ลักษณะของการแผ่รังสีความร้อน (ฟลักซ์ ความส่องสว่างของพลังงาน ความหนาแน่นสเปกตรัมของความส่องสว่างของพลังงาน) การแผ่รังสีความร้อน ความส่องสว่างของพลังงาน ความหนาแน่นของความส่องสว่างทางสเปกตรัม ตัวดำสนิทเลย กฎของเคอร์ชอฟฟ์ กฎของสตีเฟน

การแผ่รังสีของร่างกาย รแอล,ตเท่ากับตัวเลขพลังงานของร่างกาย dWlซึ่งปล่อยออกมาจากร่างกายจากหน่วยของพื้นผิวร่างกาย ต่อหน่วยเวลาที่อุณหภูมิร่างกาย T ในช่วงความยาวคลื่นตั้งแต่ l ถึง l +ดล,เหล่านั้น.

ปริมาณนี้เรียกอีกอย่างว่าความหนาแน่นสเปกตรัมของพลังงานความส่องสว่างของร่างกาย

ความส่องสว่างที่มีพลังสัมพันธ์กับการแผ่รังสีตามสูตร

การดูดซึมร่างกาย อัล,ต- ตัวเลขแสดงว่าเศษส่วนของพลังงานรังสีที่ตกกระทบบนพื้นผิวของร่างกายถูกดูดซับไว้ในช่วงความยาวคลื่นตั้งแต่ l ถึง l +ดล,เหล่านั้น.

ร่างกายซึ่งอัล ,ต =1ตลอดช่วงความยาวคลื่นทั้งหมดเรียกว่าวัตถุสีดำสัมบูรณ์ (BLB)

ร่างกายซึ่งอัล ,T =คอนสตรัค<1 ตลอดช่วงความยาวคลื่นทั้งหมดเรียกว่าสีเทา

ที่ไหน- ความหนาแน่นของสเปกตรัม ความส่องสว่างอันทรงพลังหรือ การแผ่รังสีของร่างกาย .

ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าการแผ่รังสีของร่างกายขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของร่างกาย (สำหรับแต่ละอุณหภูมิ การแผ่รังสีสูงสุดจะอยู่ในช่วงความถี่ของมันเอง) มิติ .

เมื่อทราบค่าการเปล่งรังสีแล้ว เราสามารถคำนวณค่าความส่องสว่างที่มีพลังได้:

เรียกว่า ความสามารถในการดูดซึมของร่างกาย - นอกจากนี้ยังขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเป็นอย่างมาก

ตามคำจำกัดความแล้ว ไม่สามารถมากกว่าหนึ่งได้ สำหรับตัวที่ดูดซับรังสีทุกความถี่ได้อย่างสมบูรณ์ กายอย่างนี้เรียกว่า สีดำสนิท (นี่คืออุดมคติ)

ร่างกายที่และน้อยกว่าความสามัคคีสำหรับทุกความถี่,เรียกว่า ตัวสีเทา (นี่ก็เป็นอุดมคติเช่นกัน)

มีความเชื่อมโยงบางอย่างระหว่างความสามารถในการเปล่งแสงและความสามารถในการดูดซับของร่างกาย เรามาทำการทดลองต่อไปนี้ทางจิตใจ (รูปที่ 1.1)

ข้าว. 1.1

ให้มีสามศพอยู่ในเปลือกปิด ร่างกายอยู่ในสุญญากาศ ดังนั้นการแลกเปลี่ยนพลังงานจึงสามารถเกิดขึ้นได้ผ่านการแผ่รังสีเท่านั้น ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าระบบดังกล่าวจะเข้าสู่สภาวะสมดุลทางความร้อนในเวลาต่อมา (วัตถุทั้งหมดและเปลือกจะมีอุณหภูมิเท่ากัน)

ในสถานะนี้ ร่างกายที่มีการแผ่รังสีมากขึ้นจะสูญเสียพลังงานมากขึ้นต่อหน่วยเวลา ดังนั้น ร่างกายนี้จะต้องมีความสามารถในการดูดซับที่มากขึ้นด้วย:

Gustav Kirchhoff คิดค้นขึ้นในปี 1856 กฎ และแนะนำ โมเดลตัวสีดำ .

อัตราส่วนของการแผ่รังสีต่อการดูดซึมไม่ได้ขึ้นอยู่กับธรรมชาติของร่างกาย แต่จะเหมือนกันสำหรับร่างกายทั้งหมด(สากล)ฟังก์ชั่นของความถี่และอุณหภูมิ

ที่ไหน - ฟังก์ชั่นสากลของ Kirchhoff

ฟังก์ชันนี้มีอักขระสากลหรืออักขระสัมบูรณ์

ปริมาณที่เกิดขึ้นเองและเมื่อแยกจากกันสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างมากเมื่อเคลื่อนที่จากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่ง แต่เป็นอัตราส่วน อย่างสม่ำเสมอสำหรับทุกร่างกาย (ตามความถี่และอุณหภูมิที่กำหนด)

สำหรับร่างกายที่ดำสนิทดังนั้นสำหรับมันนั่นคือ ฟังก์ชั่นสากลของ Kirchhoff นั้นไม่มีอะไรมากไปกว่าการแผ่รังสีของวัตถุสีดำสนิท

วัตถุสีดำสนิทไม่มีอยู่ในธรรมชาติ เขม่าหรือแพลทินัมแบล็คมีความสามารถในการดูดซับ แต่อยู่ในช่วงความถี่ที่จำกัดเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ช่องที่มีรูเล็กๆ มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับวัตถุสีดำสนิทมาก ลำแสงที่เข้าไปด้านในนั้นจำเป็นต้องดูดซับหลังจากการสะท้อนหลายครั้งและลำแสงความถี่ใดก็ได้ (รูปที่ 1.2)

ข้าว. 1.2

การเปล่งรังสีของอุปกรณ์ดังกล่าว (ช่อง) นั้นอยู่ใกล้มาก ฉ(ν, ,ท- ดังนั้นหากผนังโพรงมีการรักษาอุณหภูมิไว้ ตจากนั้นรังสีก็ออกมาจากหลุม ซึ่งใกล้เคียงกับองค์ประกอบสเปกตรัมมากกับการแผ่รังสีของวัตถุสีดำสนิทที่อุณหภูมิเดียวกัน

เมื่อแยกรังสีออกเป็นสเปกตรัม เราก็จะสามารถหารูปแบบการทดลองของฟังก์ชันได้ ฉ(ν, ,ท)(รูปที่ 1.3) ที่อุณหภูมิต่างกัน ต 3 > ต 2 > ต 1 .

ข้าว. 1.3

พื้นที่ที่เส้นโค้งปกคลุมทำให้เกิดความส่องสว่างอันทรงพลังของวัตถุสีดำที่อุณหภูมิที่สอดคล้องกัน

เส้นโค้งเหล่านี้เหมือนกันสำหรับร่างกายทั้งหมด

เส้นโค้งจะคล้ายกับฟังก์ชันการกระจายความเร็วโมเลกุล แต่พื้นที่ที่เส้นโค้งปกคลุมนั้นคงที่ แต่ที่นี่เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น พื้นที่ก็จะเพิ่มขึ้นอย่างมาก สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าความเข้ากันได้อย่างมีพลังนั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเป็นอย่างมาก การแผ่รังสีสูงสุด (emissivity) เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น กะไปสู่ความถี่ที่สูงขึ้น

กฎของการแผ่รังสีความร้อน

ร่างกายที่ร้อนใด ๆ ก็แผ่กระจายออกไป คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า- ยิ่งอุณหภูมิของร่างกายสูง คลื่นที่ปล่อยออกมาก็จะสั้นลง วัตถุที่อยู่ในสมดุลทางอุณหพลศาสตร์พร้อมกับรังสีเรียกว่า สีดำสนิท (เอเอชที). การแผ่รังสีของวัตถุสีดำสนิทขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของมันเท่านั้น ในปี 1900 มักซ์พลังค์ได้สูตรมาซึ่งที่อุณหภูมิที่กำหนดของวัตถุสีดำสนิท เราสามารถคำนวณความเข้มของรังสีได้

นักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย Stefan และ Boltzmann ได้กำหนดกฎที่แสดงความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างการแผ่รังสีทั้งหมดกับอุณหภูมิของวัตถุสีดำ:

กฎหมายนี้เรียกว่า กฎหมายสเตฟาน-โบลต์ซมันน์ - ค่าคงที่ σ = 5.67∙10 –8 W/(m 2 ∙K 4) เรียกว่า สเตฟาน-โบลต์ซมันน์คงที่ .

เส้นโค้งพลังค์ทั้งหมดมีค่าสูงสุดที่เด่นชัดอย่างเห็นได้ชัดที่ความยาวคลื่น

กฎหมายนี้เรียกว่า กฎของเวียน - ดังนั้น สำหรับดวงอาทิตย์ T 0 = 5,800 K และค่าสูงสุดจะเกิดขึ้นที่ความยาวคลื่น แลมสูงสุด ข่มขืน 500 นาโนเมตร ซึ่งสอดคล้องกับสีเขียวในช่วงแสง

เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น การแผ่รังสีสูงสุดของวัตถุสีดำสนิทจะเปลี่ยนไปยังส่วนที่มีความยาวคลื่นสั้นลงของสเปกตรัม ดาวฤกษ์ที่ร้อนกว่าจะปล่อยพลังงานส่วนใหญ่ออกมาเป็นรังสีอัลตราไวโอเลต ในขณะที่ดาวฤกษ์ที่เย็นกว่าจะปล่อยพลังงานส่วนใหญ่ออกมาเป็นรังสีอัลตราไวโอเลต

เอฟเฟกต์ภาพถ่าย โฟตอน

เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคถูกค้นพบในปี พ.ศ. 2430 โดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน G. Hertz และศึกษาเชิงทดลองโดย A. G. Stoletov ในปี พ.ศ. 2431-2433 การศึกษาปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกที่สมบูรณ์ที่สุดดำเนินการโดย F. Lenard ในปี 1900 มาถึงตอนนี้ อิเล็กตรอนได้ถูกค้นพบแล้ว (พ.ศ. 2440, J. Thomson) และเห็นได้ชัดว่าเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก (หรือมากกว่านั้น) เอฟเฟกต์แสงภายนอกอย่างแม่นยำ) ประกอบด้วยการขับอิเล็กตรอนออกจากสารภายใต้อิทธิพลของแสงที่ตกกระทบ

แผนภาพของการตั้งค่าการทดลองเพื่อศึกษาเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกแสดงไว้ในรูปที่ 1 5.2.1.

การทดลองนี้ใช้ขวดแก้วสุญญากาศที่มีอิเล็กโทรดโลหะ 2 อิเล็กโทรด ซึ่งทำความสะอาดพื้นผิวอย่างทั่วถึงแล้ว แรงดันไฟฟ้าบางส่วนถูกจ่ายให้กับอิเล็กโทรด คุณขั้วซึ่งสามารถเปลี่ยนได้โดยใช้คีย์คู่ อิเล็กโทรดตัวหนึ่ง (แคโทด K) ถูกส่องสว่างผ่านหน้าต่างควอทซ์โดยมีแสงสีเดียวที่มีความยาวคลื่น แล ที่ฟลักซ์การส่องสว่างคงที่ จะทำการพึ่งพาความแรงของโฟโตกระแส ฉันจากแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ ในรูป 5.2.2 แสดงเส้นโค้งทั่วไปของการพึ่งพาดังกล่าว ซึ่งได้มาจากค่าความเข้มสองค่า ฟลักซ์ส่องสว่าง, เหตุการณ์บนแคโทด

เส้นโค้งแสดงให้เห็นว่าที่แรงดันไฟฟ้าบวกขนาดใหญ่เพียงพอที่ขั้วบวก A กระแสโฟโตปัจจุบันจะถึงความอิ่มตัว เนื่องจากอิเล็กตรอนทั้งหมดที่ดีดตัวออกจากแคโทดด้วยแสงจะไปถึงขั้วบวก การวัดอย่างระมัดระวังพบว่ากระแสอิ่มตัว ฉัน n เป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้มของแสงตกกระทบ เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วบวกเป็นลบ สนามไฟฟ้าระหว่างแคโทดและขั้วบวกจะยับยั้งอิเล็กตรอน เฉพาะอิเล็กตรอนที่มีพลังงานจลน์เกิน | สหภาพยุโรป- หากแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วบวกน้อยกว่า - คุณ h กระแสโฟโตปัจจุบันหยุดลง การวัด คุณ h เราสามารถหาพลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอนได้:

นักทดลองจำนวนมากได้กำหนดหลักการพื้นฐานของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคดังต่อไปนี้:

1. พลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงกับความถี่แสงที่เพิ่มขึ้น ν และไม่ได้ขึ้นอยู่กับความเข้มของมัน
2. สำหรับสารแต่ละชนิดจะมีสิ่งที่เรียกว่า ขอบเอฟเฟกต์ภาพถ่ายสีแดง กล่าวคือ ความถี่ต่ำสุด ν นาที ซึ่งเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคภายนอกยังคงเป็นไปได้
3. จำนวนโฟโตอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากแสงจากแคโทดใน 1 วินาทีเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้มของแสง
4. โฟโตอิเล็กทริกนั้นแทบไม่มีความเฉื่อยเลย กระแสโฟโตอิเล็กทริกจะเกิดขึ้นทันทีหลังจากการเริ่มส่องสว่างของแคโทด โดยมีเงื่อนไขว่าความถี่แสง ν > ν นาที

รูปแบบของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกทั้งหมดนี้ขัดแย้งกับแนวคิดโดยพื้นฐาน ฟิสิกส์คลาสสิกเกี่ยวกับปฏิกิริยาระหว่างแสงกับสสาร ตามแนวคิดของคลื่น เมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับคลื่นแสงแม่เหล็กไฟฟ้า อิเล็กตรอนจะค่อยๆ สะสมพลังงาน และจะต้องใช้เวลานานพอสมควร ขึ้นอยู่กับความเข้มของแสง เพื่อให้อิเล็กตรอนสะสมพลังงานมากพอที่จะบินออกจาก แคโทด. ตามที่แสดงการคำนวณ เวลานี้ควรคำนวณเป็นนาทีหรือชั่วโมง อย่างไรก็ตาม จากประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าโฟโตอิเล็กตรอนปรากฏขึ้นทันทีหลังจากการเริ่มส่องสว่างของแคโทด ในแบบจำลองนี้ เป็นไปไม่ได้เลยที่จะเข้าใจการมีอยู่ของขอบเขตสีแดงของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค ทฤษฎีคลื่นแสงไม่สามารถอธิบายความเป็นอิสระของพลังงานของโฟโตอิเล็กตรอนจากความเข้มของฟลักซ์แสงและสัดส่วนของพลังงานจลน์สูงสุดต่อความถี่ของแสง

ดังนั้นทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของแสงจึงไม่สามารถอธิบายรูปแบบเหล่านี้ได้

วิธีแก้ปัญหานี้ถูกค้นพบโดย A. Einstein ในปี 1905 ไอน์สไตน์ให้คำอธิบายทางทฤษฎีเกี่ยวกับกฎที่สังเกตได้ของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกบนพื้นฐานของสมมติฐานของ M. Planck ที่ว่าแสงถูกปล่อยออกมาและดูดซับในบางส่วน และพลังงานของแสงแต่ละส่วนดังกล่าว ส่วนถูกกำหนดโดยสูตร อี = ชม.ν ที่ไหน ชม.– ค่าคงตัวของพลังค์ ไอน์สไตน์ก้าวไปอีกขั้นในการพัฒนาแนวคิดควอนตัม เขาสรุปว่า แสงมีโครงสร้างไม่ต่อเนื่อง (ไม่ต่อเนื่อง). คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประกอบด้วยส่วนที่แยกจากกัน - ควอนตัมซึ่งต่อมาได้ชื่อว่า โฟตอน- เมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับสสาร โฟตอนจะถ่ายเทพลังงานทั้งหมดไปโดยสมบูรณ์ ชม.ν หนึ่งอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนสามารถกระจายพลังงานบางส่วนไปในระหว่างการชนกับอะตอมของสสาร นอกจากนี้ ส่วนหนึ่งของพลังงานอิเล็กตรอนยังถูกใช้ไปเพื่อเอาชนะสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นที่ส่วนต่อประสานระหว่างโลหะและสุญญากาศ เมื่อต้องการทำเช่นนี้ อิเล็กตรอนจะต้องทำหน้าที่ทำงาน กขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของวัสดุแคโทด พลังงานจลน์สูงสุดที่โฟโตอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากแคโทดสามารถมีได้นั้นถูกกำหนดโดยกฎการอนุรักษ์พลังงาน:

ปกติจะเรียกสูตรนี้ว่า สมการของไอน์สไตน์สำหรับเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค .

การใช้สมการของไอน์สไตน์สามารถอธิบายกฎทั้งหมดของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคภายนอกได้ จากสมการของไอน์สไตน์จะได้ดังนี้ การพึ่งพาเชิงเส้นพลังงานจลน์สูงสุดต่อความถี่และความเป็นอิสระจากความเข้มของแสง การมีอยู่ของขอบเขตสีแดง เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคที่ปราศจากความเฉื่อย จำนวนทั้งหมดโฟโตอิเล็กตรอนที่ออกจากพื้นผิวแคโทดใน 1 วินาทีจะต้องเป็นสัดส่วนกับจำนวนโฟตอนที่ตกกระทบบนพื้นผิวในเวลาเดียวกัน จากนี้ไปกระแสความอิ่มตัวจะต้องเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้มของฟลักซ์แสง

ดังต่อไปนี้จากสมการของไอน์สไตน์ ค่าแทนเจนต์ของมุมเอียงของเส้นตรงแสดงถึงการขึ้นต่อกันของศักยภาพในการปิดกั้น คุณз จากความถี่ ν (รูปที่ 5.2.3) เท่ากับอัตราส่วนของค่าคงที่ของพลังค์ ชม.สู่ประจุอิเล็กตรอน จ:

M e = (ρ + σ) ⋅ E e , (\displaystyle M_(e)=(\rho +\sigma)\cdot E_(e)) ค– ความเร็วแสง แลมซี – ความยาวคลื่นที่สอดคล้องกับขอบเขตสีแดงของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก โลหะส่วนใหญ่มีหน้าที่การทำงาน กคืออิเล็กตรอนโวลต์หลายตัว (1 eV = 1.602·10 –19 J) ในฟิสิกส์ควอนตัม อิเล็กตรอนโวลต์มักถูกใช้เป็นหน่วยวัดพลังงาน ค่าคงที่ของพลังค์ซึ่งแสดงเป็นอิเล็กตรอนโวลต์ต่อวินาทีคือ

ในบรรดาโลหะ ธาตุอัลคาไลมีหน้าที่การทำงานต่ำที่สุด ตัวอย่างเช่น โซเดียม ก= 1.9 eV ซึ่งสอดคล้องกับขีดจำกัดสีแดงของเอฟเฟ็กต์โฟโตอิเล็กทริก แล cr mut 680 nm ดังนั้นการเชื่อมต่อ โลหะอัลคาไลใช้ในการสร้างแคโทดใน ตาแมว ออกแบบมาเพื่อบันทึกแสงที่มองเห็นได้

ดังนั้น กฎของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกระบุว่าแสงเมื่อปล่อยออกมาและดูดซับจะมีพฤติกรรมเหมือนกระแสอนุภาคที่เรียกว่า โฟตอน หรือ ควอนตัมเบา .

พลังงานโฟตอนก็คือ

ตามมาว่าโฟตอนมีโมเมนตัม

ดังนั้นหลักคำสอนเรื่องแสงซึ่งเสร็จสิ้นการปฏิวัติยาวนานสองศตวรรษจึงกลับไปสู่แนวคิดเรื่องอนุภาคแสง - คอร์พัสเคิลอีกครั้ง

แต่นี่ไม่ใช่การกลับคืนสู่ทฤษฎีทางกลศาสตร์ของนิวตัน ในตอนต้นของศตวรรษที่ 20 เป็นที่แน่ชัดว่าแสงมีลักษณะเป็นคู่ เมื่อแสงกระจายออกไป ก็ปรากฏ คุณสมบัติของคลื่น(การรบกวน, การเลี้ยวเบน, โพลาไรเซชัน) และเมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับสสาร - คอร์ปัสคูลัส (เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก) ลักษณะของแสงที่เป็นคู่นี้เรียกว่า ความเป็นคู่ของคลื่นและอนุภาค - ต่อมาได้ค้นพบธรรมชาติแบบทวิภาคีในอิเล็กตรอนและอื่นๆ อนุภาคมูลฐาน- ฟิสิกส์คลาสสิกไม่สามารถให้ได้ โมเดลภาพการรวมกันของคุณสมบัติคลื่นและร่างกายของวัตถุขนาดเล็ก การเคลื่อนที่ของวัตถุขนาดเล็กไม่อยู่ภายใต้กฎหมาย กลศาสตร์คลาสสิกนิวตันและกฎต่างๆ กลศาสตร์ควอนตัม- ทฤษฎีการแผ่รังสีวัตถุสีดำที่พัฒนาโดยทฤษฎีควอนตัมของเอ็ม. พลังค์และไอน์สไตน์เกี่ยวกับโฟโตอิเล็กทริกนั้นมีพื้นฐานมาจากวิทยาศาสตร์สมัยใหม่นี้

การแผ่รังสีความร้อนเรียกว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาจากอะตอมซึ่งตื่นเต้นเนื่องจากพลังงานของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน ถ้ารังสีอยู่ในสมดุลกับสสารก็จะเรียกว่า การแผ่รังสีความร้อนที่สมดุล

วัตถุทั้งหมดที่อุณหภูมิ T > 0 K จะปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ก๊าซโมโนอะตอมมิกที่หายากให้สเปกตรัมการปล่อยแบบเส้นตรง ก๊าซโพลีอะตอมมิกและของเหลวให้สเปกตรัมแบบแถบ กล่าวคือ บริเวณที่มีความยาวคลื่นเกือบต่อเนื่องกัน ของแข็งจะปล่อยสเปกตรัมต่อเนื่องซึ่งประกอบด้วยความยาวคลื่นที่เป็นไปได้ทั้งหมด สายตามนุษย์มองเห็นรังสีในช่วงความยาวคลื่นที่จำกัดตั้งแต่ประมาณ 400 ถึง 700 นาโนเมตร การที่จะมองเห็นรังสีในร่างกายได้นั้น อุณหภูมิของร่างกายจะต้องไม่ต่ำกว่า 700 o C

การแผ่รังสีความร้อนโดดเด่นด้วยค่าต่อไปนี้:

ว- พลังงานรังสี (เป็น J)

(ญ/(สม.2) - ความส่องสว่างอันทรงพลัง (ดี.เอส.- พื้นที่แผ่รังสี

พื้นผิว). ความส่องสว่างอันทรงพลัง ร- ในความหมาย -

คือพลังงานที่ปล่อยออกมาต่อหน่วยพื้นที่ต่อหน่วย

เวลาสำหรับทุกความยาวคลื่น ลจาก 0 ถึง

นอกจากคุณลักษณะเหล่านี้ที่เรียกว่าอินทิกรัลแล้ว ยังใช้อีกด้วย ลักษณะสเปกตรัมโดยคำนึงถึงปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาต่อหน่วยช่วงความยาวคลื่นหรือช่วงหน่วย

การดูดซึม (สัมประสิทธิ์การดูดซึม)คืออัตราส่วนของฟลักซ์แสงที่ถูกดูดกลืนต่อฟลักซ์ตกกระทบ ซึ่งถ่ายในช่วงความยาวคลื่นเล็กๆ ใกล้ความยาวคลื่นที่กำหนด

ความหนาแน่นสเปกตรัมของความส่องสว่างของพลังงานเป็นตัวเลขเท่ากับพลังงานการแผ่รังสีต่อหน่วยพื้นที่ผิวของร่างกายนี้ในช่วงความถี่ของความกว้างหน่วย

รังสีความร้อนและธรรมชาติของมัน ภัยพิบัติอัลตราไวโอเลต เส้นโค้งการกระจายรังสีความร้อน สมมติฐานของพลังค์

รังสีความร้อน (รังสีอุณหภูมิ) - เอล-แม็กน์ รังสีที่ปล่อยออกมาจากสารและเกิดขึ้นเนื่องจากภายใน พลังงาน (ต่างจากตัวอย่าง การเรืองแสงซึ่งถูกกระตุ้นโดยแหล่งพลังงานภายนอก) ที.และ. มีสเปกตรัมต่อเนื่องซึ่งตำแหน่งสูงสุดขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของสาร เมื่อมันเพิ่มขึ้น พลังงานรวมของการแผ่รังสีความร้อนที่ปล่อยออกมาจะเพิ่มขึ้น และการเคลื่อนที่สูงสุดไปยังบริเวณที่มีความยาวคลื่นสั้น ที.และ. ปล่อยก๊าซออกมา เช่น พื้นผิวของโลหะร้อน ชั้นบรรยากาศของโลกฯลฯ

ที.และ. เกิดขึ้นภายใต้สภาวะสมดุลโดยละเอียดในสาร (ดูหลักการสมดุลโดยละเอียด) สำหรับวัตถุที่ไม่ใช่รังสีทั้งหมด กระบวนการต่างๆ เช่น สำหรับการถอดรหัส ประเภทของการชนกันของอนุภาคในก๊าซและพลาสมา เพื่อการแลกเปลี่ยนพลังงานอิเล็กทรอนิกส์และแรงสั่นสะเทือน การเคลื่อนที่ของของแข็ง เป็นต้น สถานะสมดุลของสสารในแต่ละจุดในอวกาศคือสถานะของอุณหพลศาสตร์เฉพาะที่ สมดุล (LTE) - ในกรณีนี้จะมีลักษณะเป็นค่าของอุณหภูมิซึ่งอุณหภูมิขึ้นอยู่กับ ณ จุดนี้

ใน กรณีทั่วไประบบของร่างกายซึ่งดำเนินการเฉพาะ LTE และการสลายตัว จุดตัดมีความแตกต่างกัน อุณหภูมิ T. และ. ไม่ได้อยู่ในเทอร์โมไดนามิกส์ สมดุลกับสสาร วัตถุที่ร้อนกว่าจะปล่อยก๊าซออกมามากกว่าที่ดูดซับ และวัตถุที่เย็นกว่าจะทำสิ่งที่ตรงกันข้าม การแผ่รังสีจะถูกถ่ายโอนจากวัตถุที่ร้อนกว่าไปยังวัตถุที่เย็นกว่า เพื่อรักษาสถานะคงที่ โดยคงการกระจายอุณหภูมิในระบบไว้ จำเป็นต้องชดเชยการสูญเสียพลังงานความร้อนด้วยวัตถุที่ร้อนกว่าที่แผ่กระจายออกไป และนำออกจากวัตถุที่เย็นกว่า

ที่เทอร์โมไดนามิกส์เต็มที่ ในสภาวะสมดุล ทุกส่วนของระบบของร่างกายมีอุณหภูมิเท่ากัน และพลังงานของพลังงานความร้อนที่ปล่อยออกมาจากร่างกายแต่ละชิ้นจะถูกชดเชยด้วยพลังงานของพลังงานความร้อนที่ร่างกายนี้ดูดซับไว้ ร่างกายอื่น ๆ ในกรณีนี้ สมดุลโดยละเอียดยังเกิดขึ้นสำหรับหม้อน้ำด้วย การเปลี่ยนผ่าน, T. และ. อยู่ในอุณหพลศาสตร์ สมดุลกับสารและเรียกว่า การแผ่รังสีคือความสมดุล (การแผ่รังสีของวัตถุสีดำสนิทคือความสมดุล) สเปกตรัมของรังสีสมดุลไม่ได้ขึ้นอยู่กับลักษณะของสสารและถูกกำหนดโดยกฎการแผ่รังสีของพลังค์

สำหรับต.และ. สำหรับวัตถุที่ไม่ใช่สีดำ กฎการแผ่รังสีของเคอร์ชอฟฟ์นั้นใช้ได้ โดยเชื่อมโยงพวกมันเพื่อเปล่งแสง และดูดซับ ความสามารถที่มีการปล่อยออกมา ความสามารถของร่างกายสีดำสนิท

เมื่อมี LTE ให้ใช้กฎการแผ่รังสีของ Kirchhoff และ Planck กับการปล่อยและการดูดซับของ T. และ ในก๊าซและพลาสมาสามารถศึกษากระบวนการถ่ายโอนรังสีได้ ข้อพิจารณานี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในดาราศาสตร์ฟิสิกส์ โดยเฉพาะในทฤษฎีบรรยากาศของดวงดาว

ภัยพิบัติอัลตราไวโอเลต - คำศัพท์ทางกายภาพอธิบายความขัดแย้งของฟิสิกส์คลาสสิกซึ่งประกอบด้วยความจริงที่ว่ากำลังรวมของการแผ่รังสีความร้อนของวัตถุที่ได้รับความร้อนใด ๆ จะต้องไม่มีที่สิ้นสุด ความขัดแย้งนี้มีชื่อมาจากข้อเท็จจริงที่ว่าความหนาแน่นของพลังงานสเปกตรัมของการแผ่รังสีควรเพิ่มขึ้นอย่างไม่มีกำหนดเมื่อความยาวคลื่นสั้นลง

โดยพื้นฐานแล้ว ความขัดแย้งนี้แสดงให้เห็นว่า หากไม่ใช่ความไม่สอดคล้องกันภายในของฟิสิกส์คลาสสิก อย่างน้อยก็มีความแตกต่างที่ชัดเจน (ไร้สาระ) อย่างยิ่งกับการสังเกตและการทดลองเบื้องต้น

เนื่องจากสิ่งนี้ไม่สอดคล้องกับการสังเกตการทดลองค่ะ ปลาย XIXศตวรรษ ความยากลำบากเกิดขึ้นในการอธิบายลักษณะโฟโตเมตริกของร่างกาย

ปัญหาได้รับการแก้ไขโดยใช้ ทฤษฎีควอนตัมการแผ่รังสีโดยมักซ์ พลังค์ ในปี 1900

สมมติฐานของพลังค์เป็นสมมติฐานที่นำเสนอเมื่อวันที่ 14 ธันวาคม พ.ศ. 2443 โดยมักซ์พลังค์ ซึ่งระบุว่าในระหว่างการแผ่รังสีความร้อนพลังงานจะถูกปล่อยออกมาและดูดซับไม่ต่อเนื่อง แต่ในควอนตัมที่แยกจากกัน (บางส่วน) แต่ละส่วนควอนตัมดังกล่าวมีพลังงานเป็นสัดส่วนกับความถี่ ν ของรังสี:

โดยที่ h หรือ คือสัมประสิทธิ์สัดส่วน ซึ่งต่อมาเรียกว่าค่าคงที่ของพลังค์ จากสมมติฐานนี้ เขาเสนอความสัมพันธ์ทางทฤษฎีระหว่างอุณหภูมิของร่างกายกับรังสีที่ปล่อยออกมาจากร่างกายนี้ - สูตรของพลังค์

สมมติฐานของพลังค์ได้รับการยืนยันภายหลังจากการทดลอง

การแผ่รังสีความร้อน กฎของ Stefan Boltzmann ความสัมพันธ์ระหว่างความส่องสว่างของพลังงาน R e กับความหนาแน่นสเปกตรัมของความส่องสว่างของพลังงานของวัตถุสีดำ ความส่องสว่างของพลังงานของวัตถุสีเทา กฎการกระจัดของ Wien (กฎข้อที่ 1) การขึ้นอยู่กับความหนาแน่นสเปกตรัมสูงสุดของความส่องสว่างของพลังงานของคนผิวดำ อุณหภูมิของร่างกาย (กฎข้อที่ 2) สูตรของพลังค์

รังสีความร้อน 1. ความหนาแน่นสเปกตรัมสูงสุดของความส่องสว่างของพลังงานแสงอาทิตย์เกิดขึ้นที่ความยาวคลื่น = 0.48 ไมครอน สมมติว่าดวงอาทิตย์แผ่รังสีเป็นวัตถุสีดำ ให้พิจารณา: 1) อุณหภูมิของพื้นผิว; 2) พลังงานที่ปล่อยออกมาจากพื้นผิว ตามกฎการกระจัดของเวียนนา พลังงานที่ปล่อยออกมาจากพื้นผิวดวงอาทิตย์ ตามกฎของสเตฟาน โบลต์ซมันน์

การแผ่รังสีความร้อน 2. หาปริมาณความร้อนที่สูญเสียไป 50 ซม. 2 จากพื้นผิวของแพลตตินัมหลอมเหลวใน 1 นาที ถ้าความสามารถในการดูดซับของแพลตตินัม A T = 0.8 จุดหลอมเหลวของแพลตตินัมคือ 1770 °C ปริมาณความร้อนที่สูญเสียไปจากแพลตตินัมเท่ากับพลังงานที่ปล่อยออกมาจากพื้นผิวร้อนของมัน ตามกฎของสเตฟาน โบลต์ซมันน์

รังสีความร้อน 3. เตาไฟฟ้าใช้พลังงาน P = 500 W. อุณหภูมิพื้นผิวด้านในที่มีรูเล็กๆ เปิดอยู่ มีเส้นผ่านศูนย์กลาง d = 5.0 ซม. คือ 700 °C ผนังจะกระจายพลังงานไปเท่าใด? กำลังทั้งหมดถูกกำหนดโดยผลรวมของกำลังที่ปล่อยออกมาผ่านรู กำลังที่กระจายไปตามกำแพง ตามกฎของ Stefan Boltzmann

การแผ่รังสีความร้อน 4 ไส้หลอดทังสเตนถูกให้ความร้อนในสุญญากาศด้วยกระแสแรง I = 1 A ถึงอุณหภูมิ T 1 = 1,000 K ไส้หลอดจะถูกให้ความร้อนที่อุณหภูมิ T 2 = 3000 K ที่มีความแรงในปัจจุบันเท่าใด ค่าสัมประสิทธิ์การดูดซึมของทังสเตนและของมัน ความต้านทานสอดคล้องกับอุณหภูมิ T 1, T 2 เท่ากับ: a 1 = 0.115 และ a 2 = 0.334; 1 = 25, โอห์ม m, 2 = 96, โอห์ม m กำลังที่ปล่อยออกมาเท่ากับกำลังที่ใช้ไป วงจรไฟฟ้าในสภาวะคงตัว พลังงานไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาในตัวนำ ตามกฎของสเตฟาน โบลต์ซมันน์

รังสีความร้อน 5. ในสเปกตรัมของดวงอาทิตย์ ความหนาแน่นสเปกตรัมสูงสุดของความส่องสว่างของพลังงานเกิดขึ้นที่ความยาวคลื่น .0 = 0.47 ไมครอน สมมติว่าดวงอาทิตย์เปล่งแสงเป็นวัตถุสีดำสนิท ให้หาความเข้ม รังสีแสงอาทิตย์(เช่น ความหนาแน่นของฟลักซ์การแผ่รังสี) ใกล้โลกภายนอกชั้นบรรยากาศ ความเข้มของการส่องสว่าง (ความเข้มของการแผ่รังสี) ฟลักซ์การส่องสว่าง ตามกฎของ Stefan Boltzmann และ Wien

รังสีความร้อน 6. ความยาวคลื่น 0 ซึ่งคิดเป็นพลังงานสูงสุดในสเปกตรัมรังสีวัตถุดำคือ 0.58 ไมครอน กำหนดความหนาแน่นสเปกตรัมสูงสุดของความส่องสว่างของพลังงาน (r, T) สูงสุด ซึ่งคำนวณสำหรับช่วงความยาวคลื่น = 1 นาโนเมตร ใกล้ 0 ความหนาแน่นสเปกตรัมสูงสุดของความส่องสว่างของพลังงานเป็นสัดส่วนกับยกกำลังอุณหภูมิที่ห้า และแสดงโดยกฎข้อที่ 2 ของ Wien อุณหภูมิ T แสดงจากกฎการกระจัดของ Wien ที่ให้ไว้เป็นหน่วย SI ซึ่งช่วงความยาวคลื่นในหน่วย = 1 เมตร ตามเงื่อนไขของปัญหา จำเป็นต้องคำนวณความหนาแน่นของสเปกตรัมที่คำนวณสำหรับช่วงความยาวคลื่นที่ 1 nm ดังนั้นเราจึงเขียนค่า C ในหน่วย SI และคำนวณใหม่ในช่วงความยาวคลื่นที่กำหนด:

การแผ่รังสีความร้อน 7. การศึกษาสเปกตรัมการแผ่รังสีแสงอาทิตย์แสดงให้เห็นว่าความหนาแน่นสเปกตรัมสูงสุดของความส่องสว่างของพลังงานสอดคล้องกับความยาวคลื่น = 500 นาโนเมตร เมื่อพิจารณาดวงอาทิตย์เป็นวัตถุสีดำ ให้พิจารณา: 1) ความส่องสว่างอันมีพลังของดวงอาทิตย์; 2) การไหลของพลังงาน F อี ที่ปล่อยออกมาจากดวงอาทิตย์ 3) มวลของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (ทุกความยาว) ที่ปล่อยออกมาจากดวงอาทิตย์ใน 1 วินาที 1. ตามกฎของ Stefan Boltzmann และ Wien 2. ฟลักซ์ส่องสว่าง 3. มวลของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (ทุกความยาว) ที่ดวงอาทิตย์ปล่อยออกมาในช่วงเวลา t = 1 วินาที เรากำหนดโดยใช้กฎสัดส่วนของมวลและพลังงาน E = ms 2 พลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาในช่วงเวลา t เท่ากับผลคูณของการไหลของพลังงาน Ф e ((พลังงานการแผ่รังสี) ตามเวลา: E=Ф e t ดังนั้น Ф e =ms 2 โดยที่ m= เฟ/เอส 2.

การปล่อยและการดูดซึมพลังงาน

อะตอมและโมเลกุล

คำถามสำหรับชั้นเรียนในหัวข้อ:

1. การแผ่รังสีความร้อน ลักษณะสำคัญ: ฟลักซ์การแผ่รังสี Ф, ความส่องสว่างของพลังงาน (ความเข้ม) R, ความหนาแน่นสเปกตรัมของความส่องสว่างของพลังงาน r λ; ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสง α, ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงแบบเอกรงค์ α แล ตัวดำสนิทเลย กฎของเคอร์ชอฟฟ์

2. สเปกตรัมการแผ่รังสีความร้อนของ a.ch.t. (กำหนดการ). ธรรมชาติควอนตัมของการแผ่รังสีความร้อน (สมมติฐานของพลังค์ ไม่จำเป็นต้องจำสูตรสำหรับ ε แลม) การพึ่งพาสเปกตรัมของ a.ch.t ที่อุณหภูมิ (กราฟ) กฎของไวน์ กฎหมาย Stefan-Boltzmann สำหรับ a.ch.t. (ไม่มีเอาท์พุต) และสำหรับเนื้อหาอื่น ๆ

3. โครงสร้างของเปลือกอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอม ระดับพลังงาน การปล่อยพลังงานระหว่างการเปลี่ยนระดับพลังงาน สูตรของบอร์ ( สำหรับความถี่และความยาวคลื่น- สเปกตรัมของอะตอม สเปกตรัมของอะตอมไฮโดรเจน ซีรีย์สเปกตรัม แนวคิดทั่วไปเกี่ยวกับสเปกตรัมของโมเลกุลและสสารควบแน่น (ของเหลว ของแข็ง) แนวคิดของการวิเคราะห์สเปกตรัมและการนำไปใช้ในทางการแพทย์

4. การเรืองแสง ประเภทของการเรืองแสง เรืองแสงและเรืองแสง บทบาทของระดับที่สามารถแพร่กระจายได้ สเปกตรัมเรืองแสง กฎของสโต๊คส์ การวิเคราะห์สารเรืองแสงและการนำไปใช้ในการแพทย์

5. กฎการดูดกลืนแสง (กฎของ Bouguer; บทสรุป) การส่งผ่าน τ และ ความหนาแน่นของแสง D. การหาความเข้มข้นของสารละลายโดยการดูดกลืนแสง

งานในห้องปฏิบัติการ: “บันทึกสเปกตรัมการดูดกลืนแสงและกำหนดความเข้มข้นของสารละลายโดยใช้โฟโตอิเล็กโตรคัลเลอร์มิเตอร์”

วรรณกรรม:

ข้อบังคับ: A.N.Remizov "ฟิสิกส์การแพทย์และชีววิทยา", M. , " บัณฑิตวิทยาลัย", 1996, ช. 27, §§ 1–3; บทที่ 29 §§ 1,2

• เพิ่มเติม: การปล่อยและการดูดกลืนพลังงานโดยอะตอมและโมเลกุล การบรรยาย ไรโซกราฟ เอ็ด แผนก พ.ศ. 2545

คำจำกัดความพื้นฐานและสูตร

1. การแผ่รังสีความร้อน

ร่างกายทั้งหมดแม้จะไม่มีอิทธิพลจากภายนอก แต่ก็ปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา แหล่งที่มาของพลังงานสำหรับการแผ่รังสีนี้คือการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคที่ประกอบเป็นร่างกายซึ่งเป็นสาเหตุที่เรียกว่า การแผ่รังสีความร้อนที่ อุณหภูมิสูง(ประมาณ 1,000 เคลวินหรือมากกว่า) การแผ่รังสีนี้ตกอยู่ในช่วงแสงที่ตามองเห็นบางส่วน และมากกว่านั้นด้วย อุณหภูมิต่ำรังสีอินฟราเรดถูกปล่อยออกมาและในระดับที่ต่ำมาก - คลื่นวิทยุ

ฟลักซ์การแผ่รังสี F - นี้ พลังงานรังสีที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิด, หรือ พลังงานรังสีที่ปล่อยออกมาต่อหน่วยเวลา: Ф = Р = ;หน่วยการไหล - วัตต์.

ความส่องสว่างอันทรงพลัง ร - นี้ ฟลักซ์ของรังสีที่ปล่อยออกมาจากพื้นผิวหนึ่งหน่วยของร่างกาย: ;หน่วยความส่องสว่างอันทรงพลัง – W.ม –2 .

การแผ่รังสีอินทิกรัล ร λ - นี้ อัตราส่วนของความส่องสว่างที่กระฉับกระเฉงของวัตถุภายในช่วงความยาวคลื่นเล็กน้อย (Δร λ ) เป็นค่าของช่วงเวลานี้ Δ λ:

มิติ r แล – W.ม - 3

ตัวดำสนิท (ab.t.) เรียกว่าที กินอันไหนอย่างเต็มที่ ดูดซับรังสีตกกระทบไม่มีร่างกายเช่นนี้ในธรรมชาติ แต่เป็นแบบอย่างที่ดีของ a.ch.t เป็นรูเล็กๆ ในช่องปิด

ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงแบบเอกรงค์คือค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงที่วัดได้ในช่วงสเปกตรัมแคบๆ รอบค่าหนึ่ง γ

กฎของเคอร์ชอฟฟ์: ที่อุณหภูมิคงที่ อัตราส่วนของความหนาแน่นสเปกตรัมของความส่องสว่างที่มีพลังที่ความยาวคลื่นหนึ่งต่อค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงแบบโมโนโครมที่ความยาวคลื่นเดียวกัน เช่นเดียวกันสำหรับร่างกายทั้งหมด และเท่ากับความหนาแน่นสเปกตรัมของความส่องสว่างของพลังงานของ a.b.t. ที่ความยาวคลื่นนี้:

(บางครั้ง r แลม A.Ch.T แทน ε แลมบ์)

วัตถุสีดำสนิทจะดูดซับและปล่อยรังสีออกมา ความยาวคลื่นทั้งหมดนั่นเป็นเหตุผล สเปกตรัมของ a.h.t. มั่นคงเสมอประเภทของสเปกตรัมนี้ ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของร่างกาย เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นประการแรก ความส่องสว่างอันทรงพลังจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ประการที่สอง ความยาวคลื่นที่สอดคล้องกับการแผ่รังสีสูงสุด(λ สูงสุด ) , เลื่อนไปทางความยาวคลื่นที่สั้นลง : โดยที่ b µ 29090 µm.K -1 ( กฎของเวียนนา)

กฎหมายสเตฟาน-โบลต์ซมันน์: ความส่องสว่างอันทรงพลังของ a.h.t. แปรผันตามกำลังที่สี่ของอุณหภูมิร่างกายในระดับเคลวิน: ร = σT 4

2. การปล่อยพลังงานโดยอะตอมและโมเลกุล

ดังที่ทราบกันดีว่าในเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอมพลังงานของอิเล็กตรอนสามารถรับเฉพาะค่าที่กำหนดอย่างเคร่งครัดซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของอะตอมที่กำหนดเท่านั้น กล่าวอีกนัยหนึ่งพวกเขาพูดอย่างนั้น อิเล็กตรอนสามารถอยู่ในตำแหน่งที่แน่นอนเท่านั้นระดับพลังงาน เมื่ออิเล็กตรอนอยู่ที่จุดที่กำหนด ระดับพลังงานมันไม่เปลี่ยนพลังงาน กล่าวคือ มันไม่ดูดซับหรือเปล่งแสง เมื่อย้ายจากระดับหนึ่งไปอีกระดับหนึ่งพลังงานของอิเล็กตรอนเปลี่ยนแปลงไปและในเวลาเดียวกัน ดูดซึมหรือปล่อยออกมาควอนตัมของแสง (โฟตอน).พลังงานของควอนตัมเท่ากับความแตกต่างในพลังงานของระดับที่เกิดการเปลี่ยนแปลง: E QUANTUM = hν = E n – E m โดยที่ n และ m เป็นตัวเลขระดับ (สูตรบอร์)

การเปลี่ยนผ่านของอิเล็กตรอนระหว่างระดับต่างๆเกิดขึ้นด้วยความน่าจะเป็นที่แตกต่างกัน ในบางกรณี ความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนแปลงจะใกล้เคียงกับศูนย์มาก เส้นสเปกตรัมที่สอดคล้องกันจะไม่ถูกสังเกตภายใต้สภาวะปกติ การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวเรียกว่า ต้องห้าม

ในหลายกรณี พลังงานของอิเล็กตรอนอาจไม่ถูกแปลงเป็นพลังงานควอนตัม แต่ถูกแปลงเป็นพลังงานการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอะตอมหรือโมเลกุล การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวเรียกว่า ไม่ใช่รังสี

นอกจากความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนแปลงแล้ว ความสว่างของเส้นสเปกตรัมยังเป็นสัดส่วนโดยตรงกับจำนวนอะตอมของสารที่เปล่งออกมา การพึ่งพาอาศัยกันนี้เป็นรากฐาน การวิเคราะห์สเปกตรัมเชิงปริมาณ
3. การเรืองแสง

การเรืองแสง โทรอะไรก็ได้ ไม่ใช่การแผ่รังสีความร้อนแหล่งพลังงานสำหรับการแผ่รังสีนี้อาจแตกต่างกันไปตามนั้น ประเภทต่างๆการเรืองแสงสิ่งสำคัญที่สุดคือ: เคมีเรืองแสง- ความเรืองแสงที่เกิดขึ้นอย่างแน่นอน ปฏิกิริยาเคมี; การเรืองแสงจากสิ่งมีชีวิต– นี่คือเคมีเรืองแสงในสิ่งมีชีวิต แคโทโดเรืองแสง –เรืองแสงภายใต้อิทธิพลของการไหลของอิเล็กตรอนซึ่งใช้ในหลอดภาพโทรทัศน์ หลอดรังสีแคโทด,โคมไฟแก๊ส ฯลฯ.; การเรืองแสงด้วยไฟฟ้า- เรืองแสงที่ปรากฏอยู่ใน สนามไฟฟ้า(ส่วนใหญ่มักอยู่ในสารกึ่งตัวนำ) ที่สุด มุมมองที่น่าสนใจการเรืองแสงคือ แสงเรืองแสงนี่เป็นกระบวนการที่อะตอมหรือโมเลกุลดูดซับแสง (หรือรังสียูวี) ในช่วงความยาวคลื่นหนึ่งแล้วเปล่งออกมาในอีกช่วงหนึ่ง (เช่น ดูดซับรังสีสีน้ำเงินและปล่อยแสงสีเหลือง) ในกรณีนี้ สารจะดูดซับควอนตัมด้วยพลังงานที่ค่อนข้างสูง hν 0 (ที่มีความยาวคลื่นสั้น) จากนั้นอิเล็กตรอนอาจไม่กลับสู่ระดับพื้นดินในทันที แต่ไปที่ระดับกลางก่อนแล้วจึงไปที่ระดับพื้นดิน (อาจมีระดับกลางหลายระดับ) ในกรณีส่วนใหญ่ ทรานซิชันบางอย่างจะไม่แผ่รังสี กล่าวคือ พลังงานอิเล็กตรอนจะถูกแปลงเป็นพลังงานของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน ดังนั้นพลังงานของควอนตัมที่ปล่อยออกมาระหว่างการเรืองแสงจะน้อยกว่าพลังงานของควอนตัมที่ถูกดูดซับ ความยาวคลื่นของแสงที่ปล่อยออกมาจะต้องมากกว่าความยาวคลื่นของแสงที่ถูกดูดกลืน หากสิ่งที่ได้กล่าวมานั้นถูกกำหนดไว้แล้ว มุมมองทั่วไปเราได้รับ กฎ สโตกส์ : สเปกตรัมการเรืองแสงจะเลื่อนไปทางคลื่นที่ยาวขึ้นโดยสัมพันธ์กับสเปกตรัมของการแผ่รังสีที่ทำให้เกิดการเรืองแสง

สารเรืองแสงมีสองประเภท ในบางแห่ง แสงจะหยุดลงเกือบจะทันทีหลังจากปิดไฟอันน่าตื่นเต้นแล้ว นี้ ระยะสั้นแสงนั้นเรียกว่า เรืองแสง

ในสารประเภทอื่น หลังจากปิดแสงอันน่าตื่นเต้นแล้ว แสงเรืองรองก็จางหายไป ค่อยๆ(ตามกฎหมายเลขชี้กำลัง) นี้ ระยะยาวแสงนั้นเรียกว่า เรืองแสงสาเหตุของการเรืองแสงเป็นเวลานานก็คืออะตอมหรือโมเลกุลของสารดังกล่าวมีอยู่ ระดับที่สามารถแพร่กระจายได้แพร่กระจายได้ ระดับพลังงานนี้เรียกว่า ซึ่งอิเล็กตรอนสามารถคงอยู่ได้นานกว่าระดับปกติมากดังนั้นระยะเวลาของเรืองแสงอาจเป็นนาที ชั่วโมง หรือวันก็ได้
4. กฎการดูดกลืนแสง (กฎของบูเกอร์)

เมื่อฟลักซ์การแผ่รังสีผ่านสสาร จะสูญเสียพลังงานบางส่วน (พลังงานที่ดูดซับจะกลายเป็นความร้อน) เรียกว่ากฎการดูดกลืนแสง กฎของบูเกอร์: Ф = Ф 0 ∙ จ – κ λ · ล ,

โดยที่ Ф 0 คือการไหลของเหตุการณ์ Ф คือการไหลที่ไหลผ่านชั้นของสารที่มีความหนา L เรียกค่าสัมประสิทธิ์ κ λ เป็นธรรมชาติ อัตราการดูดซึม (ขนาดของมันขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น) . สำหรับการคำนวณเชิงปฏิบัติ พวกเขานิยมใช้ลอการิทึมฐานสิบแทนลอการิทึมธรรมชาติ จากนั้นกฎของ Bouguer จะอยู่ในรูปแบบ: Ф = Ф 0 ∙ 10 – k แลม ∙ L ,

โดยที่ kl – ทศนิยม อัตราการดูดซึม

การส่งผ่าน ตั้งชื่อปริมาณ

ความหนาแน่นของแสง D - นี่คือปริมาณที่กำหนดโดยความเท่าเทียมกัน: . เราสามารถพูดอีกนัยหนึ่งได้: ความหนาแน่นของแสง D คือปริมาณที่อยู่ในเลขชี้กำลังในสูตรของกฎของบูเกอร์: D = k λ ∙ L

ค่าสัมประสิทธิ์ χ แลเรียกว่า อัตราการดูดซึมฟันกราม(ถ้าให้ความเข้มข้นเป็นโมล) หรือ อัตราการดูดซึมจำเพาะ(หากระบุความเข้มข้นเป็นกรัม) จากสูตรสุดท้ายที่เราได้รับ: Ф = Ф 0 ∙10 - χ λ ∙ ค ∙ ล(กฎ บูเกรา–เบรา)

สูตรเหล่านี้ใช้เป็นสูตรที่ใช้กันทั่วไปในห้องปฏิบัติการทางคลินิกและชีวเคมี วิธีการหาความเข้มข้นของสารที่ละลายโดยการดูดกลืนแสง

ปัญหาประเภทการสอนพร้อมวิธีแก้ไข

(ในอนาคตเพื่อความกระชับเราจะเขียนแค่ว่า “งานฝึกอบรม”)

เครื่องทำความร้อนไฟฟ้า (หม้อน้ำ) ปล่อยกระแสรังสีอินฟราเรด 500 วัตต์ พื้นที่ผิวของหม้อน้ำคือ 3300 cm2 ค้นหาพลังงานที่ปล่อยออกมาจากหม้อน้ำใน 1 ชั่วโมงและความส่องสว่างอันทรงพลังของหม้อน้ำ

ที่ให้ไว้: หา

Ф = 500 W W และ R

เสื้อ = 1 ชั่วโมง = 3600 วิ

S = 3300 ซม. 2 = 0.33 ม. 2

สารละลาย:

ฟลักซ์การแผ่รังสี Ф คือกำลังการแผ่รังสีหรือพลังงานที่ปล่อยออกมาต่อหน่วยเวลา: จากที่นี่

W = F เสื้อ = 500 วัตต์ 3600 วินาที = 18 10 5 J = 1800 กิโลจูล

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ #2

การแผ่รังสีความร้อนของผิวหนังมนุษย์สูงสุดที่ความยาวคลื่นใด (นั่นคือ r แล = สูงสุด) อุณหภูมิผิวหนังบริเวณส่วนต่างๆ ของร่างกาย (ใบหน้า มือ) อยู่ที่ประมาณ 30 o C

ที่ให้ไว้: หา:

Т = 30 о С = 303 К แล สูงสุด

สารละลาย:

เราแทนที่ข้อมูลลงในสูตร Wien: ,

นั่นคือรังสีเกือบทั้งหมดอยู่ในช่วง IR ของสเปกตรัม

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ #3

อิเล็กตรอนอยู่ในระดับพลังงานโดยมีพลังงาน 4.7.10 –19 J

เมื่อฉายรังสีด้วยแสงที่มีความยาวคลื่น 600 นาโนเมตร ก็จะเคลื่อนไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น ค้นหาพลังงานระดับนี้

สารละลาย:

วัตถุประสงค์การเรียนรู้ #4

ค่าการดูดซึมน้ำทศนิยมสำหรับ แสงแดดเท่ากับ 0.09 ม. –1 ส่วนใดของการแผ่รังสีจะถึงความลึก L = 100 เมตร

ที่ให้ไว้ หา:

k = 0.09 ม. – 1

สารละลาย:

ลองเขียนกฎของบูเกร์: สัดส่วนของการแผ่รังสีที่ไปถึงความลึก L เห็นได้ชัดว่า

นั่นคือหนึ่งในพันล้านแสงอาทิตย์จะไปถึงระดับความลึก 100 เมตร
วัตถุประสงค์การเรียนรู้ #5

แสงจะส่องผ่านฟิลเตอร์สองตัวตามลำดับ อันแรกมีความหนาแน่นของแสง D 1 = 0.6; อันที่สองมี D 2 = 0.4 ฟลักซ์การแผ่รังสีจะผ่านระบบนี้ได้กี่เปอร์เซ็นต์?

ให้ไว้: ค้นหา:

D 1 = 0.6 (เป็น %%)

สารละลาย:

เราเริ่มวิธีแก้ปัญหาด้วยภาพวาดของระบบนี้

เอสเอฟ-1 เอสเอฟ-2

ค้นหา Ф 1: Ф 1 = Ф 0 10 – D 1

ในทำนองเดียวกัน ฟลักซ์ที่ผ่านตัวกรองแสงที่สองจะเท่ากับ:

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

ผลลัพธ์ที่ได้ก็มี ความหมายทั่วไป : หากแสงส่องผ่านระบบของวัตถุหลายชิ้นตามลำดับความหนาแน่นของแสงทั้งหมดจะเท่ากับผลรวมของความหนาแน่นของแสงของวัตถุเหล่านี้ .

ภายใต้เงื่อนไขของปัญหาของเรา การไหลของ F 2 = 100% ∙10 – (0.6 + 0.4) = 100% ∙10 – 1 = 10% จะผ่านระบบตัวกรองแสงสองตัว

ตามกฎหมาย Bouguer-Baer เป็นไปได้ที่จะกำหนดความเข้มข้นของ DNA โดยเฉพาะ ในบริเวณที่มองเห็นได้ สารละลายของกรดนิวคลีอิกมีความโปร่งใส แต่จะดูดซับรังสี UV ของสเปกตรัมได้อย่างมาก การดูดกลืนแสงสูงสุดอยู่ที่ประมาณ 260 นาโนเมตร เห็นได้ชัดว่าในบริเวณนี้ของสเปกตรัมจะต้องวัดการดูดกลืนรังสี ในกรณีนี้ความไวและความแม่นยำในการวัดจะดีที่สุด

เงื่อนไขปัญหา: เมื่อวัดการดูดกลืนรังสียูวีที่ความยาวคลื่น 260 นาโนเมตรด้วยสารละลาย DNA ฟลักซ์การแผ่รังสีที่ส่งผ่านจะถูกลดทอนลง 15% ความยาวเส้นทางของลำแสงในคิวเวตต์ที่มีสารละลาย “x” คือ 2 ซม. ดัชนีการดูดกลืนแสงของฟันกราม (ทศนิยม) ของ DNA ที่ความยาวคลื่น 260 นาโนเมตรคือ 1.3.10 5 โมล – 1.ซม. 2 จงหาความเข้มข้นของดีเอ็นเอใน การแก้ปัญหา

ที่ให้ไว้:

Ф 0 = 100%; ฉ = 100% – 15% = 85% หา:ด้วยดีเอ็นเอ

x = 2 ซม. แล = 260 นาโนเมตร

χ 260 = 1.3.10 5 โมล –1 .ซม. 2

สารละลาย:

(เรา "พลิก" เศษส่วนเพื่อกำจัดเลขชี้กำลังที่เป็นลบ) . ตอนนี้ขอลอการิทึม: , และ ; เราทดแทน:

0.07 และ C = 2.7.10 – 7 โมล/ซม.3

ใส่ใจกับความไวสูงของวิธีการ!

b = 2900 µm.K; σ = 5.7.10 – 8 สัปดาห์ 4; h = 6.6.10 – 34 J.s; ค = 3.10 8 มิลลิวินาที –1

2. หลอดไฟสองดวงมีการออกแบบที่เหมือนกันทุกประการ ยกเว้นหลอดหนึ่งทำจากทังสเตนบริสุทธิ์ (α = 0.3) และอีกหลอดเคลือบด้วยแพลตตินัมสีดำ (α = 0.93) หลอดไฟใดมีฟลักซ์การแผ่รังสีมากกว่า? กี่ครั้ง?

3. ในพื้นที่ใดของสเปกตรัมความยาวคลื่นที่สอดคล้องกับความหนาแน่นสเปกตรัมสูงสุดของความส่องสว่างของพลังงานจะอยู่ที่ใดหากแหล่งกำเนิดรังสีคือ: ก) เกลียวของหลอดไฟไฟฟ้า (T = 2,300 K); b) พื้นผิวดวงอาทิตย์ (T = 5,800 K) ค) พื้นผิว ลูกไฟ การระเบิดของนิวเคลียร์ในเวลาที่อุณหภูมิประมาณ 30,000 เคลวิน? ความแตกต่างในคุณสมบัติของแหล่งกำเนิดรังสีเหล่านี้จาก A.ch.t. ละเลย.

4. ตัวโลหะร้อนแดงซึ่งมีพื้นผิว 2.10 - 3 ม. 2 ที่อุณหภูมิพื้นผิว 1,000 K ปล่อยฟลักซ์ 45.6 อ. ค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับของพื้นผิวของร่างกายนี้เป็นเท่าใด?

5. หลอดไฟมีกำลังไฟ 100 W. พื้นที่ผิวของเส้นใยคือ 0.5.10 - 4 m 2 อุณหภูมิของเส้นใยคือ 2,400 K ค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับของพื้นผิวเส้นใยคือเท่าไร?

6. ที่อุณหภูมิผิว 27 0 C จะมีการปล่อย 0.454 W จากพื้นผิวร่างกายแต่ละตารางเซนติเมตร เป็นไปได้ไหม (ด้วยความแม่นยำไม่ต่ำกว่า 2%) ที่จะถือว่าผิวหนังมีสีดำสนิท?

7. ในสเปกตรัมของดาวสีน้ำเงิน การแผ่รังสีสูงสุดจะสอดคล้องกับความยาวคลื่น 0.3 ไมครอน อุณหภูมิพื้นผิวของดาวดวงนี้เป็นเท่าใด?

8. ร่างกายที่มีพื้นผิว 4,000 ซม. 2 เปล่งพลังงานอะไรในหนึ่งชั่วโมง?

ที่อุณหภูมิ 400 K หากค่าสัมประสิทธิ์การดูดซึมของร่างกายเท่ากับ 0.6?

9. แผ่น (A) มีพื้นที่ผิว 400 ซม. 2 ; ค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับของมันคือ 0.4 อีกจาน (B) มีพื้นที่ 200 ซม. 2 มีค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับ 0.2 อุณหภูมิของแผ่นจะเท่ากัน จานใดปล่อยพลังงานมากกว่าและเท่าไร?

10 – 16. การวิเคราะห์สเปกตรัมเชิงคุณภาพขึ้นอยู่กับสเปกตรัมการดูดกลืนแสงของหนึ่งในนั้น สารประกอบอินทรีย์ซึ่งมีสเปกตรัม

ดังแสดงในรูป กำหนดว่าหมู่ฟังก์ชันใดเป็นส่วนหนึ่งของสารนี้ ใช้ข้อมูลในตาราง:

10 – กราฟ ก); 11 – กราฟ ข); 12 – กราฟ ค); 13 – กราฟ ง);

14 – กราฟ ง); 15 – กราฟ ฉ); 16 – กราฟ ก.)

ให้ความสนใจว่าค่าใดบนกราฟของคุณที่ถูกพล็อตบนแกนตั้ง!

17. แสงส่องผ่านฟิลเตอร์แสงสองตัวตามลำดับโดยมีค่าสัมประสิทธิ์การส่งผ่าน 0.2 และ 0.5 รังสีจะออกมาจากระบบดังกล่าวกี่เปอร์เซ็นต์?

18. แสงผ่านฟิลเตอร์สองตัวตามลำดับโดยมีความหนาแน่นของแสง 0.7 และ 0.4 รังสีจะผ่านระบบดังกล่าวได้กี่เปอร์เซ็นต์?

19. เพื่อป้องกันรังสีแสงจากการระเบิดของนิวเคลียร์ คุณต้องมีแว่นตาที่สามารถลดแสงได้อย่างน้อยล้านครั้ง แก้วที่พวกเขาต้องการทำแว่นตานั้นมีความหนาแน่นของแสง 3 โดยมีความหนา 1 มม. ควรใช้กระจกที่มีความหนาเท่าใดเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ต้องการ

20 เพื่อปกป้องดวงตาเมื่อทำงานกับเลเซอร์ จำเป็นต้องมีฟลักซ์การแผ่รังสีไม่เกิน 0.0001% ของฟลักซ์ที่เกิดจากเลเซอร์สามารถเข้าไปในดวงตาได้ แว่นตาควรมีความหนาแน่นของแสงเท่าใดเพื่อความปลอดภัย

การมอบหมายทั่วไปสำหรับปัญหา 21 – 28 (การวิเคราะห์เชิงปริมาณ):

รูปนี้แสดงสเปกตรัมการดูดกลืนแสงของสารละลายสีของสารบางชนิด นอกจากนี้ ปัญหายังระบุค่าของ D (ความหนาแน่นของแสงของสารละลายที่ความยาวคลื่นซึ่งสอดคล้องกับการดูดกลืนแสงสูงสุด) และ เอ็กซ์(ความหนาของคิวเวตต์) หาความเข้มข้นของสารละลาย.

ให้ความสนใจกับหน่วยที่ระบุอัตราการดูดซับบนกราฟของคุณ

21. กราฟ ก) ส = 0.8 x = 2 ซม

22. กราฟ ข) ส = 1.2 x = 1 ซม

... 23. กราฟ ค) ส = 0.5 x = 4 ซม

24. กราฟ ง) ส = 0.25 x = 2 ซม

25 กำหนดการ ง) ส = 0.4 x = 3 ซม

26. กราฟ จ) ส = 0.9 x = 1 ซม

27. กราฟ ก.) ส = 0.2 x = 2 ซม