lumină, utilizate în măsurători temperaturi ridicate etc.

Densitatea spectrală a luminozității energetice a unui corp absolut negru se notează cu ε(λ,Τ). Această funcție este redată rol vitalîn teoria radiaţiei termice.

Forma sa a fost mai întâi stabilită experimental și apoi obținută teoretic (formula lui Planck). Corpul absolut alb

- un corp al cărui coeficient de absorbție este zero pentru toate lungimile de undă: α = 0.

Nu există corpuri cu adevărat albe în natură, dar există corpuri care sunt aproape de ele în proprietăți într-o gamă destul de largă de temperaturi și lungimi de undă. De exemplu, o oglindă în partea optică a spectrului reflectă aproape toată lumina incidentă. este un corp pentru care coeficientul de absorbție nu depinde de lungimea de undă: α = const< 1.

Unele corpuri reale au această proprietate într-un anumit interval de lungimi de undă și temperaturi. De exemplu, pielea umană din regiunea infraroșu poate fi considerată „gri” (α = 0,9).

26.2. legea lui Kirchhoff

Relația cantitativă dintre radiații și absorbție a fost stabilită de G. Kirchhoff (1859).

legea lui Kirchhoff- atitudine emisivitate trupul la al lui capacitatea de absorbție este aceeași pentru toate corpurile și este egală cu densitatea spectrală a luminozității energetice a unui corp absolut negru:

Să notăm câteva consecințe ale acestei legi.

1. Dacă un corp la o anumită temperatură nu absoarbe nicio radiație, atunci nu o emite. Într-adevăr, dacă pentru

26.3. Legile radiațiilor corpului negru

Legile radiației corpului negru au fost stabilite în următoarea secvență.

În 1879 J. Stefan experimental, iar în 1884 L. Boltzmann a determinat teoretic luminozitate energetică corp absolut negru.

legea Stefan-Boltzmann - Luminozitatea energetică a unui corp complet negru este proporțională cu a patra putere a temperaturii sale absolute:

Valorile coeficienților de absorbție pentru unele materiale sunt date în tabel. 26.1.

Tabelul 26.1. Coeficienți de absorbție

Fizicianul german W. Wien (1893) a stabilit o formulă pentru lungimea de undă la care apare maximul emisivitate corp absolut negru. Raportul pe care l-a obținut a fost numit după el.

Pe măsură ce temperatura crește, emisivitatea maximă schimburi spre stânga (Fig. 26.3).

Orez. 26.3. Ilustrație a legii deplasării lui Wien

În tabel 26.2 prezintă culorile din partea vizibilă a spectrului corespunzătoare radiației corpurilor la diferite temperaturi.

Tabelul 26.2. Culorile corpurilor încălzite

Folosind legile Stefan-Boltzmann și Wien, este posibil să se determine temperaturile corpurilor prin măsurarea radiației acestor corpuri. De exemplu, așa se determină temperatura suprafeței solare (~6000 K), temperatura la epicentrul unei explozii (~10 6 K), etc. Nume comun aceste metode - pirometrie.

În 1900, M. Planck a primit o formulă de calcul emisivitate corp absolut negru teoretic. Pentru a face acest lucru, a trebuit să abandoneze ideile clasice despre continuitate proces de radiație a undelor electromagnetice. Potrivit lui Planck, fluxul de radiație constă din porțiuni separate - cuante, ale căror energii sunt proporționale cu frecvențele luminii:

Din formula (26.11) se pot obține teoretic legile Stefan-Boltzmann și Wien.

26.4. Radiația de la Soare

În sistemul solar Soarele este cea mai puternică sursă de radiație termică care determină viața pe Pământ. Radiația solară are proprietăți curative (helioterapia) și este folosită ca mijloc de întărire. De asemenea, poate oferi impact negativ asupra corpului (arsură, căldură

Spectre radiatia solara la hotar atmosfera pământuluiși lângă suprafața Pământului sunt diferite (Fig. 26.4).

Orez. 26.4. Spectrul radiației solare: 1 - la limita atmosferei, 2 - la suprafața Pământului

La limita atmosferei, spectrul Soarelui este aproape de spectrul unui corp complet negru. Emisivitatea maximă are loc la λ 1max= 470 nm (culoare albastră).

La suprafața Pământului, spectrul radiației solare are o formă mai complexă, care este asociată cu absorbția în atmosferă. În special, nu conține partea de înaltă frecvență a radiațiilor ultraviolete, care este dăunătoare organismelor vii. Aceste raze sunt aproape complet absorbite de stratul de ozon. Emisivitatea maximă are loc la λ 2max= 555 nm (verde-galben), ceea ce corespunde cu cea mai bună sensibilitate a ochilor.

Fluxul de radiații termice de la Soare la limita atmosferei Pământului determină constantă solară eu.

Atingerea fluxului suprafata pamantului, semnificativ mai puțin datorită absorbției în atmosferă. În cele mai favorabile condiții (soarele la zenit) nu depășește 1120 W/m2. La Moscova la momentul solstițiului de vară (iunie) - 930 W/m2.

Atât puterea radiației solare la suprafața pământului, cât și compoziția sa spectrală depind cel mai semnificativ de înălțimea Soarelui deasupra orizontului. În fig. 26.5 prezintă curbele netezite de distribuție a energiei lumina soarelui: I - în afara atmosferei; II - când Soarele este la zenit; III - la o înălțime de 30° deasupra orizontului; IV - în condiții apropiate de răsăritul și apusul soarelui (10° deasupra orizontului).

Orez. 26.5. Distribuția energiei în spectrul solar la diferite înălțimi deasupra orizontului

Diferite componente ale spectrului solar trec prin atmosfera pământului în mod diferit. Figura 26.6 arată transparența atmosferei la o altitudine mare a Soarelui.

26.5. Bazele fizice ale termografiei

Radiația termică umană reprezintă o proporție semnificativă din pierderile sale termice. Pierderile radiative ale unei persoane sunt egale cu diferența emise curgere și absorbit flux de radiații mediu. Puterea de pierdere radiativă se calculează folosind formula

unde S este aria suprafeței; δ - coeficient redus de absorbtie a pielii (imbracaminte), considerat ca corp gri; T 1 - temperatura suprafeței corpului (îmbrăcăminte); T 0 - temperatura ambiantă.

Luați în considerare următorul exemplu.

Să calculăm puterea de pierdere radiativă bărbat gol la o temperatură ambientală de 18°C ​​(291 K). Să presupunem: aria suprafeței corporale S = 1,5 m2; temperatura pielii T 1 = 306 K (33°C). Coeficientul de absorbție al pielii dat poate fi găsit din tabel. 26.1 (δ = 5,1*10 -8 W/m2K4). Înlocuind aceste valori în formula (26.11), obținem

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

Orez. 26.6. Transparența atmosferei pământului (în procente) pentru diferite părți ale spectrului la mare altitudine stația Soarelui.

Radiația termică umană poate fi utilizată ca parametru de diagnostic.

Termografie - o metodă de diagnosticare bazată pe măsurarea și înregistrarea radiațiilor termice de la suprafața corpului uman sau părțile sale individuale.

Distribuția temperaturii pe o zonă mică a suprafeței corpului poate fi determinată folosind filme speciale cu cristale lichide. Astfel de filme sunt sensibile la mici schimbări de temperatură (schimbă culoarea). Prin urmare, pe film apare un „portret” termic color al zonei corpului pe care este aplicat.

O metodă mai avansată este utilizarea camerelor de termoviziune care convertesc radiația infraroșie în lumină vizibilă. Radiația corpului este proiectată pe matricea camerei termice folosind o lentilă specială. După conversie, pe ecran se formează un portret termic detaliat. Zonele cu temperaturi diferite diferă ca culoare sau intensitate. Metodele moderne fac posibilă înregistrarea diferențelor de temperatură de până la 0,2 grade.

Portretele termice sunt folosite în diagnosticarea funcțională. Diverse patologii organele interne poate forma zone de temperatură alterată pe suprafața pielii. Detectarea unor astfel de zone indică prezența patologiei. Metoda termografică facilitează diagnosticul diferențial dintre tumorile benigne și cele maligne. Această metodă este un mijloc obiectiv de monitorizare a eficacității tratamentelor terapeutice. Astfel, în timpul unei examinări termografice a pacienților cu psoriazis, s-a constatat că în prezența unei infiltrații pronunțate și a hiperemiei în plăci, se observă o creștere a temperaturii. O scădere a temperaturii la nivelul zonelor înconjurătoare indică în cele mai multe cazuri regresie proces pe piele.

O temperatură ridicată este adesea un indicator al infecției. Pentru a determina temperatura unei persoane, trebuie doar să priviți fața și gâtul printr-un dispozitiv cu infraroșu. Pentru oameni sanatosi raportul dintre temperatura frunții și temperatura în artera carotidă variază de la 0,98 la 1,03. Acest raport poate fi utilizat pentru diagnosticare expresă în timpul epidemiei pentru realizarea măsurilor de carantină.

26.6. Fototerapie. Utilizări terapeutice ale luminii ultraviolete

Radiațiile infraroșii, lumina vizibilă și radiațiile ultraviolete sunt utilizate pe scară largă în medicină. Să ne amintim intervalele lor de lungimi de undă:

Fototerapie numită aplicație în scopuri medicinale radiații infraroșii și vizibile.

Pătrunzând în țesuturi, razele infraroșii (precum cele vizibile) în punctul de absorbție determină eliberarea de căldură. Adâncimea de penetrare a razelor infraroșii și vizibile în piele este prezentată în Fig. 26.7.

Orez. 26.7. Adâncimea de penetrare a radiațiilor în piele

În practica medicală, iradiatoarele speciale sunt folosite ca surse de radiații infraroșii (Fig. 26.8).

Lampa lui Minin Este o lampă incandescentă cu reflector care localizează radiația în direcția dorită. Sursa de radiație este o lampă cu incandescență de 20-60 W din sticlă incoloră sau albastră.

Baie usoara-termica este un cadru semicilindric format din două jumătăți, conectate mobil între ele. Pe suprafața interioară a cadrului, cu fața către pacient, sunt montate lămpi cu incandescență cu o putere de 40 W. În astfel de băi obiect biologic Acționează radiațiile infraroșii și vizibile, precum și aerul încălzit, a cărui temperatură poate ajunge la 70°C.

Lampa Sollux Este o lampă cu incandescență puternică plasată într-un reflector special pe un trepied. Sursa de radiație este o lampă incandescentă cu o putere de 500 W (temperatura filamentului de wolfram 2.800°C, radiația maximă are loc la o lungime de undă de 2 μm).

Orez. 26.8. Iradiatoare: lampă Minin (a), baie de lumină-încălzire (b), lampă Sollux (c)

Utilizări terapeutice ale luminii ultraviolete

Radiația ultravioletă utilizată în scopuri medicale, sunt împărțite în trei intervale:

Când radiațiile ultraviolete sunt absorbite în țesuturi (piele), apar diverse reacții fotochimice și fotobiologice.

Sursele de radiații utilizate sunt lămpi de înaltă presiune(arc, mercur, tubular), luminescent lămpi, descărcare în gaz lămpi de joasă presiune, Una dintre soiurile cărora este lămpile bactericide.

Radiația A are efect eritemal și bronzant. Este utilizat în tratamentul multor boli dermatologice. Unii compuși chimici din seria furocumarinelor (de exemplu, psoralen) pot sensibiliza pielea acestor pacienți la radiațiile ultraviolete cu undă lungă și pot stimula formarea pigmentului de melanină în melanocite. Utilizarea combinată a acestor medicamente cu radiații A stă la baza unei metode de tratament numite fotochimioterapia sau Terapia PUVA(PUVA: P - psoralen; UVA - radiații ultraviolete din zona A). O parte sau întregul corp este expus la radiații.

radiații B are efect formator de vatimină, anti-rahitism.

radiații C are efect bactericid. La iradiere, structura microorganismelor și ciupercilor este distrusă. Radiația C este creată de lămpi bactericide speciale (Fig. 26.9).

Unele tehnici de tratament folosesc radiația C pentru a iradia sângele.

Postul cu ultraviolete. Radiațiile ultraviolete sunt necesare pentru dezvoltarea și funcționarea normală a organismului. Deficiența acestuia duce la o serie de boli grave. Locuitorii din condiții extreme se confruntă cu foamea ultraviolete

Orez. 26.9. Iradiator bactericid (a), iradiator pentru nazofaringe (b)

Nord, muncitori din industria minieră, metrou, locuitori ai orașelor mari. În orașe, lipsa radiațiilor ultraviolete este asociată cu poluarea aerului atmosferic cu praf, fum și gaze care rețin partea UV a spectrului solar. Ferestrele incintei nu transmit raze UV ​​cu lungimea de unda 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).

Pericolele radiațiilor ultraviolete

Expunerea la exces dozele de radiații ultraviolete asupra corpului în ansamblu și asupra organelor sale individuale duce la apariția unui număr de patologii. În primul rând, acest lucru se aplică consecințelor băilor de soare necontrolate: arsuri, pete de vârstă, leziuni oculare - dezvoltarea fotooftalmiei. Efectul radiațiilor ultraviolete asupra ochiului este similar cu eritemul, deoarece este asociat cu descompunerea proteinelor în celulele corneei și membranele mucoase ale ochiului. Celulele vii ale pielii umane sunt protejate de efectele distructive ale razelor UV „dead-

mi" celulele stratului cornos al pielii. Ochii sunt lipsiți de această protecție, prin urmare, cu o doză semnificativă de radiații către ochi, după o perioadă de latentă, se dezvoltă inflamația corneei (keratită) și a membranelor mucoase (conjunctivită). Acest efect este cauzat de razele cu o lungime de undă mai mică de 310 nm. Este necesar să protejați ochiul de astfel de raze. O atenție deosebită trebuie acordată efectului blastomogen al radiațiilor UV, care duce la dezvoltarea cancerului de piele.

26.7. Concepte și formule de bază

Continuarea tabelului

Sfârșitul mesei

26.8. Sarcini

2. Stabiliți de câte ori diferă luminozitățile energetice ale zonelor suprafeței corpului uman care au temperaturi de 34 și, respectiv, 33°C?

3. La diagnosticarea unei tumori mamare folosind termografie, pacientului i se administrează o soluție de glucoză de băut. După un timp, radiația termică a suprafeței corpului este înregistrată. Celulele țesutului tumoral absorb intens glucoza, ca urmare a creșterii producției de căldură. Cu câte grade se modifică temperatura zonei pielii de deasupra tumorii dacă radiația de la suprafață crește cu 1% (1,01 ori)? Temperatura inițială a zonei corpului este de 37°C.

6. Cât de mult a crescut temperatura corpului uman dacă fluxul de radiații de la suprafața corpului a crescut cu 4%? Temperatura initiala a corpului este de 35°C.

7. Există două ceainice identice în cameră, care conțin mase egale apa la 90°C. Una dintre ele este placată cu nichel, iar cealaltă este închisă la culoare. Ce fierbător se va răci mai repede? De ce?

Soluţie

Conform legii lui Kirchhoff, raportul dintre abilitățile de emisie și absorbție este același pentru toate corpurile. Ceainic placat cu nichel reflectă aproape toată lumina. Prin urmare, capacitatea sa de absorbție este scăzută. Emisivitatea este în mod corespunzător scăzută.

Răspuns: Un ibric întunecat se va răci mai repede.

8. Pentru a distruge gândacii dăunători, cerealele sunt expuse la iradiere cu infraroșu. De ce mor insectele, dar boabele nu?

Răspuns: bug-urile au negru culoare, astfel încât se absorb intens radiații infraroșii si mori.

9. Când se încălzește o bucată de oțel, vom observa o căldură roșu-vișiniu strălucitor la o temperatură de 800°C, dar o tijă transparentă de cuarț topit la aceeași temperatură nu strălucește deloc. De ce?

Soluţie

Vezi problema 7. Un corp transparent absoarbe o mică parte din lumină. Prin urmare, emisivitatea sa este scăzută.

Răspuns: corpul transparent practic nu radiaza, chiar si atunci cand este foarte incalzit.

10. De ce în vreme rece Câte animale dorm ghemuite într-o minge?

Răspuns:în același timp, suprafața deschisă a corpului scade și, în consecință, scad pierderile de radiații.

d Φ e (\displaystyle d\Phi _(e)), emisă de o zonă mică a suprafeței sursei de radiație, în zona acesteia d S (\displaystyle dS) : M e = d Φ e d S .

(\displaystyle M_(e)=(\frac (d\Phi _(e))(dS)).)

Din punct de vedere numeric, luminozitatea energetică este egală cu modulul mediu în timp al componentei vectoriale Poynting perpendiculară pe suprafață. În acest caz, media se realizează pe un timp care depășește semnificativ perioada oscilațiilor electromagnetice.

Radiația emisă poate apărea chiar în suprafață, atunci se vorbește despre o suprafață autoluminoasă. O altă opțiune este observată atunci când suprafața este iluminată din exterior. În astfel de cazuri, o parte din fluxul incident revine în mod necesar ca rezultat al împrăștierii și reflexiei. Atunci expresia pentru luminozitatea energetică are forma:

M e = (ρ + σ) ⋅ E e , (\displaystyle M_(e)=(\rho +\sigma)\cdot E_(e),)

Unde ρ (\displaystyle \rho )Şi σ (\displaystyle \sigma)- coeficientul de reflexie și respectiv coeficientul de împrăștiere al suprafeței și - iradierea acesteia.

Alte denumiri de luminozitate energetică, uneori folosite în literatură, dar neprevăzute de GOST: - emisivitateŞi emisivitate integrată.

Densitatea spectrală a luminozității energetice

Densitatea spectrală a luminozității energetice M e , λ (λ) (\displaystyle M_(e,\lambda)(\lambda))- raportul mărimii luminozității energetice d M e (λ) , (\displaystyle dM_(e)(\lambda),) căzând pe un interval spectral mic d λ , (\displaystyle d\lambda ,), a încheiat între λ (\displaystyle \lambda)Şi λ + d λ (\displaystyle \lambda +d\lambda), la lățimea acestui interval:

Me, λ (λ) = d Me (λ) d λ .

(\displaystyle M_(e,\lambda)(\lambda)=(\frac (dM_(e)(\lambda))(d\lambda)).)

Unitatea de măsură SI este W m−3. Deoarece lungimile de undă ale radiației optice sunt de obicei măsurate în nanometri, în practică este adesea folosită W m -2 nm -1. Uneori în literatură M e , λ (\displaystyle M_(e,\lambda)) sunt numite.

emisivitate spectrală

Analog ușor

Unde M v = K m ⋅ ∫ 380 n m 780 n m M e , λ (λ) V (λ) d λ , (\displaystyle M_(v)=K_(m)\cdot \int \limits _(380~nm)^ (780~nm)M_(e,\lambda )(\lambda)V(\lambda)d\lambda ,) K m (\displaystyle K_(m))

- eficienta maxima a radiatiei luminoase egala cu 683 lm/W in sistemul SI. Valoarea sa numerică rezultă direct din definiția candela.

Informațiile despre alte mărimi fotometrice de energie de bază și analogii lor de lumină sunt date în tabel. Denumirile cantităților sunt date conform GOST 26148-84.
Mărimi SI fotometrice energetice Nume (sinonim) Desemnarea cantității Definiţie Mărimea luminoasă
Energia radiației (energie radiantă) Q e (\displaystyle Q_(e)) sau W (\displaystyle W) Energia transferată prin radiație J Lumină energie
Flux de radiație (flux radiant) Φ (\displaystyle \Phi ) e sau P (\displaystyle P) Φ e = d Q e d t (\displaystyle \Phi _(e)=(\frac (dQ_(e))(dt))) W Fluxul luminos
Intensitatea radiației (intensitatea energiei luminii) eu e (\displaystyle I_(e)) I e = d Φ e d Ω (\displaystyle I_(e)=(\frac (d\Phi _(e))(d\Omega))) W sr −1 Puterea luminii
Densitatea energiei radiației volumetrice U e (\displaystyle U_(e)) U e = d Q e d V (\displaystyle U_(e)=(\frac (dQ_(e))(dV))) J m −3 Densitatea volumetrică a energiei luminoase
Energie luminozitate L e (\displaystyle L_(e)) L e = d 2 Φ e d Ω d S 1 cos ⁡ ε (\displaystyle L_(e)=(\frac (d^(2))\Phi _(e))(d\Omega \,dS_(1)\, \cos \varepsilon ))) W m−2 sr−1 Luminozitate
Luminozitate energetică integrală Λ e (\displaystyle \Lambda _(e)) Λ e = ∫ 0 t L e (t ′) d t ′ (\displaystyle \Lambda _(e)=\int _(0)^(t)L_(e)(t")dt") J m −2 sr −1 Luminozitate integrală
Iradiere (iluminare energetică) E e (\displaystyle E_(e)) E e = d Φ e d S 2 (\displaystyle E_(e)=(\frac (d\Phi _(e))(dS_(2)))) W m−2

Radiația termică a corpurilor este radiația electromagnetică care provine din acea parte a energiei interne a corpului, care este asociat cu mișcarea termică a particulelor sale.

Principalele caracteristici ale radiației termice a corpurilor încălzite la o temperatură T sunt:

1. Energie luminozitateR (T ) -cantitatea de energie emisă pe unitatea de timp de la o unitate de suprafață a unui corp, pe întregul interval de lungimi de undă. Depinde de temperatura, natura și starea suprafeței corpului radiant. În sistemul SI R ( T ) are o dimensiune [W/m2].

2. Densitatea spectrală a luminozității energeticer ( ,T) =dW/ d - cantitatea de energie emisă de o unitate de suprafață a unui corp pe unitatea de timp într-un interval unitar de lungime de undă (aproape de lungimea de undă în cauză). Aceste. această cantitate este numeric egală cu raportul energetic dW, emisă dintr-o unitate de suprafață pe unitatea de timp într-un interval restrâns de lungimi de undă de la la +d, la lățimea acestui interval. Depinde de temperatura corpului, lungimea de undă și, de asemenea, de natura și starea suprafeței corpului emițător. În sistemul SI r(, T) are o dimensiune [W/m 3 ].

Luminozitate energetică R(T) legat de densitatea spectrală a luminozității energetice r(, T) după cum urmează:

(1) [W/m2]

3. Toate corpurile nu numai că emit, ci și absorb unde electromagnetice incidente pe suprafața lor. Pentru a determina capacitatea de absorbție a corpurilor în raport cu undele electromagnetice de o anumită lungime de undă, se introduce conceptul coeficientul de absorbție monocromatic-raportul dintre mărimea energiei unei unde monocromatice absorbită de suprafața unui corp și mărimea energiei undei monocromatice incidente:

Coeficientul de absorbție monocromatic este o mărime adimensională care depinde de temperatură și lungimea de undă. Acesta arată ce fracție din energia unei unde monocromatice incidente este absorbită de suprafața corpului. Valoarea  (, T) poate lua valori de la 0 la 1.

Radiația într-un sistem închis adiabatic (fără schimb de căldură cu mediul extern) se numește echilibru. Dacă creați o mică gaură în peretele cavității, starea de echilibru se va schimba ușor, iar radiația care iese din cavitate va corespunde cu radiația de echilibru.

Dacă un fascicul este îndreptat într-o astfel de gaură, atunci după reflexii repetate și absorbție pe pereții cavității, nu va putea ieși înapoi. Aceasta înseamnă că pentru o astfel de gaură coeficientul de absorbție (, T) = 1.

Cavitatea închisă considerată cu o gaură mică servește ca unul dintre modele corp absolut negru.

Corp absolut negrueste un corp care absoarbe toate radiațiile incidente asupra acestuia, indiferent de direcția radiației incidente, de compoziția sa spectrală și de polarizare (fără să reflecte sau să transmită nimic).

Pentru un corp complet negru, densitatea luminozității spectrale este o funcție universală a lungimii de undă și a temperaturii f(, T) și nu depinde de natura sa.

Toate corpurile din natură reflectă parțial radiația incidentă pe suprafața lor și, prin urmare, nu sunt clasificate drept corpuri negre absolute. Dacă coeficientul de absorbție monocromatic al unui corp este același pt toate lungimile de undă și mai puținunitati((, T) = Т =const<1),atunci un astfel de corp este numit gri. Coeficientul de absorbție monocromatic al unui corp cenușiu depinde numai de temperatura corpului, de natura acestuia și de starea suprafeței sale.

Kirchhoff a arătat că pentru toate corpurile, indiferent de natura lor, raportul dintre densitatea spectrală a luminozității energiei și coeficientul de absorbție monocromatic este aceeași funcție universală a lungimii de undă și a temperaturii. f(, T) , la fel ca densitatea spectrală a luminozității energetice a unui corp complet negru :

Ecuația (3) reprezintă legea lui Kirchhoff.

legea lui Kirchhoff poate fi formulat astfel: pentru toate corpurile sistemului care se află în echilibru termodinamic, raportul dintre densitatea spectrală a luminozității energiei și coeficientul Absorbția monocromatică nu depinde de natura corpului, este aceeași funcție pentru toate corpurile, în funcție de lungimea de undă si temperatura T.

Din cele de mai sus și din formula (3) este clar că la o temperatură dată acele corpuri gri care au un coeficient de absorbție mare emit mai puternic, iar corpurile absolut negre emit cel mai puternic. Deoarece pentru un corp absolut negru( , T)=1, apoi din formula (3) rezultă că funcția universală f(, T) reprezintă densitatea de luminozitate spectrală a unui corp negru