![]() Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву ![]() Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Тепловое излучение. Основные законы.
(Тепловое излучение и люминесценция. Лучеиспускательная и поглощательная способности тел. Абсолютно черное тело. Энергетическая светимость. Закон Кирхгофа. Закон Стефана-Больцмана. Закон смещения Вина. Формула Планка для испускательной способности абсолютно черного тела. Оптическая пирометрия. Радиационная, цветовая и яркостная температуры).
Понятие о равновесном тепловом излучении Источники света могут быть исключительно разнообразными. Например, лампы дневного света и лампы накаливания, свечение фосфора за счет реакции химического окисления, свечение анодов за счет бомбардировки их электронами, свечение газов при самостоятельном разряде и т.д. Нас среди всех этих источников света будут интересовать, так называемое, тепловое свечение, или, как обычно говорят, тепловое излучение. Что же это такое тепловое излучение? Свечение тел за счет энергии теплового движения атомов и молекул называется тепловым излучением. Отсюда ясно, что чем больше температура тела, т.е. чем больше его тепловая энергия, тем сильнее тело будет светиться, т.е. тем сильнее будет излучать. Тела, находящиеся при комнатной температуре, также излучают тепловую энергию, только эта энергия практически не воспринимается нашими органами чувств. Тепловое излучение ‑ это излучение электромагнитных волн, а электромагнитные волны имеют большой диапазон частот и, соответственно, длин волн. Поэтому говорят об излучении тел в том или ином диапазоне длин волн, или, соответственно, частот. В частности тела комнатной температуры излучают электромагнитные волны в инфракрасной части спектра. В реальных условиях любое тело принимает температуру окружающей среды, или, как говорят, приходит в термодинамическое равновесие с окружающей средой. В то же время любое тело излучает электромагнитную энергию за сет энергии теплового движения. Следовательно, температура тела должна все время понижаться. Но в действительности мы этого не наблюдаем. Следовательно, тело получает энергию из окружающей среды, в частности электромагнитную энергию, излучаемую другими телами. Таким образом, любое тело, находясь в состоянии термодинамического равновесия, все время обменивается энергией с окружающей средой.
Характеристики теплового излучения
Разделив это уравнение на Где введены обозначения: коэффициент поглощения ‑ коэффициент отражения ‑ коэффициент прозрачности ‑ Для большинства реальных тел, которые мы будем рассматривать (металлы), прозрачность практически равна нулю. Поэтому можно записать: Как мы знаем, взаимодействие электромагнитных волн с телом зависит от частоты колебаний волны. Следовательно, коэффициенты
Именно зависимостью Если тело абсолютно не будет поглощать электромагнитную энергию, то оно называется абсолютно белым телом: Если тело будет поглощать абсолютно всю, падающую на него электромагнитную энергию, то оно называется абсолютно черным телом: Если
Закон Кирхгофа Рассмотрим теперь законы, которым подчиняется тепловое излучение тел. Для этого введем вначале некоторые основные количественные понятия излучения тел. Здесь основной характеристикой является лучеиспускательная способность тела, т.е. лучистая энергия, испускаемая единицей поверхности тела за единицу времени. Как уже отмечалось, диапазон длин электромагнитных волн очень велик, поэтому для характеристики излучения вводят две величины. Дифференциальная интенсивность излучения, или спектральная плотность энергетической светимости тела ‑
Эти две величины, согласно определению, связаны соотношением:
Характер зависимости Очевидно, что при Как мы уже говорили, реальное тело находится в состоянии термодинамического равновесия с окружающей средой. Т.е. его температура постоянна. Следовательно, если какое-то тело больше излучает, то оно должно и больше поглощать энергии, для того, чтобы его температура не изменялась. И, соответственно, наоборот. Таким образом, испускательная способность тела и его поглощательная способность не независимы. Они связаны между собой. Было установлено, что отношение испускательной способности тела (спектральной плотности энергетической светимости) к его поглощательной способности (коэффициент поглощения) есть величина постоянная, не зависящая от конкретного тела:
Это и есть закон Кирхгофа. Для абсолютно черного тела поглощательная способность равна единице И тогда, закон Кирхгофа в виде (2.3) записать как
Отношение испускательной способности к поглощательной способности не зависит от природы тела, оно является для всех тел одной и той же универсальной функцией длины волны и температуры, равной спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела. Отсюда следует, в частности, что лучеиспускательная способность реальных тел всегда меньше лучеиспускательной способности абсолютно черного тела (поскольку
Законы излучения абсолютно черного тела Таким образом, нахождение вида функции Однако методы статистической физики и термодинамики никак не приводили к нужным результатам. Наконец, в 1884 году был сделан первый шаг в этом направлении. Больцману удалось вывести формулу для интегральной излучательной способности абсолютно черного тела:
Этот закон носит название закона Стефана-Больцмана, т.к. несколько раньше Стефан получил этот закон путем экспериментов с реальными телами. Однако для Второй шаг сделал ученый Вин. Путем теоретических рассуждений он показал, что функция абсолютно черного тела должна иметь вид: где Из этой формулы можно найти длину волны Найдем производную по Далее, приравняем эту производную к нулю: Обозначив Это равенство выполняется при каком-то значении
Постоянную Закон (2.6) называют законом смещения Вина. Он показывает, как смещается максимум излучения при изменении температуры.
Наконец, на основе представлений классической физики, Рэлею и Джинсу удалось получить функцию излучения абсолютно черного тела: удовлетворяющую условиям Вина. Здесь Однако эта формула не совпадала с экспериментальными результатами, хотя вывод ее был безупречен (см. рис. 2.3). Ситуация была настолько критической, что получила название ‑ ультрафиолетовая катастрофа в физике. Это говорило о том, что представления классической физики не соответствуют действительности и нужно эти представления пересмотреть. Но, как мы уже говорили, это не должно касаться уже проверенных опытом теоретических положений классической физики.
Квантовый характер излучения Выход из создавшегося тупика был найден М.Планком. Он предположил, что излучение и поглощение света происходят не непрерывно, как следует по волновой теории, а порциями, квантами. И эта энергия порции, кванта
Здесь Следовательно, энергия электромагнитной волны должна быть кратна энергии кванта: Согласно закону Больцмана, вероятность где Соответственно, для вероятности получим выражение: Итак, мы получили выражение для вероятности того, что электромагнитная волна будет обладать энергией где Для сокращения записи, введем обозначение Упростим это выражение: Очевидно, что под знаком натурального логарифма стоит геометрическая прогрессия, с параметрами ‑ Преобразуем полученное выражение: И теперь, в формулу Рэлея-Джинса нужно подставить именно это значение энергии, а не Или
Это и есть формула Планка для теплового излучения тел. Она прекрасно согласуется с экспериментальными данными. Более того, используя формулу Планка можно получить теоретическое выражение для констант. В частности, постоянной Стефана-Больцмана. Использовав закон Стефана-Больцмана, получим:
Отсюда получаем теоретическое значение постоянной Стефана-Больцмана, которое очень хорошо согласуется с экспериментальными данными То же самое относительно постоянной Вина. Длина волны Подставив значения мировых констант, получим хорошее совпадение с экспериментом.
Оптическая пирометрия, дистанционный, бесконтактный метод измерения температуры.
Здесь Исследователь наводит пирометр на светящийся объект (электрическая лампочка, пламя свечи, расплавленный металл в печи, Солнце, звезды и т.д.). С помощью окуляра добивается резкого изображения спирали на фоне объекта. Изменяя реостатом силу тока в цепи, изменяет степень накала спирали, добиваясь того, чтобы яркость спирали равнялась бы яркости объекта. При совмещении яркостей, по шкале амперметра, которая предварительно была проградуирована в градусах, определяют яркостную температуру объекта, т.е. температуру его поверхности. С помощью специальных поправок можно вычислить термодинамическую температуру исследуемого тела.
Лекция 8 (2 часа)
Фотоэлектрический эффект. Эффект Комптона. (Фотоны, их основные характеристики. Внешний, внутренний, вентильный фотоэффект. Опыты Герца. Опыты Столетова. Основные законы фотоэффекта. Красная граница фотоэффекта. Элементарная теория фотоэффекта. Формула Эйнштейна. Задерживающий потенциал. Зависимость граничной частоты от величины задерживающего потенциала. Эффект Комптона и его теория. Давление света. Внешний фотоэффект.) Фотоэлектрическим эффектом, или просто фотоэффектом, называется испускание электронов веществом под действием света. Но это было установлено много позже, а в начале события развивались следующим образом. В 1887 г Г.Герц заметил, что проскакивание искры между цинковыми шариками разрядника значительно облегчается, если один из шариков облучать ультрафиолетовым светом. В 1889 – 1890 гг. это явление тщательно исследовал А.Г.Столетов. При этом оно установил следующее. 1. Под действием света вещество теряет только отрицательный заряд. 2. Наибольшее действие оказывают ультрафиолетовые лучи. 3. Величина испущенного телом заряда пропорциональна поглощенной им световой энергии. 4. Это явление практически безинерционно.
Третий пункт обычно носит название закона Столетова В 1898 г. Ленард и Томсон измерили удельный заряд отрицательных частиц, вырванных из цинка, по отклонению их в электрических и магнитных полях и установили, что ими являются электроны. Явление вырывания электронов из металла под действием света наружу впоследствии получило название внешнего фотоэффекта. Дальнейшее исследование фотоэффекта было связано с техническими усовершенствованиями. Если в первых опытах Г.Герца между цинковыми шариками необходим был газ (для создания тока разряда за счет ионизации газа), то для самого фотоэффекта газ был не нужен и просто мешал (т.к. ток возникал за счет электронов, вырываемых из самого металла).
Даже при не очень большом анодном напряжении, порядка нескольких десятков вольт, фототок достигает насыщения ‑ Количество электронов зависит от светового потока, поэтому для разных световых потоков ток насыщения оказался разным. Далее, оказалось, что фототок не равен нулю даже тогда, когда ускоряющая разность потенциалов была равна нулю. Следовательно, электроны, вылетая из металла, обладают некоторой начальной скоростью. И чтобы ток в цепи отсутствовал, необходимо приложить разность потенциалов обратной полярности, величины Таким образом, электрон, вылетая из металла с начальной скоростью Следовательно, при условии: фототок будет равен нулю. Дальнейшие усилия были направлены на исследование зависимости величины Здесь необходимо упомянуть работы Лукирского и Прилежаева, которые сконструировали и изготовили сферический фотоэлемент, позволяющий очень точно регистрировать величину При исследованиях величины 1. 2.
где Из рисунка следует: Отсюда вытекает, что существует минимальная частота, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Если Эта частота Все эти опытные законы фотоэффекта противоречат волновым представлениям о свете. 1). Согласно волновой теории, энергия волны (интенсивность) зависит от квадрата амплитуды волны. Следовательно, кинетическая энергия вылетающих электронов должна зависеть от интенсивности падающего света (квадрата амплитуды), а не от частоты падающего света. 2). Также с волновой точки зрения не объяснимо существование красной границы фотоэффекта (какая бы не была интенсивность падающего света, а фотоэффект не наблюдается). 3). Также по-другому должен бы проходить сам фотоэффект. При малых интенсивностях электроны бы накапливали вначале энергию волны, а потом бы происходил процесс отрыва их от атома. В то время как на самом деле, фотоэффект практически безинерционное явление. Т.е. результаты опытов противоречат классической теории. Для объяснения явления фотоэффекта Эйнштейн применил теорию Планка о квантовом характере излучения. Он предположил, что свет, световая энергия, также и поглощается порциями, квантами света. Причем эти порции-кванты в точности равны квантам энергии Планка: Электрон получил квант энергии
Т.о. гипотеза квантов сразу объяснила зависимость фотоэффекта от частоты падающего света. Из формулы Эйнштейна следовало наличие красной границы фотоэффекта Далее, если Из формулы Эйнштейна вытекает эмпирическая формула для задерживающего напряжения Отсюда ‑ Таким образом, имея экспериментальный график зависимости
Внутренний фотоэффект В дальнейшем было открыто явление внутреннего фотоэффекта, о котором мы уже вкратце упоминали. Это явление связано уже не с проводниками (металлами), а с полупроводниками. Как известно, полупроводники являются таковыми Однако если полупроводник облучать светом, то электроны будут получать дополнительную энергию за счет квантов света и, если эта энергия достаточна, они будут попадать в зону проводимости. При этом в валентной зоне останутся дырки. Таким образом, проводимость полупроводника резко возрастает.
На этом свойстве полупроводников основано действие так называемых фотосопротивлений, фоторезисторов, величина сопротивления которых зависит от освещенности. На схемах фоторезисторы обозначаются так, как показано на рис. 2.9.
Вентильный фотоэффект Рассмотрим теперь контакт полупроводников двух типов примесной проводимости. Как известно, на этой границе раздела возникает запирающее напряжение. Это напряжение является запирающим для основных носителей тока, а для неосновных носителей оно, соответственно, будет ускоряющим. Будем облучать теперь полупроводниковый контакт светом. При этом кристаллах будут возникать неосновные носители. Конечно, будут возникать и основные носители, но мы ими сейчас не интересуемся, поскольку они будут останавливаться запирающим напряжением. А неосновные носители будут проходить запирающий слой, и скапливаться на внешних границах. Если теперь соединить эти границы проводником, то по цепи потечет ток. Величина этого тока зависит, очевидно, от энергии падающего света. Такие устройства могут применяться для измерения освещенности, для создания так называемых солнечных батарей.
Корпускулярно-волновой дуализм Итак, было показано, что свет излучается и поглощается порциями ‑ квантами. Носителями этой энергии являются особые световые частицы ‑ фотоны. Рассмотрим характеристики фотона. 1). Фотон обладает энергией
2). Фотон обладает массой. Действительно, согласно теории относительности
Однако мы знаем, что масса зависит от скорости: Таким образом, фотон не может не двигаться и его скорость не может не равняться скорости света. То, что фотон обладает гравитационной массой, убеждает нас отклонение лучей света, идущих от звезд, в гравитационном поле Солнца. Кроме того, так как гравитационная масса эквивалентна гравитационной массе, то фотон обладает и инертной массой. 3). Фотон обладает импульсом. Действительно, согласно теории относительности: А так как для фотона
Но если фотон обладает импульсом, то он должен давить на преграду. Это было доказано точнейшими экспериментами русского физика Лебедева. В то же время свет обладает волновыми свойствами (интерференция, дифракция, поляризация). Как это сопоставить с нашими обычными представлениями о материи? Эти противоречивые свойства света представляют следующим образом. Пусть в некоторой среде распространяется свет. Интенсивность света в некоторой точке этой среды определяется квадратом амплитуды волны ‑ С другой стороны, энергия в объеме Если Отсюда Т.е. волновые характеристики, волновые законы определяют вероятность нахождения фотона, или вероятность обнаружения фотона, прошедшему по пути, предписанному волновой теорией. Обычно плотность потока фотонов очень велика и мы не замечаем этого вероятностного прохождения фотона. Но это было показано экспериментально следующим образом. Наблюдали интерференционную картину от двух когерентных источников света. Затем уменьшали интенсивность света, или плотность потока фотонов. При очень малых плотностях интерференционная картина начинала «мигать». Т.е. на экран, в область максимума, попадали то Но попадали фотоны именно в те места, в которые предписывали законы волновой оптики, т.е. в места максимумов. Там, где согласно волновой теории должны были быть минимумы освещенности ‑ всегда было темно. Там где области максимума, происходило мигание. Когда на месте экрана поместили фотопластинку и произвели съемку интерференционной картины с длительной выдержкой, то фото не отличалось от фото с большими интенсивностями света. Таким образом, мы приходим к представлениям о корпускулярно-волновом дуализме фотонов. Эффект Комптона.
Рассмотрим взаимодействие рентгеновского фотона со свободным электроном. Так энергия рентгеновского фотона очень велика, то рассмотрение необходимо вести с учетом релятивистских эффектов.
При взаимодействии должен выполняться закон сохранения энергии ‑ энергия системы до взаимодействия должна равняться энергии системы после взаимодействия:
Здесь: Далее, при взаимодействии также должен выполняться закон сохранения импульса:
Здесь:
|
|||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2016-08-14; просмотров: 404; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.147.42.193 (0.134 с.) |