Energetická svietivosť tela- - fyzikálna veličina, ktorá je funkciou teploty a číselne sa rovná energii vyžarovanej telesom za jednotku času z jednotkovej plochy vo všetkých smeroch a v celom frekvenčnom spektre. J/s m²=W/m²

Spektrálna hustota energetickej svietivosti- funkcia frekvencie a teploty charakterizujúca rozloženie energie žiarenia v celom spektre frekvencií (resp. vlnových dĺžok). , Podobná funkcia môže byť napísaná z hľadiska vlnovej dĺžky

Dá sa dokázať, že spektrálna hustota svetelnej energie, vyjadrená frekvenciou a vlnovou dĺžkou, súvisí so vzťahom:

Úplne čierne telo- fyzikálna idealizácia používaná v termodynamike, teleso, ktoré pohlcuje všetko naň dopadajúce elektromagnetické žiarenie vo všetkých rozsahoch a nič neodráža. Napriek názvu môže úplne čierne telo samo vyžarovať elektromagnetické žiarenie akejkoľvek frekvencie a vizuálne mať farbu. Spektrum žiarenia absolútne čierneho telesa je určené iba jeho teplotou.

Význam absolútne čierneho telesa v otázke spektra tepelného žiarenia akýchkoľvek (sivých a farebných) telies vo všeobecnosti, okrem toho, že predstavuje najjednoduchší netriviálny prípad, spočíva aj v tom, že otázka spektra rovnovážneho tepelného žiarenia telies ľubovoľnej farby a koeficientu odrazu sa metódami klasickej termodynamiky redukuje na otázku žiarenia absolútne čierneho telesa (a historicky sa tak dialo už koncom 19. do popredia sa dostal problém žiarenia absolútne čierneho telesa).

Absolútne čierne telesá v prírode neexistujú, preto sa vo fyzike na experimenty používa model. Ide o uzavretú dutinu s malým otvorom. Svetlo vstupujúce cez tento otvor bude po opakovaných odrazoch úplne absorbované a otvor bude zvonku vyzerať úplne čierny. Ale keď sa táto dutina zahreje, vyvinie svoje vlastné viditeľné žiarenie. Keďže žiarenie vyžarované vnútornými stenami dutiny predtým, ako vyjde von (napokon, otvor je veľmi malý), v drvivej väčšine prípadov prejde veľké množstvo nové absorpcie a emisie, potom môžeme s istotou povedať, že žiarenie vo vnútri dutiny je v termodynamickej rovnováhe so stenami. (Diera v skutočnosti nie je pre tento model vôbec dôležitá, treba len zdôrazniť zásadnú pozorovateľnosť žiarenia nachádzajúceho sa vo vnútri, dieru je možné napríklad úplne uzavrieť a rýchlo otvoriť až po dosiahnutí rovnováhy. stanovené a meranie sa vykonáva).

2. Kirchhoffov radiačný zákon- fyzikálny zákon zavedený nemeckým fyzikom Kirchhoffom v roku 1859. Zákon vo svojej modernej formulácii znie takto: Pomer emisivity ľubovoľného telesa k jeho absorpčnej kapacite je pre všetky telesá pri danej teplote pre danú frekvenciu rovnaký a nezávisí od ich tvaru. chemické zloženie a tak ďalej.

Je známe, že keď elektromagnetické žiarenie dopadne na určité teleso, časť sa odrazí, časť pohltí a časť sa môže preniesť. Podiel žiarenia absorbovaného pri danej frekvencii sa nazýva absorpčná kapacita telo Na druhej strane každé zohriate teleso vyžaruje energiu podľa nejakého zákona tzv emisivita tela.

Hodnoty a môžu sa značne líšiť pri pohybe z jedného telesa na druhé, avšak podľa Kirchhoffovho zákona o žiarení pomer emisných a absorpčných schopností nezávisí od povahy tela a je univerzálnou funkciou frekvencie ( vlnová dĺžka) a teplota:

Podľa definície absolútne čierne teleso absorbuje všetko žiarenie, ktoré naň dopadá, teda pre neho. Preto sa funkcia zhoduje s emisivitou absolútne čierneho telesa, opísanou Stefanovým-Boltzmannovým zákonom, v dôsledku čoho emisivitu akéhokoľvek telesa možno nájsť len na základe jeho absorpčnej kapacity.

Stefan-Boltzmannov zákon- zákon žiarenia čierneho telesa. Určuje závislosť sily žiarenia absolútne čierneho telesa od jeho teploty. Vyhlásenie zákona: Sila žiarenia absolútne čierneho telesa je priamo úmerná ploche povrchu a štvrtej mocnine telesnej teploty: P = Sεσ T 4, kde ε je stupeň emisivity (pre všetky látky ε< 1, для абсолютно черного тела ε = 1).

Pomocou Planckovho zákona pre žiarenie možno definovať konštantu σ ako kde je Planckova konštanta, k - Boltzmannova konštanta, c- rýchlosť svetla.

Číselná hodnota J s −1 m −2 K −4.

Nemecký fyzik W. Wien (1864-1928), opierajúc sa o zákony termo- a elektrodynamiky, stanovil závislosť vlnovej dĺžky l max zodpovedajúcu maximu funkcie r l , T , na teplote T. Podľa Viedenský zákon o vysídlení,l max = b/T

teda vlnová dĺžka l max zodpovedajúca maximálnej hodnote spektrálnej hustoty svietivosti energie r l, Tčierne teleso, je nepriamo úmerné jeho termodynamickej teplote, b- Wienova konštanta: jej experimentálna hodnota je 2,9 10 -3 m K. Výraz (199,2) sa preto nazýva zákon posuny Chyba je v tom, že vykazuje posun v polohe maxima funkcie r l, T ako teplota stúpa do oblasti krátkych vlnových dĺžok. Wienov zákon vysvetľuje, prečo pri znižovaní teploty ohrievaných telies v ich spektre stále viac dominuje dlhovlnné žiarenie (napríklad prechod bieleho tepla na červené pri ochladzovaní kovu).

Napriek tomu, že Stefan-Boltzmannov a Wienov zákon zohrávajú dôležitú úlohu v teórii tepelného žiarenia, ide o osobitné zákony, pretože nedávajú všeobecný obraz o frekvenčnom rozložení energie pri rôznych teplotách.

3. Nechajte steny tejto dutiny úplne odraziť svetlo dopadajúce na ne. Umiestnime do dutiny nejaké teleso, ktoré bude vyžarovať svetelnú energiu. Vo vnútri dutiny vznikne elektromagnetické pole a v konečnom dôsledku sa vyplní žiarením, ktoré je s telom v tepelnej rovnováhe. Rovnováha nastane aj v prípade, keď je nejakým spôsobom úplne eliminovaná výmena tepla skúmaného telesa s jeho okolitým prostredím (napríklad tento mentálny experiment uskutočníme vo vákuu, keď nedochádza k javom tepelnej vodivosti a konvekcia). Len prostredníctvom procesov emisie a absorpcie svetla nevyhnutne nastane rovnováha: emitujúce teleso bude mať teplotu rovná teplote elektromagnetické žiarenie izotropne vypĺňa priestor vo vnútri dutiny a každá vybraná časť povrchu tela vyžaruje za jednotku času toľko energie, koľko pohltí. V tomto prípade musí nastať rovnováha bez ohľadu na vlastnosti telesa umiestneného vo vnútri uzavretej dutiny, ktoré však ovplyvňujú čas potrebný na dosiahnutie rovnováhy. Hustota energie elektromagnetického poľa v dutine, ako bude ukázané nižšie, v rovnovážnom stave je určená iba teplotou.

Pre charakterizáciu rovnovážneho tepelného žiarenia je dôležitá nielen objemová hustota energie, ale aj rozloženie tejto energie v spektre. Preto budeme pomocou funkcie charakterizovať rovnovážne žiarenie izotropne vypĺňajúce priestor vo vnútri dutiny u ω - spektrálny hustota žiarenia, tj priemerná energia na jednotku objemu elektromagnetického poľa, rozložená vo frekvenčnom intervale od ω do ω + δω a vztiahnutá k hodnote tohto intervalu. Očividne význam uω by malo výrazne závisieť od teploty, preto ho označujeme u(ω, T). Celková hustota energie U(T) Spojené s u(ω, T) vzorec.

Presne povedané, pojem teploty je použiteľný len pre rovnovážne tepelné žiarenie. V podmienkach rovnováhy musí teplota zostať konštantná. Pojem teplota sa však často používa aj na charakterizáciu žeravých telies, ktoré nie sú v rovnováhe so žiarením. Navyše pri pomalej zmene parametrov systému je možné v akomkoľvek danom časovom období charakterizovať jeho teplotu, ktorá sa bude meniť pomaly. Ak teda napríklad nedochádza k prílevu tepla a vyžarovanie je dôsledkom poklesu energie svietiaceho telesa, tak sa zníži aj jeho teplota.

Stanovme súvislosť medzi emisivitou úplne čierneho telesa a spektrálnou hustotou rovnovážneho žiarenia. Aby sme to urobili, vypočítajme tok energie dopadajúci na jednu oblasť umiestnenú vo vnútri uzavretej dutiny naplnenej elektromagnetickou energiou priemernej hustoty. U ω . Nech žiarenie dopadne na jednotkovú plochu v smere určenom uhlami θ a ϕ (obr. 6a) v rámci priestorového uhla dΩ:

Keďže rovnovážne žiarenie je izotropné, časť šíriaca sa v danom priestorovom uhle sa rovná celkovej energii vypĺňajúcej dutinu. Tok elektromagnetickej energie prechádzajúci cez jednotku plochy za jednotku času

Výmena dΩ vyjadrením a integráciou nad ϕ v medziach (0, 2π) a nad θ v medziach (0, π/2) dostaneme celkový energetický tok dopadajúci na jednotku plochy:

Je zrejmé, že v podmienkach rovnováhy je potrebné prirovnať vyjadrenie (13) emisivity absolútne čierneho telesa rω, charakterizujúce tok energie vyžarovaný platformou v intervale jednotkovej frekvencie blízko ω:

Ukazuje sa teda, že emisivita úplne čierneho telesa až do faktora c/4 sa zhoduje so spektrálnou hustotou rovnovážneho žiarenia. Rovnosť (14) musí byť splnená pre každú spektrálnu zložku žiarenia, z toho teda vyplýva, že f(ω, T)= u(ω, T) (15)

Na záver upozorňujeme, že žiarenie absolútne čierneho telesa (napríklad svetlo vyžarované malým otvorom v dutine) už nebude v rovnováhe. Najmä toto žiarenie nie je izotropné, pretože sa nešíri všetkými smermi. Ale rozloženie energie v spektre pre takéto žiarenie sa bude zhodovať so spektrálnou hustotou rovnovážneho žiarenia izotropne vypĺňajúceho priestor vo vnútri dutiny. To nám umožňuje použiť vzťah (14), ktorý je platný pri akejkoľvek teplote. Žiadny iný svetelný zdroj nemá podobné rozloženie energie v celom spektre. Napríklad elektrický výboj v plynoch alebo žiara pod vplyvom chemických reakcií majú spektrá výrazne odlišné od žiary absolútne čierneho telesa. Rozloženie energie naprieč spektrom žeraviacich telies sa tiež výrazne líši od žiary absolútne čierneho telesa, ktorá bola vyššia pri porovnaní spektier bežného svetelného zdroja (žiarovky s volfrámovým vláknom) a absolútne čierneho telesa.

4. Na základe zákona o ekvidistribúcii energie v stupňoch voľnosti: pre každú elektromagnetickú osciláciu existuje v priemere energia, ktorá je súčtom dvoch častí kT. Jednou polovicou je elektrická zložka vlny a druhou magnetickou zložkou. Samotné rovnovážne žiarenie v dutine môže byť reprezentované ako systém stojatých vĺn. Počet stojatých vĺn v trojrozmernom priestore je daný:

V našom prípade rýchlosť v by mala byť nastavená rovnako c Okrem toho sa dve elektromagnetické vlny s rovnakou frekvenciou, ale so vzájomne kolmými polarizáciami, môžu pohybovať rovnakým smerom, potom (1) by sa malo vynásobiť dvoma:

Takže, Rayleigh a Jeans, každej vibrácii bola pridelená energia. Vynásobením (2) dostaneme hustotu energie, ktorá pripadá na frekvenčný interval dω:

Poznanie vzťahu medzi emisivitou úplne čierneho telesa f(ω, T) s rovnovážnou hustotou energie tepelného žiarenia, pre f(ω, T) nájdeme: Výrazy (3) a (4) sa nazývajú Vzorec Rayleigh-Jeans.

Vzorce (3) a (4) uspokojivo súhlasia s experimentálnymi údajmi len pre dlhé vlnové dĺžky, pri kratších vlnových dĺžkach sa zhoda s experimentom výrazne rozchádza. Okrem toho integrácia (3) nad ω v rozsahu od 0 do pre rovnovážnu hustotu energie u(T) dáva nekonečne veľký význam. Tento výsledok, tzv ultrafialová katastrofa, zjavne odporuje experimentu: rovnováha medzi žiarením a vyžarujúcim telesom musí byť stanovená na konečných hodnotách u(T).

Ultrafialová katastrofa- fyzikálny výraz označujúci paradox klasickej fyziky, spočívajúci v tom, že celkový výkon tepelného žiarenia akéhokoľvek vyhrievaného telesa by mal byť nekonečný. Paradox dostal svoj názov vďaka tomu, že hustota spektrálneho výkonu žiarenia sa mala so skracovaním vlnovej dĺžky donekonečna zvyšovať. V podstate tento paradox ukázal ak už nie vnútornú nejednotnosť klasickej fyziky, tak prinajmenšom extrémne ostrý (absurdný) rozpor s elementárnymi pozorovaniami a experimentom.

5. Planckova hypotéza- hypotéza, ktorú predložil 14. decembra 1900 Max Planck a ktorá hovorí, že počas tepelného žiarenia sa energia vyžaruje a absorbuje nie nepretržite, ale v samostatných kvantách (časoch). Každá takáto kvantová časť má energiu úmerné frekvencii ν žiarenie:

Kde h alebo - koeficient proporcionality, neskôr nazývaný Planckova konštanta. Na základe tejto hypotézy navrhol teoretické odvodenie vzťahu medzi teplotou telesa a žiarením, ktoré toto teleso vyžaruje – Planckov vzorec.

Planckov vzorec- výraz pre spektrálnu hustotu výkonu žiarenia čierneho telesa, ktorý získal Max Planck. Pre hustotu energie žiarenia u(ω, T):

Planckov vzorec bol získaný po tom, čo sa ukázalo, že vzorec Rayleigh-Jeans uspokojivo opisuje žiarenie len v oblasti dlhých vĺn. Na odvodenie vzorca Planck v roku 1900 predpokladal, že elektromagnetické žiarenie je emitované vo forme jednotlivých častí energie (kvant), ktorých veľkosť súvisí s frekvenciou žiarenia výrazom:

Koeficient proporcionality bol následne nazvaný Planckova konštanta, = 1,054 · 10 −27 erg s.

Na vysvetlenie vlastností tepelného žiarenia bolo potrebné zaviesť pojem emisie elektromagnetického žiarenia po častiach (kvantách). Kvantovú povahu žiarenia potvrdzuje aj existencia krátkovlnnej hranice v spektre brzdného röntgenového žiarenia.

Röntgenové žiarenie vzniká pri bombardovaní pevných terčov rýchlymi elektrónmi, tu je anóda vyrobená z W, Mo, Cu, Pt - ťažké žiaruvzdorné alebo vysoko tepelne vodivé kovy. Len 1–3 % energie elektrónu sa využíva na žiarenie, zvyšok sa uvoľňuje na anóde vo forme tepla, takže anódy sú chladené vodou. Keď sú elektróny v anódovej látke, zažívajú silnú inhibíciu a stávajú sa zdrojom elektromagnetických vĺn (röntgenových lúčov).

štartovacia rýchlosť elektrón dopadajúci na anódu je určený vzorcom:

Kde U– urýchľovacie napätie.

>Poznateľná emisia sa pozoruje iba pri prudkom spomalení rýchlych elektrónov, počnúc od U~ 50 kV, zatiaľ čo ( s- rýchlosť svetla). V indukčných elektrónových urýchľovačoch - betatrónoch získavajú elektróny energiu do 50 MeV, = 0,99995 s. Nasmerovaním takýchto elektrónov na pevný cieľ získame röntgenové žiarenie s krátkou vlnovou dĺžkou. Toto žiarenie má veľkú prenikavú silu. Podľa klasickej elektrodynamiky by pri spomalení elektrónu malo vzniknúť žiarenie všetkých vlnových dĺžok od nuly do nekonečna. Vlnová dĺžka, pri ktorej sa vyskytuje maximálny výkon žiarenia, by sa mala znižovať so zvyšujúcou sa rýchlosťou elektrónov. Existuje však zásadný rozdiel oproti klasickej teórii: nulové rozdelenia výkonu nevedú k pôvodu súradníc, ale prerušujú sa pri konečných hodnotách - to je koniec röntgenového spektra s krátkou vlnovou dĺžkou.

Experimentálne sa zistilo, že

Existencia krátkovlnnej hranice priamo vyplýva z kvantovej povahy žiarenia. Ak dôjde k žiareniu v dôsledku straty energie elektrónu počas brzdenia, potom energia kvanta nemôže prekročiť energiu elektrónu EÚ, t.j. , odtiaľto alebo .

V tomto experimente môžeme určiť Planckovu konštantu h. Zo všetkých metód na stanovenie Planckovej konštanty je najpresnejšia metóda založená na meraní krátkovlnnej hranice röntgenového brzdného žiarenia.

7. Fotoefekt- ide o emisiu elektrónov z látky pod vplyvom svetla (a vo všeobecnosti akéhokoľvek elektromagnetického žiarenia). V kondenzovaných látkach (tuhých a kvapalných) dochádza k vonkajšiemu a vnútornému fotoelektrickému javu.

Zákony fotoelektrického javu:

Formulácia 1. zákon fotoelektrického javu: počet elektrónov vyžiarených svetlom z povrchu kovu za jednotku času pri danej frekvencii je priamo úmerný svetelný tok, osvetlenie kovu.

Podľa 2. zákon fotoelektrického javu, maximálna kinetická energia elektrónov vyvrhnutých svetlom rastie lineárne s frekvenciou svetla a nezávisí od jeho intenzity.

3. zákon fotoelektrického javu: pre každú látku existuje červená hranica fotoelektrického javu, to znamená minimálna svetelná frekvencia ν 0 (alebo maximálna vlnová dĺžka λ 0), pri ktorej je fotoelektrický efekt ešte možný, a ak ν 0, potom už fotoelektrický efekt nie je vyskytuje.

Teoretické vysvetlenie týchto zákonov podal v roku 1905 Einstein. Elektromagnetické žiarenie je podľa nej prúd jednotlivých kvánt (fotónov) s energiou každého hν, kde h je Planckova konštanta. Pri fotoelektrickom jave sa časť dopadajúceho elektromagnetického žiarenia odráža od povrchu kovu a časť preniká do povrchovej vrstvy kovu a tam sa absorbuje. Po absorpcii fotónu z neho elektrón prijíma energiu a pri vykonávaní pracovnej funkcie opúšťa kov: hν = A von + W e, Kde W e- maximálna kinetická energia, ktorú môže mať elektrón pri opustení kovu.

Zo zákona zachovania energie pri reprezentácii svetla vo forme častíc (fotónov) vyplýva Einsteinov vzorec pre fotoelektrický jav: hν = A von + Ek

Kde A von- tzv pracovná funkcia (minimálna energia potrebná na odstránenie elektrónu z látky), Ek je kinetická energia emitovaného elektrónu (v závislosti od rýchlosti možno vypočítať kinetickú energiu relativistickej častice alebo nie), ν je frekvencia dopadajúceho fotónu s energiou hν, h- Planckova konštanta.

Pracovná funkcia- rozdiel medzi minimálnou energiou (zvyčajne meranou v elektrónvoltoch), ktorá musí byť odovzdaná elektrónu na jeho „priame“ odstránenie z objemu pevného telesa, a Fermiho energiou.

„Červený“ okraj fotografického efektu- minimálna frekvencia alebo maximálna vlnová dĺžka λ max svetlo, pri ktorom je ešte možný vonkajší fotoelektrický efekt, to znamená, že počiatočná kinetická energia fotoelektrónov je väčšia ako nula. Frekvencia závisí len od výstupnej funkcie A von elektrón: , kde A von- pracovná funkcia pre konkrétnu fotokatódu, h je Planckova konštanta a s- rýchlosť svetla. Pracovná funkcia A von závisí od materiálu fotokatódy a stavu jej povrchu. Emisia fotoelektrónov začína hneď, ako svetlo s frekvenciou alebo vlnovou dĺžkou λ dopadne na fotokatódu.


.

EMISIA A ABSORPCIA ENERGIE

ATÓMY A MOLEKULY

OTÁZKY PRE TRIEDU K TÉME:

1. Tepelné žiarenie. Jeho hlavné charakteristiky: tok žiarenia Ф, energetická svietivosť (intenzita) R, spektrálna hustota svietivosti energie r λ; absorpčný koeficient α, monochromatický absorpčný koeficient α λ. Úplne čierne telo. Kirchhoffov zákon.

2. Spektrá tepelného žiarenia a.ch.t. (rozpis). Kvantová povaha tepelného žiarenia (Planckova hypotéza; netreba si pamätať vzorec pre ε λ). Závislosť spektra a.ch.t. na teplote (graf). Zákon vína. Stefan-Boltzmannov zákon pre a.ch.t. (bez výstupu) a pre iné orgány.

3. Štruktúra elektronických obalov atómov. Energetické hladiny. Emisia energie pri prechodoch medzi energetickými hladinami. Bohrov vzorec ( pre frekvenciu a pre vlnovú dĺžku). Spektrá atómov. Spektrum atómu vodíka. Spektrálny rad. Všeobecná koncepcia o spektrá molekúl a kondenzovaných látok (kvapaliny, tuhé látky). Koncept spektrálnej analýzy a jej využitie v medicíne.

4. Luminiscencia. Typy luminiscencie. Fluorescencia a fosforescencia. Úloha metastabilných úrovní. Luminiscenčné spektrá. Stokesovo pravidlo. Luminiscenčná analýza a jej využitie v medicíne.

5. Zákon absorpcie svetla (Bouguerov zákon; záver). Priepustnosť τ a optická hustota D. Stanovenie koncentrácie roztokov absorpciou svetla.

Laboratórne práce: „záznam absorpčného spektra a stanovenie koncentrácie roztoku pomocou fotoelektrokolorimetra“.

LITERATÚRA:

Povinné: A.N. Remizov. "Lekárska a biologická fyzika", M., " absolventská škola", 1996, kap. 27, §§ 1–3; Kapitola 29, §§ 1,2

  • doplnkové: Emisia a absorpcia energie atómami a molekulami, prednáška, risograf, vyd. oddelenie, 2002

ZÁKLADNÉ DEFINÍCIE A VZORCE

1. Tepelné žiarenie

Všetky telesá aj bez akéhokoľvek vonkajšieho vplyvu vyžarujú elektromagnetické vlny. Zdrojom energie pre toto žiarenie je tepelný pohyb častíc, ktoré tvoria teleso, preto sa nazýva tepelné žiarenie. O vysoké teploty ah (asi 1000 K alebo viac), toto žiarenie čiastočne spadá do rozsahu viditeľného svetla, pričom viac nízke teploty Vyžarujú sa infračervené lúče a na veľmi nízkej úrovni - rádiové vlny.

Tok žiarenia F - Toto výkon žiarenia emitovaný zdrojom, alebo energia žiarenia emitovaná za jednotku času: Ф = Р = ; prietoková jednotka - watt.

Energetická svietivosť R - Toto tok žiarenia vyžarovaného z jednotkového povrchu telesa:
; jednotka energetickej svietivosti – W.m –2 .

Spektrálna hustota energetickej svietivosti r λ - Toto pomer energetickej svietivosti telesa v rámci malého intervalu vlnových dĺžok (ΔR λ ) na hodnotu tohto intervalu Δ λ:

Rozmer r λ – W.m - 3

Absolútne čierne telo (a.b.t.) s názvom t zjedol ktorýplne absorbuje dopadajúce žiarenie. V prírode takéto telá nie sú, ale dobrý model a.ch.t. je malý otvor v uzavretej dutine.

Schopnosť telies absorbovať dopadajúce žiarenie charakterizuje absorpčný koeficient α , to jest pomer absorbovaného a dopadajúceho toku žiarenia:
.

Monochromatický absorpčný koeficient je hodnota absorpčného koeficientu nameraná v úzkom spektrálnom rozsahu okolo určitej hodnoty λ.

Kirchhoffov zákon: pri konštantnej teplote pomer spektrálnej hustoty energetickej svietivosti pri určitej vlnovej dĺžke k monochromatickému absorpčnému koeficientu pri rovnakej vlnovej dĺžke rovnaké pre všetky telá a rovná sa spektrálnej hustote svetelnej energie a.b.t. na tejto vlnovej dĺžke:

(niekedy r λ A.Ch.T označuje ε λ)

Úplne čierne teleso absorbuje a vyžaruje žiarenie všetky vlnové dĺžky, Preto spektrum a.h.t. vždy pevné. Typ tohto spektra závisí od telesnej teploty. Ako teplota stúpa po prvé, energetická svietivosť sa výrazne zvyšuje; po druhé, vlnová dĺžka zodpovedajúca maximálnemu žiareniu(λ max ) , posúva smerom ku kratším vlnovým dĺžkam :
, kde b ≈ 29090 µm.K -1 ( Wienov zákon).

Stefan-Boltzmannov zákon: energetická svietivosť a.h.t. úmerné štvrtej mocnine telesnej teploty na Kelvinovej stupnici: R = σT 4

2. Emisia energie atómami a molekulami

Ako je známe, v elektrónovom obale atómu môže energia elektrónu nadobudnúť iba presne definované hodnoty charakteristické pre daný atóm. Inými slovami to hovoria elektrón sa môže nachádzať len na určitýchenergetické hladiny. Keď je elektrón na danej energetickej úrovni, nemení svoju energiu, to znamená, že neabsorbuje ani nevyžaruje svetlo. Pri prechode z jednej úrovne do druhej mení sa energia elektrónu a súčasne absorbované alebo emitovanékvantum svetla (fotón).Energia kvanta sa rovná rozdielu v energiách úrovní, medzi ktorými dochádza k prechodu: E KVANTUM = hν = E n – E m kde n a m sú čísla úrovní (Bohrov vzorec).

Prechody elektrónov medzi rôznymi úrovňamivyskytujú s rôznymi pravdepodobnosťami. V niektorých prípadoch je pravdepodobnosť prechodu veľmi blízka nule; zodpovedajúce spektrálne čiary sa za normálnych podmienok nepozorujú. Takéto prechody sú tzv zakázané.

V mnohých prípadoch sa energia elektrónu nemusí premeniť na kvantovú energiu, ale skôr na energiu tepelného pohybu atómov alebo molekúl. Takéto prechody sú tzv nežiarivý.

Okrem pravdepodobnosti prechodu je jas spektrálnych čiar priamo úmerný počtu atómov emitujúcej látky. Táto závislosť je základom kvantitatívna spektrálna analýza.
3. Luminiscencia

Luminiscencia zavolajte hociktorému nie tepelné žiarenie. Zdroje energie pre toto žiarenie môžu byť rôzne, podľa toho sa o nich hovorí rôzne typy luminiscencie. Najdôležitejšie z nich sú: chemiluminiscencia- žiara vyskytujúca sa v určitom chemické reakcie; bioluminiscencia– ide o chemiluminiscenciu v živých organizmoch; katodoluminiscencia -žiara pod vplyvom prúdu elektrónov, ktorý sa používa v televíznych obrazovkách, katódové trubice, plynové lampy atď.; elektroluminiscencia– žiara, ktorá vzniká v elektrickom poli (najčastejšie v polovodičoch). Väčšina zaujímavý pohľad luminiscencia je fotoluminiscencia. Ide o proces, pri ktorom atómy alebo molekuly absorbujú svetlo (alebo UV žiarenie) v jednom rozsahu vlnových dĺžok a vyžarujú ho v inom (napríklad absorbujú modré lúče a vyžarujú žlté). V tomto prípade látka absorbuje kvantá s relatívne vysokou energiou hν 0 (s krátkou vlnovou dĺžkou). Potom sa elektrón nemusí okamžite vrátiť na úroveň zeme, ale najskôr prejsť na strednú úroveň a potom na úroveň zeme (môže existovať niekoľko stredných úrovní). Vo väčšine prípadov sú niektoré prechody nežiarivé, to znamená, že energia elektrónu sa premieňa na energiu tepelného pohybu. Preto energia kvanta emitovaného počas luminiscencie bude menšia ako energia absorbovaného kvanta. Vlnové dĺžky vyžarovaného svetla musia byť väčšie ako vlnová dĺžka absorbovaného svetla. Ak je to, čo bolo povedané, formulované v všeobecný pohľad, dostaneme zákona Stokes : luminiscenčné spektrum je posunuté smerom k dlhším vlnám vzhľadom na spektrum žiarenia spôsobujúce luminiscenciu.

Existujú dva typy luminiscenčných látok. V niektorých sa žiara zastaví takmer okamžite po vypnutí vzrušujúceho svetla. Toto krátkodobýžiara sa nazýva fluorescencia.

V látkach iného typu po vypnutí vzrušujúceho svetla žiara slabne postupne(podľa exponenciálneho zákona). Toto dlhý termínžiara sa nazýva fosforescencie. Dôvodom dlhej žiary je, že atómy alebo molekuly takýchto látok obsahujú metastabilné hladiny.Metastabilný Táto energetická hladina sa nazýva v ktorom môžu elektróny zostať oveľa dlhšie ako na normálnych úrovniach. Preto trvanie fosforescencie môže byť minúty, hodiny a dokonca aj dni.
4. Zákon absorpcie svetla (Bouguerov zákon)

Pri prechode toku žiarenia látkou stráca časť svojej energie (absorbovaná energia sa mení na teplo). Zákon absorpcie svetla sa nazýva Bouguerov zákon: Ф = Ф 0 ∙ e – κ λ · L ,

kde Ф 0 je dopadajúci tok, Ф je tok prechádzajúci vrstvou látky s hrúbkou L; sa nazýva koeficient κ λ prirodzené miera absorpcie ( jeho veľkosť závisí od vlnovej dĺžky) . Pre praktické výpočty uprednostňujú použitie desiatkových logaritmov namiesto prirodzených logaritmov. Potom má Bouguerov zákon tvar: Ф = Ф 0 ∙ 10 – k λ ∙ L ,

kde kλ – desiatkový rýchlosť absorpcie.

Priepustnosť pomenujte množstvo

Optická hustota D - toto je množstvo definované rovnosťou:
. Môžeme to povedať aj inak: optická hustota D je veličina, ktorá je vo vzorci Bouguerovho zákona v exponente: D = k λ ∙ L
Pre roztoky väčšiny látok optická hustota je priamo úmerná koncentrácii rozpustenej látky:D = χ λ ∙ C∙ L ;

koeficient χ λ sa nazýva molárna rýchlosť absorpcie(ak je koncentrácia uvedená v moloch) príp špecifická rýchlosť absorpcie(ak je koncentrácia uvedená v gramoch). Z posledného vzorca dostaneme: Ф = Ф 0 ∙10 - χ λ ∙ C ∙ L(zákon Bugera–Bera)

Tieto receptúry sú základom najbežnejších v klinických a biochemických laboratóriách metóda stanovenia koncentrácií rozpustených látok absorpciou svetla.

PROBLÉMY VYUČOVACIEHO TYPU S RIEŠENIAMI

(V budúcnosti budeme pre stručnosť jednoducho písať „tréningové úlohy“).


Učebný cieľ č. 1

Elektrický ohrievač (radiátor) vyžaruje prúd infračervených lúčov s výkonom 500 W. Plocha radiátora je 3300 cm2. Nájdite energiu vyžarovanú žiaričom za 1 hodinu a energetickú svietivosť žiariča.

Vzhľadom na to: Nájsť

Ф = 500 W W a R

t = 1 hodina = 3600 s

S = 3300 cm2 = 0,33 m2

Riešenie:

Tok žiarenia Ф je výkon žiarenia alebo energia emitovaná za jednotku času:
. Odtiaľ

W = Ft = 500 W 3600 s = 18 10 5 J = 1800 kJ

Učebný cieľ č. 2

Pri akej vlnovej dĺžke je maximálne tepelné vyžarovanie ľudskej kože (to znamená r λ = max)? Teplota kože na exponovaných častiach tela (tvár, ruky) je približne 30 oC.

Vzhľadom na to: Nájsť:

Т = 30 о С = 303 К λ max

Riešenie:

Údaje dosadíme do Wienovho vzorca:
,

to znamená, že takmer všetko žiarenie leží v IR oblasti spektra.

Učebný cieľ č. 3

Elektrón je na energetickej úrovni s energiou 4.7.10 –19 J

Pri ožiarení svetlom s vlnovou dĺžkou 600 nm sa presunul na vyššiu energetickú hladinu. Nájdite energiu tejto úrovne.

Riešenie:

Učebný cieľ č. 4

Desatinná hodnota absorpcie vody pre slnečné svetlo rovná 0,09 m –1. Aký podiel žiarenia dosiahne hĺbku L = 100 m?

Dané Nájsť:

L = 100 m

k = 0,09 m – 1

Riešenie:

Napíšme Bouguerov zákon:
. Podiel žiarenia dosahujúci hĺbku L je, samozrejme,
,

to znamená, že jedna miliardtina slnečného svetla dosiahne hĺbku 100 m.
Učebný cieľ č. 5

Svetlo prechádza postupne cez dva filtre. Prvý má optickú hustotu D1 = 0,6; druhý má D2 = 0,4. Koľko percent toku žiarenia prejde týmto systémom?

Dané: Nájsť:

D1 = 0,6 (v %%)

Riešenie:

Riešenie začíname nákresom tohto systému

SF-1 SF-2

Nájdite Ф 1: Ф 1 = Ф 0 10 – D 1

Podobne tok prechádzajúci cez druhý svetelný filter sa rovná:

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

Získaný výsledok má všeobecný význam: ak svetlo prechádza postupne systémom niekoľkých objektov,celková optická hustota sa bude rovnať súčtu optických hustôt týchto objektov .

V podmienkach nášho problému cez systém dvoch svetelných filtrov prejde prietok F 2 = 100 %∙10 – (0,6 + 0,4) = 100 %∙10 – 1 = 10 %.


Učebný cieľ č. 6

Podľa Bouguer-Baerovho zákona je možné určiť najmä koncentráciu DNA. Vo viditeľnej oblasti sú roztoky nukleových kyselín priehľadné, ale silne absorbujú v UV časti spektra; Absorpčné maximum leží okolo 260 nm. Je zrejmé, že práve v tejto oblasti spektra treba merať absorpciu žiarenia; v tomto prípade bude citlivosť a presnosť merania najlepšia.

Podmienky problému: Pri meraní absorpcie UV lúčov s vlnovou dĺžkou 260 nm roztokom DNA bol prepustený tok žiarenia zoslabený o 15 %. Dĺžka dráhy lúča v kyvete s roztokom „x“ je 2 cm Molárny absorpčný index (desatinný) pre DNA pri vlnovej dĺžke 260 nm je 1.3.10 5 mol – 1.cm 2 Nájdite koncentráciu DNA v riešenie.

Vzhľadom na to:

Ф 0 = 100 %; F = 100 % – 15 % = 85 % Nájsť: S DNA

x = 2 cm; X = 260 nm

χ 260 = 1,3,10 5 mol –1 .cm 2

Riešenie:

("preklopili" sme zlomok, aby sme sa zbavili záporného exponentu). . Teraz urobme logaritmus:
, A
; nahrádzame:

0,07 a C=
2.7.10 – 7 mol/cm3

Pozor na vysokú citlivosť metódy!


ÚLOHY NA SAMOSTATNÉ RIEŠENIE
Pri riešení problémov vezmite hodnoty konštánt:

b = 2900 um.K; σ = 5,7,10 – 8 W.K 4; h = 6,6,10 – 34 J.s; c = 3,10 8 m.s –1


1. Aká je energetická svietivosť povrchu ľudského tela, ak maximum žiarenia nastáva pri vlnovej dĺžke 9,67 mikrónov? Kožu možno považovať za absolútne čierne telo.

2. Dve žiarovky majú presne rovnaký dizajn, až na to, že v jednej je vlákno vyrobené z čistého volfrámu (α = 0,3) a v druhej je potiahnuté platinovou čiernou (α = 0,93). Ktorá žiarovka má väčší tok žiarenia? Koľko krát?

3. V akých oblastiach spektra ležia vlnové dĺžky zodpovedajúce maximálnej spektrálnej hustote svietivosti energie, ak zdrojom žiarenia je: a) špirála elektrickej žiarovky (T = 2 300 K); b) povrch Slnka (T = 5 800 K); c) povrch ohnivá guľa jadrový výbuch v čase, keď je jeho teplota asi 30 000 K? Rozdiel vo vlastnostiach týchto zdrojov žiarenia od a.ch.t. zanedbať.

4. Rozžeravené kovové teleso, ktorého povrch je 2,10 - 3 m 2, pri povrchovej teplote 1000 K vyžaruje tok 45,6. Ut Aký je absorpčný koeficient povrchu tohto telesa?

5. Žiarovka má výkon 100W. Povrch vlákna je 0,5,10 - 4 m 2. Teplota vlákna je 2 400 K. Aký je koeficient absorpcie povrchu vlákna?

6. Pri teplote pokožky 27 0 C sa z každého štvorcového centimetra povrchu tela vyžaruje 0,454 W. Je možné (s presnosťou nie horšou ako 2%) považovať pokožku za absolútne čierne telo?

7. V spektre modrej hviezdy zodpovedá maximálna emisia vlnovej dĺžke 0,3 mikrónu. Aká je povrchová teplota tejto hviezdy?

8. Akú energiu vyžiari teleso s povrchom 4 000 cm 2 za jednu hodinu?

pri teplote 400 K, ak je absorpčný koeficient telesa 0,6?

9. Doska (A) má povrchovú plochu 400 cm 2 ; jeho absorpčný koeficient je 0,4. Ďalšia doska (B) s plochou 200 cm2 má absorpčný koeficient 0,2. Teplota platní je rovnaká. Ktorá platňa vyžaruje viac energie a o koľko?

10 – 16. Kvalitatívna spektrálna analýza. Na základe absorpčného spektra jednej z organických zlúčenín, ktorých spektrá

sú znázornené na obrázku, určite, ktoré funkčné skupiny sú súčasťou tejto látky. Použite údaje z tabuľky:


Skupina; typ pripojenia

Absorbované vlnové dĺžky, mikróny

Skupina, typ pripojenia

Absorbované

vlnové dĺžky, µm

- ON

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

-NIE

12,3

-N=N

6,35

- SO 2

19,2

-CN 2

6,77

-C=O

23,9

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

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

Venujte pozornosť tomu, aká hodnota vo vašom grafe je vynesená na zvislej osi!

17. Svetlo prechádza postupne cez dva svetelné filtre s koeficientmi priepustnosti 0,2 a 0,5. Koľko percent žiarenia bude vychádzať z takéhoto systému?

18. Svetlo prechádza postupne cez dva filtre s optickými hustotami 0,7 a 0,4. Koľko percent žiarenia prejde takýmto systémom?

19. Na ochranu pred svetelným žiarením jadrového výbuchu potrebujete okuliare, ktoré zoslabia svetlo aspoň miliónkrát. Sklo, z ktorého chcú takéto sklá vyrobiť, má pri hrúbke 1 mm optickú hustotu 3. Akú hrúbku skla treba vziať, aby sa dosiahol požadovaný výsledok?

20 Na ochranu zraku pri práci s laserom sa vyžaduje, aby do oka mohol vniknúť tok žiarenia nepresahujúci 0,0001 % toku vytvoreného laserom. Akú optickú hustotu by mali mať okuliare, aby bola zaručená bezpečnosť?

Všeobecné zadanie pre úlohy 21 – 28 (kvantitatívna analýza):

Na obrázku sú absorpčné spektrá farebných roztokov niektorých látok. Okrem toho problémy naznačujú hodnoty D (optická hustota roztoku pri vlnovej dĺžke zodpovedajúcej maximálnej absorpcii svetla) a X(hrúbka kyvety). Nájdite koncentráciu roztoku.

Venujte pozornosť jednotkám, v ktorých je miera absorpcie uvedená na vašom grafe.

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

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

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

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

25 Príloha d). D = 0,4 x = 3 cm

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

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

Spektrálna hustota svietivosti energie (jasu) je funkcia zobrazujúca rozloženie svietivosti energie (jasu) v spektre žiarenia.
Znamená to že:
Energetická svietivosť je hustota povrchového toku energie vyžarovanej povrchom
Energetický jas je množstvo toku emitovaného na jednotku plochy na jednotku priestorového uhla v danom smere

Úplne čierne telo- fyzikálna idealizácia používaná v termodynamike, teleso, ktoré pohlcuje všetko naň dopadajúce elektromagnetické žiarenie vo všetkých rozsahoch a nič neodráža. Napriek názvu môže úplne čierne telo samo vyžarovať elektromagnetické žiarenie akejkoľvek frekvencie a vizuálne mať farbu. Spektrum žiarenia absolútne čierneho telesa je určené iba jeho teplotou.

Čisto čierne telo

Čisto čierne telo- jedná sa o fyzikálnu abstrakciu (model), ktorá sa chápe ako teleso, ktoré úplne pohltí všetko elektromagnetické žiarenie naň dopadajúce

Pre úplne čierne telo

Šedé telo

Šedé telo- ide o teleso, ktorého absorpčný koeficient nezávisí od frekvencie, ale závisí len od teploty

- pre sivé telo

Kirchhoffov zákon pre tepelné žiarenie

Pomer emisivity ľubovoľného telesa k jeho absorpčnej schopnosti je pre všetky telesá pri danej teplote pre danú frekvenciu rovnaký a nezávisí od ich tvaru a chemickej povahy.

Teplotná závislosť spektrálnej hustoty svetelnej energie absolútne čierneho telesa

Závislosť hustoty energie spektrálneho žiarenia L (T) čierneho telesa od teploty T v oblasti mikrovlnného žiarenia je stanovená pre teplotný rozsah od 6300 do 100 000 K.

Wienov vysídlený zákon udáva závislosť vlnovej dĺžky, pri ktorej tok energetického žiarenia čierneho telesa dosiahne maximum od teploty čierneho telesa.

B = 2,90* m*K

Stefan-Boltzmannov zákon

Vzorec Rayleigh-jeans

Planckov vzorec

konštantný bar

Fotografický efekt- ide o emisiu elektrónov látkou pod vplyvom svetla (a vo všeobecnosti akéhokoľvek elektromagnetického žiarenia). V kondenzovaných látkach (tuhých a kvapalných) dochádza k vonkajšiemu a vnútornému fotoelektrickému javu.

Zákony fotoelektrického javu:

Formulácia 1. zákon fotoelektrického javu: počet elektrónov vyžiarených svetlom z povrchu kovu za jednotku času pri danej frekvencii je priamo úmerný svetelnému toku, ktorý osvetľuje kov.

Podľa 2. zákon fotoelektrického javu, maximálna kinetická energia elektrónov vyvrhnutých svetlom rastie lineárne s frekvenciou svetla a nezávisí od jeho intenzity.

3. zákon fotoelektrického javu: pre každú látku existuje červená hranica fotoelektrického javu, to znamená minimálna frekvencia svetla (alebo maximálna vlnová dĺžka λ 0), pri ktorej je fotoelektrický jav ešte možný, a ak , potom sa fotoelektrický jav už nevyskytuje.

Fotón- elementárna častica, kvantum elektromagnetického žiarenia (v užšom zmysle svetlo). Je to bezhmotná častica, ktorá môže existovať iba pohybom rýchlosťou svetla. Elektrický náboj fotónu je tiež nulový.

Einsteinova rovnica pre vonkajší fotoelektrický jav

Fotobunka- elektronické zariadenie premieňajúce fotónovú energiu na elektrickú energiu. Prvú fotobunku založenú na vonkajšom fotoelektrickom jave vytvoril Alexander Stoletov v r koniec XIX storočí.

energiu, hmotnosť a hybnosť fotónu

Ľahký tlak je tlak vytváraný elektromagnetickými svetelnými vlnami dopadajúcimi na povrch telesa.

Tlak p, ktorým pôsobí vlna na povrch kovu, možno vypočítať ako pomer výsledných Lorentzových síl pôsobiacich na voľné elektróny v povrchovej vrstve kovu k ploche povrchu kovu:

Kvantová teória svetla vysvetľuje ľahký tlak v dôsledku toho, že fotóny prenášajú svoju hybnosť na atómy alebo molekuly hmoty.

Comptonov efekt(Comptonov efekt) - jav zmeny vlnovej dĺžky elektromagnetického žiarenia v dôsledku elastického rozptylu elektrónmi

Comptonova vlnová dĺžka

De Broglieho dohad je, že francúzsky fyzik Louis de Broglie predložil myšlienku prisúdenia vlnových vlastností elektrónu. De Broglie nakreslil analógiu medzi kvantom a navrhol, že pohyb elektrónu alebo akejkoľvek inej častice s pokojovou hmotnosťou je spojený s vlnovým procesom.

De Broglieho dohad stanovuje, že pohybujúca sa častica s energiou E a hybnosťou p zodpovedá vlnovému procesu, ktorého frekvencia sa rovná:

a vlnová dĺžka:

kde p je hybnosť pohybujúcej sa častice.

Davissonov-Germerov experiment- fyzikálny experiment o difrakcii elektrónov, ktorý v roku 1927 uskutočnili americkí vedci Clinton Davisson a Lester Germer.

Bola vykonaná štúdia o odraze elektrónov od monokryštálu niklu. Nastavenie zahŕňalo jediný kryštál niklu, brúsený pod uhlom a namontovaný na držiaku. Lúč monochromatických elektrónov smeroval kolmo na leštenú rovinu rezu. Rýchlosť elektrónov bola určená zapnutým napätím elektrónová pištoľ:

Faradayov pohár bol inštalovaný pod uhlom k dopadajúcemu elektrónovému lúču, pripojený k citlivému galvanometru. Na základe údajov galvanometra sa určila intenzita elektrónového lúča odrazeného od kryštálu. Celá inštalácia bola vo vákuu.

V experimentoch sa merala intenzita elektrónového lúča rozptýleného kryštálom v závislosti od uhla rozptylu z azimutálneho uhla , o rýchlosti elektrónov v lúči.

Experimenty ukázali, že v rozptyle elektrónov existuje výrazná selektivita. O rôzne významy v odrazených lúčoch sa pozorujú uhly a rýchlosti, maximá a minimá intenzity. Maximálny stav:

Tu je medzirovinná vzdialenosť.

Na kryštálovej mriežke monokryštálu bola teda pozorovaná elektrónová difrakcia. Experiment bol brilantným potvrdením existencie vlnových vlastností v mikročasticiach.

Vlnová funkcia, alebo funkcia psi- funkcia komplexnej hodnoty používaná v kvantovej mechanike na opis čistého stavu systému. Je koeficient expanzie stavového vektora nad bázou (zvyčajne súradnicovou):

kde je súradnicový základný vektor a je vlnová funkcia v súradnicovej reprezentácii.

Fyzický význam vlnová funkcia je podľa kodanskej interpretácie taká kvantová mechanika hustota pravdepodobnosti nájdenia častice v danom bode priestoru v tento momentčas sa považuje za rovný druhej mocnine absolútnej hodnoty vlnovej funkcie tohto stavu v súradnicovom znázornení.

Heisenbergov princíp neistoty(alebo Heisenberg) v kvantovej mechanike - fundamentálna nerovnosť (vzťah neistoty), ktorá stanovuje hranicu presnosti pre súčasné určenie dvojice fyzikálnych pozorovateľných veličín charakterizujúcich kvantový systém (pozri fyzikálna veličina), popísaných operátormi, ktorí nedochádzajú do práce (napríklad súradnice a hybnosť, prúd a napätie, elektrické a magnetické pole). Vzťah neistoty [* 1] stanovuje dolnú hranicu pre súčin štandardných odchýlok dvojice kvantových pozorovateľných veličín. Princíp neurčitosti, ktorý objavil Werner Heisenberg v roku 1927, je jedným zo základných kameňov kvantovej mechaniky.

Definícia Ak existuje niekoľko (veľa) identických kópií systému v danom stave, potom namerané hodnoty súradnice a hybnosti budú spĺňať určité rozdelenie pravdepodobnosti - to je základný postulát kvantovej mechaniky. Meraním hodnoty smerodajnej odchýlky súradnice a smerodajnej odchýlky impulzu zistíme, že:

Schrödingerova rovnica

Potenciálna studňa– oblasť priestoru, kde je lokálne minimum potenciálnej energie častice.

Tunelový efekt, tunelovanie- prekonanie potenciálnej bariéry mikročasticou v prípade, že jej celková energia (ktorá zostáva pri razení nezmenená) je menšia ako výška bariéry. Tunelový efekt je fenomén výlučne kvantovej povahy, nemožný a dokonca úplne v rozpore s klasickou mechanikou. Obdobou tunelového efektu vo vlnovej optike môže byť prienik svetelnej vlny do odrazového prostredia (na vzdialenosti rádovo vlnovej dĺžky svetla) za podmienok, kedy z hľadiska geometrickej optiky je úplná vnútorný odraz. Fenomén tunelovania je základom mnohých dôležitých procesov v atómovej a molekulovej fyzike, vo fyzike atómového jadra, pevných látok atď.

Harmonický oscilátor v kvantovej mechanike je to kvantová obdoba jednoduchého harmonického oscilátora, v tomto prípade sa neuvažujú sily pôsobiace na časticu, ale hamiltonián, teda celková energia harmonického oscilátora a potenciál predpokladá sa, že energia závisí kvadraticky od súradníc. Zohľadnenie nasledujúcich pojmov pri expanzii potenciálnej energie pozdĺž súradnice vedie ku koncepcii anharmonického oscilátora.

Štúdium štruktúry atómov ukázalo, že atómy pozostávajú z kladne nabitého jadra, v ktorom je sústredená takmer všetka hmota. h atómu a záporne nabité elektróny pohybujúce sa okolo jadra.

Bohr-Rutherfordov planetárny model atómu. V roku 1911 Ernest Rutherford po vykonaní série experimentov dospel k záveru, že atóm je akýmsi planetárnym systémom, v ktorom sa elektróny pohybujú na obežných dráhach okolo ťažkého, kladne nabitého jadra umiestneného v strede atómu („Rutherfordov atóm Model"). Takýto opis atómu sa však dostal do rozporu s klasickou elektrodynamikou. Faktom je, že podľa klasickej elektrodynamiky by mal elektrón pri pohybe s dostredivým zrýchlením vyžarovať elektromagnetické vlny, a teda strácať energiu. Výpočty ukázali, že čas, za ktorý elektrón v takomto atóme dopadne na jadro, je absolútne zanedbateľný. Na vysvetlenie stability atómov musel Niels Bohr zaviesť postuláty, ktoré sa scvrkli do skutočnosti, že elektrón v atóme, ktorý je v niektorých špeciálnych energetických stavoch, nevyžaruje energiu („Bohr-Rutherfordov model atómu“). Bohrove postuláty ukázali, že klasická mechanika nie je použiteľná na opis atómu. Ďalšie štúdium atómového žiarenia viedlo k vytvoreniu kvantovej mechaniky, ktorá umožnila vysvetliť veľkú väčšinu pozorovaných skutočností.

Emisné spektrá atómov zvyčajne sa získava pri vysokej teplote svetelného zdroja (plazma, oblúk alebo iskra), pri ktorej sa látka vyparí, jej molekuly sa rozdelia na jednotlivé atómy a atómy sa excitujú, aby žiarili. Atómová analýza môže byť buď emisná - štúdium emisných spektier, alebo absorpcia - štúdium absorpčných spektier.
Emisné spektrum atómu je súbor spektrálnych čiar. Spektrálna čiara sa objavuje ako výsledok monochromatického svetelného žiarenia počas prechodu elektrónu z jednej elektronickej podúrovne, ktorú umožňuje Bohrov postulát do inej podúrovne. rôzne úrovne. Toto žiarenie je charakterizované vlnovou dĺžkou K, frekvenciou v alebo vlnovým číslom co.
Emisné spektrum atómu je súbor spektrálnych čiar. Spektrálna čiara sa objavuje ako výsledok monochromatického svetelného žiarenia pri prechode elektrónu z jednej elektronickej podúrovne umožnenej Bohrovým postulátom do inej podúrovne rôznych úrovní.

Bohrov model atómu (Bohrov model)- poloklasický model atómu navrhnutý Nielsom Bohrom v roku 1913. Za základ vzal planetárny model atómu, ktorý predložil Rutherford. Z hľadiska klasickej elektrodynamiky by však elektrón v Rutherfordovom modeli, pohybujúci sa okolo jadra, mal vyžarovať nepretržite a veľmi rýchlo po strate energie dopadnúť na jadro. Na prekonanie tohto problému Bohr zaviedol predpoklad, ktorého podstatou je, že elektróny v atóme sa môžu pohybovať len po určitých (stacionárnych) dráhach, na ktorých nevyžarujú, a k emisii alebo absorpcii dochádza len v momente prechodu z jedného. obežnú dráhu na inú. Okrem toho sú pri pohybe stacionárne iba tie obežné dráhy, po ktorých sa moment hybnosti elektrónu rovná celému číslu Planckových konštánt: .

Pomocou tohto predpokladu a zákonov klasickej mechaniky, konkrétne rovnosti príťažlivej sily elektrónu zo strany jadra a odstredivej sily pôsobiacej na rotujúci elektrón, získal pre polomer stacionárnej dráhy nasledujúce hodnoty: a energia elektrónu umiestneného na tejto obežnej dráhe:

Tu je hmotnosť elektrónu, Z je počet protónov v jadre, je dielektrická konštanta, e je náboj elektrónu.

Je to presne tento výraz pre energiu, ktorý možno získať aplikáciou Schrödingerovej rovnice, ktorá rieši problém pohybu elektrónu v centrálnom Coulombovom poli.

Polomer prvej obežnej dráhy v atóme vodíka R 0 = 5,2917720859(36)·10 −11 m, teraz nazývaný Bohrov polomer alebo atómová jednotka dĺžky a je široko používaný v modernej fyzike. Energia prvej obežnej dráhy, eV, je ionizačná energia atómu vodíka.

Bohrove postuláty

§ Atóm môže byť iba v špeciálnych stacionárnych alebo kvantových stavoch, z ktorých každý má špecifickú energiu. V stacionárnom stave atóm nevyžaruje elektromagnetické vlny.

§ Elektrón v atóme sa bez straty energie pohybuje po určitých diskrétnych kruhových dráhach, pre ktoré je kvantovaný moment hybnosti: , kde sú prirodzené čísla a je Planckova konštanta. Prítomnosť elektrónu na obežnej dráhe určuje energiu týchto stacionárnych stavov.

§ Keď sa elektrón pohybuje z obežnej dráhy (energetickej hladiny) na obežnú dráhu, vyžaruje alebo absorbuje sa kvantum energie, kde sú energetické hladiny, medzi ktorými dochádza k prechodu. Pri prechode z vyššej úrovne na nižšiu je energia vyžarovaná, pri prechode z nižšej do vyššej úrovne je absorbovaná.

Pomocou týchto postulátov a zákonov klasickej mechaniky Bohr navrhol model atómu, ktorý sa teraz nazýva Bohrov model atómu. Následne Sommerfeld rozšíril Bohrovu teóriu na prípad eliptických dráh. Volá sa Bohr-Sommerfeldov model.

Frank a Hertz experimenty

skúsenosť to ukázala elektróny odovzdávajú svoju energiu atómom ortuti po častiach a 4,86 ​​eV je najmenšia možná časť, ktorú môže atóm ortuti absorbovať v stave základnej energie

Balmerova receptúra

Na opísanie vlnových dĺžok λ štyroch viditeľných čiar vodíkového spektra navrhol I. Balmer vzorec

kde n = 3, 4, 5, 6; b = 3645,6 Á.

V súčasnosti sa používa pre sériu Balmer špeciálny prípad Rydbergove vzorce:

kde λ je vlnová dĺžka,

R≈ 1,0974 10 7 m −1 - Rydbergova konštanta,

n- hlavné kvantové číslo počiatočnej úrovne je prirodzené číslo väčšie alebo rovné 3.

Atóm podobný vodíku- atóm obsahujúci vo svojom elektrónovom obale iba jeden elektrón.

Röntgenové žiarenie- elektromagnetické vlny, ktorých energia fotónov leží na škále elektromagnetických vĺn medzi ultrafialovým žiarením a gama žiarením, čo zodpovedá vlnovým dĺžkam od 10 -2 do 10 3 Å (od 10 -12 do 10 -7 m)

Röntgenová trubica- elektrické vákuové zariadenie určené na generovanie röntgenového žiarenia.

Bremsstrahlung- elektromagnetické žiarenie vyžarované nabitou časticou pri jej rozptyle (zabrzdení) v elektrickom poli. Niekedy koncept" brzdné svetlo» zahŕňajú aj žiarenie z relativisticky nabitých častíc pohybujúcich sa v makroskopii magnetické polia(v urýchľovačoch, vo vesmíre) a nazývajú to magnetické brzdné žiarenie; v tomto prípade je však bežnejšie používaný výraz „synchrotrónové žiarenie“.

CHARAKTERISTICKÉ EMISIE- Röntgen čiarové spektrum žiarenia. Charakteristické pre atómy každého prvku.

Chemická väzba - jav interakcie atómov, spôsobený prekrývaním elektrónových oblakov väzbových častíc, ktorý je sprevádzaný poklesom celkovej energie sústavy.

molekulové spektrum- emisné (absorpčné) spektrum vznikajúce pri kvantových prechodoch medzi energetickými hladinami molekúl

Energetická úroveň - vlastné hodnoty energie kvantových systémov, to znamená systémov pozostávajúcich z mikročastíc (elektrónov, protónov a iných elementárnych častíc) a podliehajúcich zákonom kvantovej mechaniky.

Kvantové číslo n – Hlavná vec . Určuje energiu elektrónu v atóme vodíka a jednoelektrónových systémoch (He +, Li 2+ atď.). V tomto prípade energia elektrónov

Kde n nadobúda hodnoty od 1 do ∞. Menej n, tým väčšia je energia interakcie medzi elektrónom a jadrom. O n= 1 atóm vodíka je v základnom stave, at n> 1 – vzrušený.

Pravidlá výberu v spektroskopii nazývajú obmedzenia a zákazy prechodov medzi úrovňami kvantového mechanického systému s absorpciou alebo emisiou fotónu, uložené zákonmi zachovania a symetriou.

Viacelektrónové atómy sa nazývajú atómy s dvoma alebo viacerými elektrónmi.

Zeemanov efekt- štiepenie čiar atómových spektier v magnetickom poli.

Objavený v roku 1896 Zeemanom pre emisné línie sodíka.

Podstatou fenoménu elektrónovej paramagnetickej rezonancie je rezonančná absorpcia elektromagnetického žiarenia nespárovanými elektrónmi. Elektrón má rotáciu a súvisiaci magnetický moment.

TEPELNÉ ŽIARENIE Zákon Stefana Boltzmanna Vzťah medzi svietivosťou energie R e a spektrálnou hustotou svietivosti energie čierneho telesa Energetická svietivosť šedého telesa Wienov zákon posunutia (1. zákon) Závislosť maximálnej spektrálnej hustoty svietivosti energie čierneho teleso na teplote (2. zákon) Planckov vzorec


TEPELNÉ ŽIARENIE 1. Maximálna spektrálna hustota svietivosti slnečnej energie nastáva pri vlnovej dĺžke = 0,48 mikrónov. Za predpokladu, že Slnko vyžaruje ako čierne teleso, určite: 1) teplotu jeho povrchu; 2) výkon vyžarovaný jeho povrchom. Podľa Wienovho zákona o posunutí Sila vyžarovaná povrchom Slnka Podľa zákona Stefana Boltzmanna


TEPELNÉ ŽIARENIE 2. Určte množstvo straty tepla o 50 cm 2 z povrchu roztavenej platiny za 1 minútu, ak absorpčná schopnosť platiny A T = 0,8. Teplota topenia platiny je 1770 °C. Množstvo tepla, ktoré platina stratí, sa rovná energii vyžarovanej jej horúcim povrchom.Podľa zákona Stefana Boltzmanna,


TEPELNÉ ŽIARENIE 3. Elektrická pec spotrebuje výkon P = 500 W. Teplota jeho vnútorného povrchu s otvoreným malým otvorom s priemerom d = 5,0 cm je 700 °C. Akú časť spotreby energie rozptýli steny? Celkový výkon je určený súčtom výkonu uvoľneného cez otvor Výkon rozptýlený stenami Podľa zákona Stefana Boltzmanna,


TEPELNÉ ŽIARENIE 4 Volfrámové vlákno sa zahrieva vo vákuu prúdom sily I = 1 A na teplotu T 1 = 1000 K. Pri akej sile prúdu sa vlákno zahreje na teplotu T 2 = 3000 K? Absorpčné koeficienty volfrámu a jeho odporov, zodpovedajúce teplotám Ti, T2 sa rovnajú: ai = 0,115 a a2 = 0,334; 1 = 25, Ohm m, 2 = 96, Ohm m Vyžarovaný výkon sa rovná výkonu spotrebovanému z elektrický obvod v ustálenom stave Elektrický výkon uvoľnený vo vodiči Podľa zákona Stefana Boltzmanna,


TEPELNÉ ŽIARENIE 5. V spektre Slnka sa maximálna spektrálna hustota svetelnej energie vyskytuje pri vlnovej dĺžke ,0 = 0,47 mikrónov. Za predpokladu, že Slnko vyžaruje ako úplne čierne teleso, nájdite intenzitu slnečné žiarenie(t.j. hustota toku žiarenia) v blízkosti Zeme mimo jej atmosféry. Svetelná intenzita (intenzita žiarenia) Svetelný tok Podľa zákonov Stefana Boltzmanna a Wiena


TEPELNÉ ŽIARENIE 6. Vlnová dĺžka 0, ktorá predstavuje maximálnu energiu v spektre žiarenia čierneho telesa, je 0,58 mikrónu. Určte maximálnu spektrálnu hustotu svietivosti energie (r, T) max, vypočítanú pre interval vlnových dĺžok = 1 nm, blízko 0. Maximálna spektrálna hustota svietivosti energie je úmerná piatej mocnine teploty a vyjadruje ju 2. Wienov zákon. Teplota T je vyjadrená z Wienovho zákona posunu hodnota C je uvedená v jednotkách SI, v ktorých jednotkový interval vlnovej dĺžky = 1 m. Podľa podmienok úlohy je potrebné vypočítať spektrálnu hustotu svietivosti vypočítanú pre interval vlnových dĺžok 1 nm, tak vypíšeme hodnotu C v jednotkách SI a prepočítame ju pre daný interval vlnových dĺžok:


TEPELNÉ ŽIARENIE 7. Štúdium spektra slnečného žiarenia ukazuje, že maximálna spektrálna hustota svietivosti energie zodpovedá vlnovej dĺžke = 500 nm. Berúc Slnko ako čierne teleso, určite: 1) energetickú svietivosť R e Slnka; 2) tok energie F e vyžarovaný Slnkom; 3) hmotnosť elektromagnetických vĺn (všetkých dĺžok) vyžiarených Slnkom za 1 s. 1. Podľa zákonov Stefana Boltzmanna a Wiena 2. Svetelný tok 3. Hmotnosť elektromagnetických vĺn (všetky dĺžky) vyžiarených Slnkom za čas t = 1 s určíme aplikáciou zákona úmernosti hmotnosti a energie. E = ms 2. Energia elektromagnetických vĺn vyžarovaných za čas t sa rovná súčinu toku energie Ф e ((výkon žiarenia) v čase: E=Ф e t. Preto Ф e =ms 2, odkiaľ m= Ф e/s 2.

1. Charakteristika tepelného žiarenia.

2. Kirchhoffov zákon.

3. Zákony žiarenia čierneho telesa.

4. Žiarenie zo Slnka.

5. Fyzikálne základy termografie.

6. Fototerapia. Liečivé použitie ultrafialové.

7. Základné pojmy a vzorce.

8. Úlohy.

Z množstva elektromagnetického žiarenia, viditeľného alebo neviditeľného pre ľudské oko, možno vybrať jedno, ktoré je vlastné všetkým telám - je to tepelné žiarenie.

Tepelné žiarenie- elektromagnetické žiarenie vyžarované látkou a vznikajúce v dôsledku jej vnútornej energie.

Tepelné žiarenie vzniká excitáciou častíc hmoty pri zrážkach pri tepelnom pohybe alebo zrýchlenom pohybe nábojov (kmitanie iónov kryštálovej mriežky, tepelný pohyb voľných elektrónov a pod.). Vyskytuje sa pri akejkoľvek teplote a je vlastný všetkým telám. Charakteristickým znakom tepelného žiarenia je spojité spektrum.

Intenzita žiarenia a spektrálne zloženie závisí od telesnej teploty, takže tepelné žiarenie nie je vždy vnímané okom ako žiara. Napríklad telesá zahriate na vysokú teplotu vyžarujú značnú časť energie vo viditeľnej oblasti a pri izbovej teplote je takmer všetka energia vyžarovaná v infračervenej časti spektra.

26.1. Charakteristika tepelného žiarenia

Energiu, ktorú telo stráca tepelným žiarením, charakterizujú nasledujúce veličiny.

Tok žiarenia(F) - energia vyžiarená za jednotku času z celého povrchu tela.

V skutočnosti ide o silu tepelného žiarenia. Rozmer toku žiarenia je [J/s = W].

Energetická svietivosť(Re) je energia tepelného žiarenia emitovaného za jednotku času z jednotkového povrchu ohrievaného telesa:

Rozmer tejto charakteristiky je [W/m2].

Tok žiarenia aj energetická svietivosť závisia od štruktúry látky a jej teploty: Ф = Ф(Т), Re = Re(T).

Charakterizuje ho rozloženie energetickej svietivosti v spektre tepelného žiarenia spektrálna hustota. Označme energiu tepelného žiarenia vyžarovaného jednou plochou za 1 s v úzkom rozsahu vlnových dĺžok od λ predtým λ +d λ, cez dRe.

Spektrálna hustota energetickej svietivosti(r) alebo emisivita sa nazýva pomer energetickej svietivosti v úzkej časti spektra (dRe) k šírke tejto časti (dλ):

Približná forma spektrálnej hustoty a energetickej svietivosti (dRe) v rozsahu vlnových dĺžok od λ predtým λ +d λ, znázornené na obr. 26.1.

Ryža. 26.1. Spektrálna hustota energetickej svietivosti

Závislosť spektrálnej hustoty energetickej svietivosti od vlnovej dĺžky je tzv spektrum žiarenia tela. Znalosť tejto závislosti umožňuje vypočítať energetickú svietivosť telesa v akomkoľvek rozsahu vlnových dĺžok:

Telesá nielen vyžarujú, ale aj absorbujú tepelné žiarenie. Schopnosť telesa absorbovať energiu žiarenia závisí od jeho látky, teploty a vlnovej dĺžky žiarenia. Absorpčnú schopnosť tela charakterizuje monochromatický absorpčný koeficientα.

Nechajte na povrch tela dopadať prúd monochromatickéžiarenie Φ λ s vlnovou dĺžkou λ. Časť tohto toku sa odráža a časť je absorbovaná telom. Označme veľkosť absorbovaného toku Φ λ abs.

Monochromatický absorpčný koeficient α λ je pomer toku žiarenia absorbovaného daným telesom k veľkosti dopadajúceho monochromatického toku:

Koeficient monochromatickej absorpcie je bezrozmerná veličina. Jeho hodnoty ležia medzi nulou a jednou: 0 ≤ α ≤ 1.

Funkcia α = α(λ,T), vyjadrujúca závislosť monochromatického absorpčného koeficientu od vlnovej dĺžky a teploty, je tzv. absorpčná kapacita telá. Jeho vzhľad môže byť dosť zložitý. Najjednoduchšie typy absorpcie sú diskutované nižšie.

Čisto čierne telo- teleso, ktorého absorpčný koeficient sa rovná jednotke pre všetky vlnové dĺžky: α = 1. Pohltí všetko naň dopadajúce žiarenie.

Absorpčnými vlastnosťami sú sadze, čierny zamat a platinová čierna blízka absolútne čiernemu telu. Veľmi dobrým modelom čierneho telesa je uzavretá dutina s malým otvorom (O). Steny dutiny sú sčernené (obr. 26.2.

Lúč vstupujúci do tohto otvoru je po opakovaných odrazoch od stien takmer úplne absorbovaný. Podobné zariadenia

Ryža. 26.2.Čierny model tela

používané ako svetelné štandardy, používané pri meraní vysokých teplôt atď.

Spektrálnu hustotu svetelnej energie absolútne čierneho telesa označujeme ε(λ,Τ). Táto funkcia sa prehrá Dôležitá rola v teórii tepelného žiarenia. Jeho forma bola najprv stanovená experimentálne a potom získaná teoreticky (Planckov vzorec).

Úplne biele telo- teleso, ktorého absorpčný koeficient je nulový pre všetky vlnové dĺžky: α = 0.

V prírode neexistujú skutočne biele telesá, ale existujú telesá, ktoré sú im blízke vlastnosťami v dosť širokom rozsahu teplôt a vlnových dĺžok. Napríklad zrkadlo v optickej časti spektra odráža takmer všetko dopadajúce svetlo.

Šedé telo je teleso, u ktorého koeficient absorpcie nezávisí od vlnovej dĺžky: α = konšt< 1.

Niektoré skutočné telesá majú túto vlastnosť v určitom rozsahu vlnových dĺžok a teplôt. Napríklad ľudskú pokožku v infračervenej oblasti možno považovať za „sivú“ (α = 0,9).

26.2. Kirchhoffov zákon

Kvantitatívny vzťah medzi žiarením a absorpciou stanovil G. Kirchhoff (1859).

Kirchhoffov zákon- postoj emisivita telo k jeho absorpčná kapacita je rovnaká pre všetky telesá a rovná sa spektrálnej hustote svetelnej energie absolútne čierneho telesa:

Všimnime si niektoré dôsledky tohto zákona.

1. Ak teleso pri danej teplote neabsorbuje žiadne žiarenie, tak ho nevyžaruje. Skutočne, ak pre

26.3. Zákony žiarenia čierneho telesa

Zákony žiarenia čierneho telesa boli stanovené v nasledujúcom poradí.

V roku 1879 experimentálne určil J. Stefan a v roku 1884 L. Boltzmann teoreticky energetická svietivosťúplne čierne telo.

Stefan-Boltzmannov zákon - Energetická svietivosť úplne čierneho telesa je úmerná štvrtej mocnine jeho absolútnej teploty:

Hodnoty absorpčných koeficientov pre niektoré materiály sú uvedené v tabuľke. 26.1.

Tabuľka 26.1. Absorpčné koeficienty

Nemecký fyzik W. Wien (1893) stanovil vzorec pre vlnovú dĺžku, pri ktorej nastáva maximum emisivitaúplne čierne telo. Pomer, ktorý získal, bol pomenovaný po ňom.

So zvyšujúcou sa teplotou je maximálna emisivita smeny doľava (obr. 26.3).

Ryža. 26.3. Ilustrácia Wienovho zákona o posunutí

V tabuľke 26.2 sú znázornené farby vo viditeľnej časti spektra zodpovedajúce žiareniu telies pri rôznych teplotách.

Tabuľka 26.2. Farby vyhrievaných telies

Pomocou Stefan-Boltzmannovho a Wienovho zákona je možné určiť teploty telies meraním žiarenia týchto telies. Takto sa napríklad určuje teplota slnečného povrchu (~6000 K), teplota v epicentre výbuchu (~106 K) atď. Spoločný názov tieto metódy - pyrometria.

V roku 1900 dostal M. Planck vzorec na výpočet emisivita teoreticky úplne čierne telo. Aby to urobil, musel opustiť klasické predstavy o kontinuita proces vyžarovania elektromagnetických vĺn. Podľa Plancka sa tok žiarenia skladá z oddelených častí - kvantá, ktorých energie sú úmerné frekvenciám svetla:

Zo vzorca (26.11) možno teoreticky získať Stefanov-Boltzmannov a Wienov zákon.

26.4. Žiarenie zo Slnka

Vnútri slnečná sústava Slnko je najsilnejším zdrojom tepelného žiarenia, ktoré určuje život na Zemi. Slnečné žiarenie má liečivé vlastnosti (helioterapia) a používa sa ako prostriedok na otužovanie. Môže tiež poskytnúť negatívny vplyv na tele (spálenie, teplo

Spektrá slnečného žiarenia na rozhraní zemskej atmosféry a na zemskom povrchu sú rozdielne (obr. 26.4).

Ryža. 26.4. Spektrum slnečného žiarenia: 1 - na hranici atmosféry, 2 - na povrchu Zeme

Na hranici atmosféry je spektrum Slnka blízke spektru úplne čierneho telesa. Maximálna emisivita nastáva pri λ 1 max= 470 nm (modrá farba).

Na povrchu Zeme má spektrum slnečného žiarenia zložitejší tvar, ktorý súvisí s absorpciou v atmosfére. Neobsahuje najmä vysokofrekvenčnú časť ultrafialového žiarenia, ktorá je škodlivá pre živé organizmy. Tieto lúče sú takmer úplne absorbované ozónovou vrstvou. Maximálna emisivita nastáva pri λ 2 max= 555 nm (zeleno-žltá), čo zodpovedá najlepšej citlivosti oka.

Určuje tok tepelného žiarenia zo Slnka na hranici zemskej atmosféry slnečná konštanta ja

Dosahovanie toku zemského povrchu, podstatne menej v dôsledku absorpcie v atmosfére. Za najpriaznivejších podmienok (slnko za zenitom) nepresahuje 1120 W/m2. V Moskve v čase letného slnovratu (jún) - 930 W/m2.

Sila slnečného žiarenia na zemskom povrchu a jeho spektrálne zloženie najvýraznejšie závisia od výšky Slnka nad horizontom. Na obr. Obrázok 26.5 zobrazuje vyhladené distribučné krivky slnečnej energie: I - mimo atmosféry; II - keď je Slnko na svojom zenite; III - vo výške 30 ° nad horizontom; IV - za podmienok blízkych východu a západu Slnka (10° nad obzorom).

Ryža. 26.5. Rozloženie energie v slnečnom spektre v rôznych výškach nad horizontom

Rôzne zložky slnečného spektra prechádzajú zemskou atmosférou rôzne. Obrázok 26.6 ukazuje priehľadnosť atmosféry vo vysokej nadmorskej výške Slnka.

26.5. Fyzikálne základy termografie

Tepelné žiarenie človeka tvorí podstatnú časť jeho tepelných strát. Radiačné straty osoby sa rovnajú rozdielu emitované prúdiť a absorbované tok žiarenia životné prostredie. Stratový výkon žiarenia sa vypočíta pomocou vzorca

kde S je plocha povrchu; δ - znížený absorpčný koeficient pokožky (oblečenia), považovaný za sivé telo; T 1 - teplota povrchu tela (oblečenie); T 0 - teplota okolia.

Zvážte nasledujúci príklad.

Vypočítajme stratový výkon žiarenia nahý muž pri teplote okolia 18 °C (291 K). Predpokladajme: plocha povrchu tela S = 1,5 m2; teplota kože T1 = 306 K (33 °C). Daný koeficient absorpcie pokožkou je možné zistiť z tabuľky. 26.1 (δ = 5,1*10-8 W/m2K4). Nahradením týchto hodnôt do vzorca (26.11) dostaneme

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

Ryža. 26.6. Priehľadnosť zemskej atmosféry (v percentách) pre rôzne časti spektra pri vysoká nadmorská výška stanica Slnka.

Ako diagnostický parameter možno použiť tepelné žiarenie človeka.

Termografia - diagnostická metóda založená na meraní a zaznamenávaní tepelného žiarenia z povrchu ľudského tela alebo jeho jednotlivých častí.

Rozloženie teploty na malej ploche povrchu tela je možné určiť pomocou špeciálnych filmov z tekutých kryštálov. Takéto fólie sú citlivé na malé zmeny teploty (menia farbu). Preto sa na filme objaví farebný tepelný „portrét“ oblasti tela, na ktorú je aplikovaný.

Pokročilejšou metódou je použitie termovízií, ktoré premieňajú infračervené žiarenie na viditeľné svetlo. Telesné žiarenie sa premieta na matricu termokamery pomocou špeciálnej šošovky. Po konverzii sa na obrazovke vytvorí detailný tepelný portrét. Oblasti rôznych teplôt sa líšia farbou alebo intenzitou. Moderné metódy umožňujú zaznamenať rozdiely teplôt až do 0,2 stupňa.

Tepelné portréty sa využívajú vo funkčnej diagnostike. Rôzne patológie vnútorných orgánov môžu vytvárať kožné zóny so zmenenou teplotou na povrchu. Detekcia takýchto zón naznačuje prítomnosť patológie. Termografická metóda uľahčuje diferenciálnu diagnostiku medzi benígnymi a malígnymi nádormi. Táto metóda je objektívnym prostriedkom na sledovanie účinnosti terapeutických kúr. Počas termografického vyšetrenia pacientov so psoriázou sa teda zistilo, že v prítomnosti výraznej infiltrácie a hyperémie v plakoch je zaznamenané zvýšenie teploty. Pokles teploty na úroveň okolitých oblastí vo väčšine prípadov naznačuje regresia proces na koži.

Zvýšená teplota je často indikátorom infekcie. Ak chcete určiť teplotu človeka, stačí sa pozrieť cez infračervené zariadenie na jeho tvár a krk. U zdravých ľudí sa pomer teploty čela k teplote krčnej tepny pohybuje od 0,98 do 1,03. Tento pomer je možné použiť na expresnú diagnostiku počas epidémií na vykonávanie karanténnych opatrení.

26.6. Fototerapia. Terapeutické využitie ultrafialového svetla

V medicíne sa široko používa infračervené žiarenie, viditeľné svetlo a ultrafialové žiarenie. Pripomeňme si rozsah ich vlnových dĺžok:

Fototerapia nazývané použitie infračerveného a viditeľného žiarenia na liečebné účely.

Infračervené lúče (ako viditeľné) prenikajú do tkanív a v mieste absorpcie spôsobujú uvoľňovanie tepla. Hĺbka prieniku infračervených a viditeľných lúčov do pokožky je znázornená na obr. 26.7.

Ryža. 26.7. Hĺbka prenikania žiarenia do kože

V lekárskej praxi sa ako zdroje infračerveného žiarenia používajú špeciálne žiariče (obr. 26.8).

Mininova lampa Ide o žiarovku s reflektorom, ktorý lokalizuje žiarenie v požadovanom smere. Zdrojom žiarenia je 20-60 W žiarovka z bezfarebného alebo modrého skla.

Svetlo-termálny kúpeľ Je to polvalcový rám pozostávajúci z dvoch polovíc, ktoré sú navzájom pohyblivo spojené. Na vnútornej strane rámu, smerom k pacientovi, sú namontované žiarovky s výkonom 40 W. V takýchto kúpeľoch je biologický objekt vystavený infračervenému a viditeľnému žiareniu, ako aj ohriatemu vzduchu, ktorého teplota môže dosiahnuť 70 °C.

lampa Sollux Je to výkonná žiarovka umiestnená v špeciálnom reflektore na statíve. Zdrojom žiarenia je 500 W žiarovka (teplota volfrámového vlákna 2 800°C, maximum žiarenia nastáva pri vlnovej dĺžke 2 μm).

Ryža. 26.8. Ožarovače: mini lampa (a), svetlo-tepelný kúpeľ (b), lampa Sollux (c)

Terapeutické využitie ultrafialového svetla

Ultrafialové žiarenie používané na lekárske účely je rozdelené do troch rozsahov:

Pri absorpcii ultrafialového žiarenia v tkanivách (pokožke) dochádza k rôznym fotochemickým a fotobiologickým reakciám.

Použité zdroje žiarenia sú vysokotlakové lampy(oblúkové, ortuťové, rúrkové), luminiscenčné lampy, výboj plynu nízkotlakové lampy, Jednou z odrôd, ktoré sú baktericídne lampy.

A-žiarenie má erytémový a opaľovací účinok. Používa sa pri liečbe mnohých dermatologických ochorení. Niektoré chemické zlúčeniny radu furokumarínu (napríklad psoralen) môžu senzibilizovať pokožku týchto pacientov na dlhovlnné ultrafialové žiarenie a stimulovať tvorbu melanínového pigmentu v melanocytoch. Kombinované užívanie týchto liekov s A-žiarením je základom liečebnej metódy tzv fotochemoterapia alebo PUVA terapia(PUVA: P - psoralen; UVA - ultrafialové žiarenie zóny A). Časť alebo celé telo je vystavené žiareniu.

B-žiarenie má vatimínotvorný účinok proti krivici.

C-žiarenie má baktericídny účinok. Pri ožiarení je zničená štruktúra mikroorganizmov a húb. C-žiarenie vytvárajú špeciálne baktericídne lampy (obr. 26.9).

Niektoré liečebné techniky využívajú C-žiarenie na ožarovanie krvi.

Ultrafialový pôst. Ultrafialové žiarenie je nevyhnutné pre normálny vývoj a fungovanie tela. Jeho nedostatok vedie k množstvu závažných ochorení. Obyvatelia extrémnych podmienok čelia ultrafialovému hladovaniu

Ryža. 26.9. Baktericídny ožarovač (a), ožarovač pre nosohltan (b)

Sever, pracovníci ťažobného priemyslu, metra, obyvatelia veľkých miest. V mestách je nedostatok ultrafialového žiarenia spojený so znečistením ovzdušia prachom, dymom a plynmi, ktoré si zachovávajú UV časť slnečného spektra. Okná miestností neprepúšťajú UV žiarenie s vlnovou dĺžkou 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).

Nebezpečenstvo ultrafialového žiarenia

Vystavenie nadmernému množstvu dávky ultrafialového žiarenia na telo ako celok a na jeho jednotlivé orgány vedie k vzniku množstva patológií. V prvom rade sa to týka následkov nekontrolovaného opaľovania: popáleniny, starecké škvrny, poškodenie očí – rozvoj fotooftalmie. Účinok ultrafialového žiarenia na oko je podobný erytému, pretože je spojený s rozkladom proteínov v bunkách rohovky a slizníc oka. Živé bunky ľudskej kože sú chránené pred ničivými účinkami UV žiarenia.

mi" bunky stratum corneum kože. Oči sú zbavené tejto ochrany, preto pri značnej dávke žiarenia do očí vzniká po latentnom období zápal rohovky (keratitída) a slizníc (konjunktivitída). Tento efekt spôsobujú lúče s vlnovou dĺžkou menšou ako 310 nm. Pred takýmito lúčmi je potrebné chrániť oko. Osobitná pozornosť by sa mala venovať blastomogénnemu účinku UV žiarenia, vedúcemu k rozvoju rakoviny kože.

26.7. Základné pojmy a vzorce

Pokračovanie tabuľky

Koniec stola

26.8. Úlohy

2. Určte, koľkokrát sa líšia energetické svietivosti oblastí povrchu ľudského tela, ktoré majú teplotu 34 a 33 °C?

3. Pri diagnostikovaní nádoru prsníka pomocou termografie sa pacientovi podáva roztok glukózy na pitie. Po určitom čase sa zaznamená tepelné vyžarovanie povrchu tela. Bunky nádorového tkaniva intenzívne absorbujú glukózu, v dôsledku čoho sa zvyšuje ich produkcia tepla. O koľko stupňov sa zmení teplota oblasti kože nad nádorom, ak sa žiarenie z povrchu zvýši o 1 % (1,01-krát)? Počiatočná teplota oblasti tela je 37°C.

6. O koľko sa zvýšila teplota ľudského tela, ak sa tok žiarenia z povrchu tela zvýšil o 4 %? Počiatočná telesná teplota je 35 °C.

7. V miestnosti sú dve rovnaké čajové kanvice obsahujúce rovnaké hmotnosti voda s teplotou 90°C. Jeden z nich je poniklovaný a druhý je tmavý. Ktorá kanvica vychladne rýchlejšie? prečo?

Riešenie

Podľa Kirchhoffovho zákona je pomer emisných a absorpčných schopností rovnaký pre všetky telesá. Poniklovaná kanvica odráža takmer všetko svetlo. Preto je jeho absorpčná kapacita nízka. Emisivita je zodpovedajúco nízka.

odpoveď: Tmavá kanvica rýchlejšie vychladne.

8. Na zničenie chrobákov je zrno vystavené infračervenému žiareniu. Prečo chrobáky umierajú, ale zrno nie?

odpoveď: chyby majú čierna farbu, preto intenzívne pohlcujú infračervené žiarenie a odumierajú.

9. Pri zahrievaní kusu ocele budeme pozorovať žiarivo čerešňovočervené teplo pri teplote 800°C, ale priehľadná tyčinka taveného kremeňa pri rovnakej teplote vôbec nežiari. prečo?

Riešenie

Pozri problém 7. Priehľadné telo absorbuje malú časť svetla. Preto je jeho emisivita nízka.

odpoveď: priehľadné telo prakticky nevyžaruje ani pri veľkom zahriatí.

10. Prečo v chladné počasie Koľko zvierat spí schúlených do klbka?

odpoveď: zároveň sa zmenšuje otvorený povrch telesa a v dôsledku toho sa znižujú straty žiarenia.