تتميز الطاقة التي يفقدها الجسم بسبب الإشعاع الحراري بالكميات التالية:
تدفق الإشعاع (F) -الطاقة المنبعثة لكل وحدة زمنية من كامل سطح الجسم.
في الواقع، هذه هي قوة الإشعاع الحراري. البعد لتدفق الإشعاع هو [J/s = W].
لمعان الطاقة (إعادة) -طاقة الإشعاع الحراري المنبعثة لكل وحدة زمنية من وحدة سطح جسم ساخن:
في نظام SI، يتم قياس السطوع النشط - [W/m 2 ].
يعتمد التدفق الإشعاعي واللمعان النشط على بنية المادة ودرجة حرارتها: Ф = Ф(Т)،
يميزه توزيع اللمعان النشط على طيف الإشعاع الحراري الكثافة الطيفية.دعونا نشير إلى طاقة الإشعاع الحراري المنبعثة من سطح واحد خلال ثانية واحدة في نطاق ضيق من الأطوال الموجية من λ قبل λ + د λ, عبر دري.
كثافة اللمعان الطيفي (r) أو الابتعاثيةتسمى نسبة اللمعان النشط في جزء ضيق من الطيف (dRe) إلى عرض هذا الجزء (d) بما يلي:
الشكل التقريبي للكثافة الطيفية واللمعان النشط (dRe) في نطاق الطول الموجي من λ قبل λ + د λ, يظهر في الشكل. 13.1.
أرز. 13.1.الكثافة الطيفية للضياء النشط
يسمى اعتماد الكثافة الطيفية للسطوع النشط على الطول الموجي طيف إشعاع الجسم. تتيح معرفة هذا الاعتماد حساب اللمعان النشط لجسم ما في أي نطاق من الطول الموجي. صيغة حساب اللمعان النشط لجسم في نطاق من الأطوال الموجية هي:
مجموع اللمعان هو:
لا تبعث الأجسام الإشعاع الحراري فحسب، بل تمتصه أيضًا. تعتمد قدرة الجسم على امتصاص الطاقة الإشعاعية على مادته ودرجة حرارته وطول موجة الإشعاع. وتتميز القدرة الامتصاصية للجسم بـ معامل الامتصاص أحادي اللون α.
دع التيار يسقط على سطح الجسم أحادية اللونالإشعاع Φ Φ مع الطول الموجي α. وينعكس جزء من هذا التدفق، ويمتص الجسم جزءًا منه. دعونا نشير إلى حجم التدفق الممتص Φ κ abs.
معامل الامتصاص أحادي اللون α αهي نسبة التدفق الإشعاعي الذي يمتصه جسم معين إلى حجم التدفق أحادي اللون الساقط:
معامل الامتصاص أحادي اللون هو كمية بلا أبعاد. وتقع قيمها بين الصفر والواحد: 0 ≥ α ≥ 1.
وظيفة α = α(λ,Τ) ، معبراً عن اعتماد معامل الامتصاص أحادي اللون على الطول الموجي ودرجة الحرارة، يسمى القدرة على الامتصاصجثث. يمكن أن يكون مظهره معقدًا للغاية. وتناقش أدناه أبسط أنواع الامتصاص.
جسم أسود نقيهو جسم معامل امتصاصه يساوي وحدة جميع الأطوال الموجية: α = 1.
جسم رماديهو الجسم الذي لا يعتمد معامل الامتصاص له على الطول الموجي: α = const< 1.
جسم أبيض تمامًاهو الجسم الذي معامل امتصاصه صفر لجميع الأطوال الموجية: α = 0.
قانون كيرتشوف
قانون كيرتشوف- نسبة انبعاث الجسم إلى قدرته على الامتصاص هي نفسها لجميع الأجسام وتساوي الكثافة الطيفية لمعان الطاقة لجسم أسود تمامًا:
= /
النتيجة الطبيعية للقانون:
1. إذا كان الجسم عند درجة حرارة معينة لا يمتص أي إشعاع، فإنه لا يصدره. في الواقع، إذا كان معامل الامتصاص لطول موجي معين α = 0، فإن r = α∙ε(κT) = 0
1. في نفس درجة الحرارة الجسم الأسوديشع أكثر من أي شيء آخر. بل لجميع الهيئات ما عدا أسود،α < 1, поэтому для них r = α∙ε(λT) < ε
2. إذا حددنا تجريبيًا بالنسبة لجسم معين اعتماد معامل الامتصاص أحادي اللون على الطول الموجي ودرجة الحرارة - α = r = α(κT)، فيمكننا حساب طيف إشعاعه.
الإشعاع الحراري قانون ستيفان بولتزمان العلاقة بين لمعان الطاقة R e والكثافة الطيفية لمعان الطاقة لجسم أسود لمعان الطاقة لجسم رمادي قانون إزاحة فيينا (القانون الأول) الاعتماد على الكثافة الطيفية القصوى لمعان الطاقة لجسم أسود درجة حرارة الجسم (القانون الثاني) صيغة بلانك
الإشعاع الحراري 1. الحد الأقصى للكثافة الطيفية لمعان الطاقة الشمسية يحدث عند الطول الموجي = 0.48 ميكرون. بافتراض أن الشمس تشع كجسم أسود، حدد: 1) درجة حرارة سطحها؛ 2) الطاقة المنبعثة من سطحه. وفقًا لقانون الإزاحة في فيينا، فإن الطاقة المنبعثة من سطح الشمس وفقًا لقانون ستيفان بولتزمان،
الإشعاع الحراري 2. حدد كمية الحرارة المفقودة بمقدار 50 سم2 من سطح البلاتين المنصهر خلال دقيقة واحدة، إذا كانت قدرة امتصاص البلاتين A T = 0.8. نقطة انصهار البلاتين هي 1770 درجة مئوية. كمية الحرارة التي يفقدها البلاتين تساوي الطاقة المنبعثة من سطحه الساخن وفقا لقانون ستيفان بولتزمان.
الإشعاع الحراري 3. يستهلك الفرن الكهربائي طاقة P = 500 W. درجة حرارة سطحه الداخلي بفتحة صغيرة مفتوحة قطرها d = 5.0 cm هي 700 درجة مئوية. ما مقدار استهلاك الطاقة الذي تبدده الجدران؟ يتم تحديد الطاقة الإجمالية من خلال مجموع الطاقة المنطلقة من خلال الثقب، والتي تتبدد بواسطة الجدران وفقًا لقانون ستيفان بولتزمان،
الإشعاع الحراري 4 يتم تسخين فتيل تنجستين في الفراغ باستخدام تيار بقوة I = 1 A إلى درجة حرارة T 1 = 1000 K. ما هي قوة التيار التي سيتم تسخين الفتيل بها إلى درجة حرارة T 2 = 3000 K؟ معاملات امتصاص التنغستن ومقاومته المقابلة لدرجات الحرارة T 1، T 2 تساوي: a 1 = 0.115 و a 2 = 0.334؛ 1 = 25، أوم م، 2 = 96، أوم م الطاقة المنبعثة تساوي الطاقة المستهلكة من الدائرة الكهربائية في حالة مستقرة الطاقة الكهربائية المنبعثة في الموصل وفقًا لقانون ستيفان بولتزمان،
الإشعاع الحراري 5. في طيف الشمس، تحدث الكثافة الطيفية القصوى لضياء الطاقة عند طول موجة قدره 0.0 = 0.47 ميكرون. بافتراض أن الشمس تنبعث كجسم أسود بالكامل، أوجد شدة الإشعاع الشمسي (أي كثافة التدفق الإشعاعي) بالقرب من الأرض خارج غلافها الجوي. شدة الإضاءة (شدة الإشعاع) التدفق الضوئي وفقًا لقوانين ستيفان بولتزمان وفين
الإشعاع الحراري 6. الطول الموجي 0، الذي يمثل الطاقة القصوى في طيف إشعاع الجسم الأسود، هو 0.58 ميكرون. تحديد الحد الأقصى للكثافة الطيفية لمعان الطاقة (r، T) max، المحسوبة لفاصل الطول الموجي = 1 نانومتر، بالقرب من 0. تتناسب الكثافة الطيفية القصوى لمعان الطاقة مع القوة الخامسة لدرجة الحرارة ويتم التعبير عنها بواسطة قانون فيينا الثاني. يتم التعبير عن درجة الحرارة T من قانون الإزاحة في فيينا، ويتم إعطاء القيمة C بوحدات SI، حيث يكون الفاصل الزمني لطول الموجة = 1 متر وفقًا لشروط المشكلة، من الضروري حساب كثافة اللمعان الطيفية المحسوبة لفاصل الطول الموجي 1. نانومتر، لذلك نكتب قيمة C بوحدات SI ونعيد حسابها لفترة طول موجة معينة:
الإشعاع الحراري 7. أظهرت دراسة طيف الإشعاع الشمسي أن الكثافة الطيفية القصوى لضياء الطاقة تقابل طول موجة = 500 نانومتر. بافتراض أن الشمس جسم أسود، حدد: 1) اللمعان النشط للشمس؛ 2) تدفق الطاقة F e المنبعثة من الشمس؛ 3) كتلة الموجات الكهرومغناطيسية (بجميع الأطوال) المنبعثة من الشمس خلال ثانية واحدة. 1. وفقًا لقوانين ستيفان بولتزمان وفين 2. التدفق الضوئي 3. كتلة الموجات الكهرومغناطيسية (جميع الأطوال) المنبعثة من الشمس خلال الوقت t = 1 s، نحددها من خلال تطبيق قانون تناسب الكتلة والطاقة E = ms 2. طاقة الموجات الكهرومغناطيسية المنبعثة خلال الوقت t، تساوي حاصل ضرب تدفق الطاقة Ф e ((طاقة الإشعاع) بمرور الوقت: E=Ф e t. وبالتالي، Ф e = ms 2، حيث m= ه/س 2.
الإشعاع الحراري للأجسام هو الإشعاع الكهرومغناطيسي الناشئ عن ذلك الجزء من الطاقة الداخلية للجسم، والذي يرتبط بالحركة الحرارية لجزيئاته.
الخصائص الرئيسية للإشعاع الحراري للأجسام التي يتم تسخينها إلى درجة حرارة تنكون:
1. طاقة لمعانر (ت ) -كمية الطاقة المنبعثة لكل وحدة زمنية من وحدة سطح الجسم، على مدى الطول الموجي بأكمله.يعتمد على درجة الحرارة وطبيعة وحالة سطح الجسم المشع. في نظام SI ر ( ت ) البعد [W/m2].
2. الكثافة الطيفية للضياء النشطص ( ،ت) =دي دبليو/ د - كمية الطاقة المنبعثة من وحدة سطح الجسم لكل وحدة زمنية في فترة وحدة الطول الموجي (بالقرب من الطول الموجي المعني) ). أولئك. هذه الكمية تساوي عدديا نسبة الطاقة دي دبليو، تنبعث من وحدة المساحة لكل وحدة زمنية في نطاق ضيق من الأطوال الموجية من قبل +د ، إلى عرض هذا الفاصل الزمني. ويعتمد ذلك على درجة حرارة الجسم، والطول الموجي، وكذلك على طبيعة وحالة سطح الجسم الباعث. في نظام SI ص( , ت) له البعد [W/m 3 ].
لمعان حيوية ر(ت) المتعلقة بالكثافة الطيفية للضياء النشط ص( , ت) بالطريقة الآتية:
(1) [ث/م2]
3. جميع الأجسام لا تبعث فقط، بل تمتص أيضًا الموجات الكهرومغناطيسية الساقطة على سطحها. ولتحديد قدرة الأجسام على الامتصاص بالنسبة للموجات الكهرومغناطيسية ذات طول موجي معين، تم تقديم هذا المفهوم معامل الامتصاص أحادي اللون-نسبة حجم طاقة الموجة أحادية اللون التي يمتصها سطح الجسم إلى حجم طاقة الموجة أحادية اللون الساقطة:
معامل الامتصاص أحادي اللون هو كمية لا أبعاد لها وتعتمد على درجة الحرارة والطول الموجي. يُظهر ما هو جزء من طاقة الموجة أحادية اللون الساقطة التي يمتصها سطح الجسم. القيمة ( , ت) يمكن أن تأخذ القيم من 0 إلى 1.
يسمى الإشعاع في نظام مغلق بشكل ثابت (لا يتبادل الحرارة مع البيئة الخارجية) بالتوازن. إذا قمت بإنشاء ثقب صغير في جدار التجويف، فإن حالة التوازن ستتغير قليلاً وسيتوافق الإشعاع الخارج من التجويف مع إشعاع التوازن.
إذا تم توجيه شعاع إلى مثل هذه الحفرة، فبعد الانعكاسات المتكررة والامتصاص على جدران التجويف، لن يتمكن من العودة. وهذا يعني أن معامل الامتصاص لمثل هذا الثقب ( , ت) = 1.
يعتبر التجويف المغلق ذو الفتحة الصغيرة بمثابة أحد النماذج جسم أسود تمامًا.
الجسم أسود تماماهو الجسم الذي يمتص كل الإشعاع الساقط عليه بغض النظر عن اتجاه الإشعاع الساقط وتركيبه الطيفي واستقطابه (دون أن يعكس أو ينقل أي شيء).
بالنسبة لجسم أسود بالكامل، فإن كثافة اللمعان الطيفي هي دالة عالمية لطول الموجة ودرجة الحرارة F( , ت) ولا يعتمد على طبيعته.
جميع الأجسام في الطبيعة تعكس جزئيًا حادثة الإشعاع على سطحها، وبالتالي لا تصنف على أنها أجسام سوداء مطلقة. إذا كان معامل الامتصاص أحادي اللون لجسم ما هو نفسه جميع الأطوال الموجية وأقلوحدات(( , ت) = Т =const<1),ثم يسمى مثل هذا الجسم رمادي. يعتمد معامل الامتصاص أحادي اللون لجسم رمادي فقط على درجة حرارة الجسم وطبيعته وحالة سطحه.
أظهر كيرشوف أنه بالنسبة لجميع الأجسام، بغض النظر عن طبيعتها، فإن نسبة الكثافة الطيفية لطاقة اللمعان إلى معامل الامتصاص أحادي اللون هي نفس الوظيفة العالمية لطول الموجة ودرجة الحرارة F( , ت) ، وهي نفس الكثافة الطيفية لمعان الطاقة لجسم أسود بالكامل :
المعادلة (3) تمثل قانون كيرشوف.
قانون كيرتشوفيمكن صياغتها بهذه الطريقة: بالنسبة لجميع أجسام النظام التي تكون في حالة توازن ديناميكي حراري، نسبة الكثافة الطيفية لمعان الطاقة إلى المعامل والامتصاص أحادي اللون لا يعتمد على طبيعة الجسم، فهو نفس الوظيفة لجميع الأجسام، حسب الطول الموجي ودرجة الحرارة T.
من ما سبق ومن الصيغة (3) يتضح أنه عند درجة حرارة معينة، فإن تلك الأجسام الرمادية التي لديها معامل امتصاص كبير تنبعث بقوة أكبر، والأجسام السوداء تمامًا تنبعث بقوة أكبر. منذ لجسم أسود تماما( , ت)=1، فمن الصيغة (3) يترتب على ذلك الدالة العالمية F( , ت) يمثل كثافة اللمعان الطيفية لجسم أسود
لمعان الطاقة في الجسم آر تي، يساوي عدديا للطاقة دبليو، المنبعثة من الجسم على مدى الطول الموجي بأكمله (0
انبعاثية الجسم آر إل، تمساوية عدديا لطاقة الجسم dWl، ينبعث من جسم من وحدة سطح الجسم، لكل وحدة زمنية عند درجة حرارة الجسم T، في نطاق الطول الموجي من l إلى l +دل،أولئك.
وتسمى هذه الكمية أيضًا بالكثافة الطيفية لمعان طاقة الجسم.
يرتبط اللمعان النشط بالانبعاثية من خلال الصيغة
الامتصاصيةجسم آل، ت- رقم يوضح نسبة الطاقة الإشعاعية الساقطة على سطح الجسم التي يمتصها في نطاق الطول الموجي من l إلى l +دل،أولئك.
الجسم الذي آل ، ت = 1على مدى الطول الموجي بأكمله يسمى الجسم الأسود المطلق (BLB).
الجسم الذي آل ، تي = ثابت<1 على كامل نطاق الطول الموجي يسمى اللون الرمادي.
أين- الكثافة الطيفية لمعان الطاقة، أو انبعاثية الجسم .
تظهر التجربة أن انبعاثية الجسم تعتمد على درجة حرارة الجسم (لكل درجة حرارة يقع الحد الأقصى للإشعاع في نطاق التردد الخاص بها). البعد .
بمعرفة الابتعاثية، يمكننا حساب اللمعان الطاقي:
مُسَمًّى قدرة الجسم على الامتصاص . كما يعتمد بشكل كبير على درجة الحرارة.
بحكم التعريف، لا يمكن أن يكون أكبر من واحد. لجسم يمتص الأشعة بشكل كامل بكافة تردداتها . يسمى مثل هذا الجسم أسود تماما (وهذا هو المثالية).
وهو الجسم الذي وأقل من الوحدة لجميع الترددات,مُسَمًّى الجسم الرمادي (وهذا أيضًا مثالي).
هناك علاقة معينة بين القدرة الانبعاثية والاستيعابية للجسم. دعونا نجري التجربة التالية عقليًا (الشكل 1.1).
أرز. 1.1
يجب أن يكون هناك ثلاث جثث داخل قوقعة مغلقة. الأجسام في فراغ، وبالتالي لا يمكن تبادل الطاقة إلا من خلال الإشعاع. وتظهر التجربة أن مثل هذا النظام سيصل بعد فترة من الزمن إلى حالة التوازن الحراري (جميع الأجسام والقشرة ستكون لها نفس درجة الحرارة).
في هذه الحالة، يفقد الجسم ذو الانبعاثية الأكبر قدرًا أكبر من الطاقة لكل وحدة زمنية، ولكن، لذلك، يجب أن يتمتع هذا الجسم أيضًا بقدرة امتصاص أكبر:
صاغها غوستاف كيرشوف عام 1856 قانون واقترح نموذج الجسم الأسود .
ونسبة الانبعاث إلى الامتصاصية لا تعتمد على طبيعة الجسم؛ فهي واحدة في جميع الأجسام(عالمي)وظيفة التردد ودرجة الحرارة.
| , | (1.2.3) |
أين - وظيفة كيرشوف العالمية.
هذه الوظيفة لها طابع عالمي، أو مطلق.
يمكن أن تتغير الكميات نفسها، وبشكل منفصل، بقوة شديدة عند الانتقال من جسم إلى آخر، ولكن نسبتها باستمرارلجميع الأجسام (عند تردد ودرجة حرارة معينة).
بالنسبة لجسم أسود تمامًا، فهو، أي. وظيفة كيرشوف العالمية ليست أكثر من انبعاثية لجسم أسود بالكامل.
على الاطلاق لا توجد أجسام سوداء في الطبيعة. يتمتع السخام أو البلاتين الأسود بقدرة الاستيعابية، ولكن فقط في نطاق ترددي محدود. ومع ذلك، فإن التجويف ذو الثقب الصغير قريب جدًا في خصائصه من الجسم الأسود تمامًا. يتم امتصاص الشعاع الذي يدخل إلى الداخل بالضرورة بعد انعكاسات متعددة، وشعاع من أي تردد (الشكل 1.2).
أرز. 1.2
انبعاثية مثل هذا الجهاز (التجويف) قريبة جدًا F(ν, ، ت). وبالتالي، إذا تم الحفاظ على جدران التجويف عند درجة حرارة ت، ثم يخرج الإشعاع من الحفرة، وهو قريب جدًا في التركيب الطيفي من إشعاع جسم أسود تمامًا عند نفس درجة الحرارة.
ومن خلال تحليل هذا الإشعاع إلى طيف، يمكن العثور على الشكل التجريبي للدالة F(ν, ، ت)(الشكل 1.3)، عند درجات حرارة مختلفة ت 3 > ت 2 > ت 1 .
أرز. 1.3
تعطي المساحة التي يغطيها المنحنى اللمعان النشط لجسم أسود عند درجة الحرارة المقابلة.
هذه المنحنيات هي نفسها بالنسبة لجميع الهيئات.
تشبه المنحنيات وظيفة توزيع السرعة الجزيئية. ولكن هناك تكون المساحات التي تغطيها المنحنيات ثابتة، ولكن هنا مع زيادة درجة الحرارة تزيد المساحة بشكل ملحوظ. يشير هذا إلى أن التوافق النشط يعتمد بشكل كبير على درجة الحرارة. الحد الأقصى للإشعاع (الانبعاثية) مع زيادة درجة الحرارة التحولاتنحو ترددات أعلى.
قوانين الإشعاع الحراري
أي جسم ساخن يصدر موجات كهرومغناطيسية. كلما ارتفعت درجة حرارة الجسم، كلما كانت الموجات التي يصدرها أقصر. يسمى الجسم الذي في حالة اتزان ثرموديناميكي مع إشعاعه أسود تماما (أشت). يعتمد إشعاع الجسم الأسود بالكامل على درجة حرارته فقط. في عام 1900، اشتق ماكس بلانك صيغة يمكن من خلالها، عند درجة حرارة معينة لجسم أسود تمامًا، حساب شدة إشعاعه.
أنشأ الفيزيائيان النمساويان ستيفان وبولتزمان قانونًا يعبر عن العلاقة الكمية بين الانبعاثية الكلية ودرجة حرارة الجسم الأسود:
يسمى هذا القانون قانون ستيفان-بولتزمان . يسمى الثابت σ = 5.67∙10 –8 W/(m2 ∙K 4) ثابت ستيفان-بولتزمان .
جميع منحنيات بلانك لها حد أقصى واضح بشكل ملحوظ عند الطول الموجي
| |
كان يسمى هذا القانون قانون فيينا . وهكذا، بالنسبة للشمس T 0 = 5800 K، والحد الأقصى يحدث عند الطول الموجي ẫ max ≈ 500 نانومتر، وهو ما يتوافق مع اللون الأخضر في النطاق البصري.
مع زيادة درجة الحرارة، ينتقل الحد الأقصى للإشعاع الصادر عن جسم أسود بالكامل إلى الجزء ذو الطول الموجي الأقصر من الطيف. يبعث النجم الأكثر سخونة معظم طاقته في الأشعة فوق البنفسجية، بينما يبعث النجم الأكثر برودة معظم طاقته في الأشعة تحت الحمراء.
تأثير الصورة. الفوتونات
التأثير الكهروضوئيتم اكتشافه في عام 1887 من قبل الفيزيائي الألماني جي هيرتز ودرسه تجريبيًا بواسطة إيه جي ستوليتوف في 1888-1890. تم إجراء الدراسة الأكثر اكتمالا لظاهرة التأثير الكهروضوئي بواسطة F. Lenard في عام 1900. بحلول هذا الوقت، تم اكتشاف الإلكترون بالفعل (1897، J. Thomson)، وأصبح من الواضح أن التأثير الكهروضوئي (أو أكثر على وجه التحديد، التأثير الضوئي الخارجي) يتكون من طرد الإلكترونات من المادة تحت تأثير الضوء الساقط عليها.
يظهر الشكل التخطيطي للإعداد التجريبي لدراسة التأثير الكهروضوئي. 5.2.1.
استخدمت التجارب قنينة زجاجية مفرغة من الهواء تحتوي على قطبين كهربائيين معدنيين، وتم تنظيف سطحها جيدًا. تم تطبيق بعض الجهد على الأقطاب الكهربائية شوالتي يمكن تغيير قطبيتها باستخدام مفتاح مزدوج. تمت إضاءة أحد الأقطاب الكهربائية (الكاثود K) من خلال نافذة كوارتز بضوء أحادي اللون بطول موجي معين. مع تدفق ضوئي ثابت، تم أخذ الاعتماد على قوة التيار الضوئي أنامن الجهد المطبق. في التين. ويبين الشكل 5.2.2 منحنيات نموذجية لهذا الاعتماد، تم الحصول عليها عند قيمتين لشدة تدفق الضوء الساقط على الكاثود.
توضح المنحنيات أنه عند الفولتية الموجبة الكبيرة بما فيه الكفاية عند الأنود A، يصل التيار الضوئي إلى التشبع، حيث أن جميع الإلكترونات المقذوفة من الكاثود بواسطة الضوء تصل إلى الأنود. أظهرت القياسات الدقيقة أن تيار التشبع أنا n يتناسب طرديا مع شدة الضوء الساقط. عندما يكون الجهد عند القطب الموجب سالبًا، فإن المجال الكهربائي بين الكاثود والأنود يثبط الإلكترونات. فقط تلك الإلكترونات التي تتجاوز طاقتها الحركية | الاتحاد الأوروبي|. إذا كان الجهد عند الأنود أقل من - شح، توقف التيار الضوئي. قياس شح، يمكننا تحديد الطاقة الحركية القصوى للإلكترونات الضوئية:
لقد وضع العديد من المجربين المبادئ الأساسية التالية للتأثير الكهروضوئي:
- تزداد الطاقة الحركية القصوى للإلكترونات الضوئية خطيًا مع زيادة تردد الضوء ν ولا تعتمد على شدتها.
- لكل مادة هناك ما يسمى حدود تأثير الصورة الحمراء ، أي أقل تردد ν دقيقة حيث لا يزال التأثير الكهروضوئي الخارجي ممكنًا.
- يتناسب عدد الإلكترونات الضوئية المنبعثة من الضوء من الكاثود خلال ثانية واحدة بشكل مباشر مع شدة الضوء.
- التأثير الكهروضوئي هو عمليا عديم القصور الذاتي؛ ويحدث التيار الكهروضوئي فورًا بعد بدء إضاءة الكاثود، بشرط أن يكون تردد الضوء ν > ν min.
كل قوانين التأثير الكهروضوئي هذه تتناقض بشكل أساسي مع أفكار الفيزياء الكلاسيكية حول تفاعل الضوء مع المادة. وفقًا لمفاهيم الموجة، عند التفاعل مع موجة ضوئية كهرومغناطيسية، يقوم الإلكترون بتجميع الطاقة تدريجيًا، وسيستغرق الأمر قدرًا كبيرًا من الوقت، اعتمادًا على شدة الضوء، حتى يتمكن الإلكترون من تجميع طاقة كافية ليطير خارجًا. الكاثود. وكما تظهر الحسابات، ينبغي حساب هذا الوقت بالدقائق أو الساعات. ومع ذلك، تظهر التجربة أن الإلكترونات الضوئية تظهر مباشرة بعد بدء إضاءة الكاثود. وفي هذا النموذج كان من المستحيل أيضًا فهم وجود الحدود الحمراء للتأثير الكهروضوئي. لم تتمكن النظرية الموجية للضوء من تفسير استقلال طاقة الإلكترونات الضوئية عن شدة تدفق الضوء وتناسب الطاقة الحركية القصوى مع تردد الضوء.
وهكذا، فإن النظرية الكهرومغناطيسية للضوء لم تكن قادرة على تفسير هذه الأنماط.
تم العثور على الحل من قبل أ. أينشتاين في عام 1905. وقد قدم أينشتاين تفسيرًا نظريًا للقوانين المرصودة للتأثير الكهروضوئي على أساس فرضية م. بلانك القائلة بأن الضوء ينبعث ويمتص في أجزاء معينة، وطاقة كل منها يتم تحديد الجزء بواسطة الصيغة ه = حن، حيث ح- ثابت بلانك . اتخذ أينشتاين الخطوة التالية في تطوير مفاهيم الكم. وخلص إلى ذلك للضوء بنية متقطعة (منفصلة).. تتكون الموجة الكهرومغناطيسية من أجزاء منفصلة - الكميات، سميت فيما بعد الفوتونات. عند التفاعل مع المادة، ينقل الفوتون كل طاقته بالكامل حإلكترون واحد. ويستطيع الإلكترون أن يبدد جزءًا من هذه الطاقة أثناء تصادمه مع ذرات المادة. بالإضافة إلى ذلك، يتم إنفاق جزء من طاقة الإلكترون للتغلب على الحاجز المحتمل عند واجهة الفراغ المعدني. للقيام بذلك، يجب على الإلكترون أن يؤدي وظيفة العمل أاعتمادًا على خصائص مادة الكاثود. يتم تحديد الحد الأقصى للطاقة الحركية التي يمكن أن يمتلكها الإلكترون الضوئي المنبعث من الكاثود بواسطة قانون حفظ الطاقة:
| |
عادة ما تسمى هذه الصيغة معادلة أينشتاين للتأثير الكهروضوئي .
وباستخدام معادلة أينشتاين يمكن تفسير جميع قوانين التأثير الكهروضوئي الخارجي. تتضمن معادلة أينشتاين الاعتماد الخطي للطاقة الحركية القصوى على التردد واستقلالية شدة الضوء، ووجود حدود حمراء، والتأثير الكهروضوئي الخالي من القصور الذاتي. يجب أن يكون إجمالي عدد الإلكترونات الضوئية التي تغادر سطح الكاثود خلال ثانية واحدة متناسبًا مع عدد الفوتونات الساقطة على السطح خلال نفس الوقت. ويترتب على ذلك أن تيار التشبع يجب أن يتناسب بشكل مباشر مع شدة تدفق الضوء.
كما يلي من معادلة أينشتاين، فإن ظل زاوية ميل الخط المستقيم يعبر عن اعتماد جهد الحجب شз من التردد ν (الشكل 5.2.3)، يساوي نسبة ثابت بلانك حلشحنة الإلكترون ه:
أين ج- سرعة الضوء، cr – الطول الموجي المقابل للحد الأحمر للتأثير الكهروضوئي. معظم المعادن لها وظيفة شغل أهي عدة إلكترون فولت (1 فولت = 1.602·10 –19 ي). في فيزياء الكم، غالبًا ما يُستخدم الإلكترون فولت كوحدة طاقة. قيمة ثابت بلانك، معبرا عنها بالإلكترون فولت في الثانية
من بين المعادن، العناصر القلوية لها أدنى وظيفة عمل. على سبيل المثال، الصوديوم أ= 1.9 فولت، وهو ما يتوافق مع الحد الأحمر للتأثير الكهروضوئي μ cr ≈ 680 نانومتر. ولذلك، يتم استخدام المركبات المعدنية القلوية لإنشاء الكاثودات فيها الخلايا الضوئية ، مصممة لتسجيل الضوء المرئي.
لذا فإن قوانين التأثير الكهروضوئي تشير إلى أن الضوء، عند انبعاثه وامتصاصه، يتصرف كتيار من الجسيمات يسمى الفوتونات أو الكميات الخفيفة .
طاقة الفوتون هي
ويترتب على ذلك أن الفوتون لديه زخم
| |
وهكذا، فإن عقيدة الضوء، بعد أن أكملت ثورة استمرت قرنين من الزمان، عادت مرة أخرى إلى أفكار جسيمات الضوء - الجسيمات.
لكن هذه لم تكن عودة ميكانيكية لنظرية نيوتن الجسيمية. في بداية القرن العشرين، أصبح من الواضح أن للضوء طبيعة مزدوجة. عندما ينتشر الضوء تظهر خصائصه الموجية (التداخل، الحيود، الاستقطاب)، وعندما يتفاعل مع المادة تظهر خصائصه الجسيمية (التأثير الكهروضوئي). وتسمى هذه الطبيعة المزدوجة للضوء ازدواجية موجة - جسيم . وفي وقت لاحق، تم اكتشاف الطبيعة المزدوجة للإلكترونات والجسيمات الأولية الأخرى. لا يمكن للفيزياء الكلاسيكية أن تقدم نموذجًا مرئيًا للجمع بين الخصائص الموجية والجسيمية للأجسام الدقيقة. إن حركة الأجسام الدقيقة لا تخضع لقوانين ميكانيكا نيوتن الكلاسيكية، بل لقوانين ميكانيكا الكم. إن نظرية إشعاع الجسم الأسود التي طورها م. بلانك ونظرية الكم لأينشتاين حول التأثير الكهروضوئي تكمن في أساس هذا العلم الحديث.
د Φ e (\displaystyle d\Phi _(e))، تنبعث من مساحة صغيرة من سطح مصدر الإشعاع إلى منطقته د س (\displaystyle dS) : م ه = د Φ ه د S . (\displaystyle M_(e)=(\frac (d\Phi _(e))(dS)).)ويقال أيضًا أن اللمعان النشط هو الكثافة السطحية لتدفق الإشعاع المنبعث.
من الناحية العددية، فإن اللمعان النشط يساوي معامل متوسط الوقت لمكون ناقل بوينتنج المتعامد مع السطح. في هذه الحالة، يتم تنفيذ المتوسط على مدى فترة زمنية تتجاوز بشكل كبير فترة التذبذبات الكهرومغناطيسية.
يمكن أن ينشأ الإشعاع المنبعث في السطح نفسه، ثم يتحدثون عن سطح مضيء ذاتيًا. ويلاحظ خيار آخر عند إضاءة السطح من الخارج. في مثل هذه الحالات، يعود جزء من التدفق الحادث بالضرورة نتيجة للتشتت والانعكاس. ثم التعبير عن اللمعان النشط له الشكل:
M e = (ρ + σ) ⋅ E e , (\displaystyle M_(e)=(\rho +\sigma)\cdot E_(e,)أين ρ (\displaystyle \rho )و σ (\displaystyle \sigma )- معامل الانعكاس ومعامل تشتت السطح، على التوالي، و - إشعاعه.
أسماء أخرى للتألق النشط، تستخدم أحيانًا في الأدبيات، ولكن لم يتم توفيرها من قبل GOST: - الانبعاثيةو ابتعاثية متكاملة.
الكثافة الطيفية للضياء النشط
الكثافة الطيفية للضياء النشط M e , χ (π) (\displaystyle M_(e,\lambda )(\lambda))- نسبة حجم اللمعان النشط د M e (α) , (\displaystyle dM_(e)(\lambda,)الوقوع على فترة طيفية صغيرة د α , (\displaystyle d\lambda ,)، خلص بين lect (\displaystyle \lambda)و LA + د LA (\displaystyle \lambda +d\lambda )، إلى عرض هذا الفاصل الزمني:
M e , π (π) = د M e (π) د π . (\displaystyle M_(e,\lambda )(\lambda)=(\frac (dM_(e)(\lambda))(d\lambda )).)وحدة النظام الدولي للوحدات هي W m−3. نظرًا لأن الأطوال الموجية للإشعاع البصري تُقاس عادةً بالنانومتر، غالبًا ما يتم استخدام W m −2 nm −1 عمليًا.
في بعض الأحيان في الأدب م ه , γ (\displaystyle M_(e,\lambda ))وتسمى الابتعاثية الطيفية.
التناظرية الخفيفة
M v = K m ⋅ ∫ 380 n m 780 n m M e , lect (lect) V (α) d lect , (\displaystyle M_(v)=K_(m)\cdot \int \limits _(380~nm)^ (780~نانومتر)M_(e,\lambda )(\lambda)V(\lambda)d\lambda ,)أين ك م (\displaystyle K_(م))- أقصى كفاءة إشعاعية مضيئة تساوي 683 lm/W في نظام SI. قيمتها العددية تتبع مباشرة تعريف الكانديلا.
يحتوي الجدول على معلومات حول الكميات الضوئية الأساسية الأخرى للطاقة ونظائرها الضوئية. يتم إعطاء تسميات الكميات وفقًا لـ GOST 26148-84.
كميات الطاقة الضوئية SI| الاسم (مرادف) | تعيين الكمية | تعريف | تدوين وحدات SI | حجم الضوء |
|---|---|---|---|---|
| الطاقة الإشعاعية (الطاقة الإشعاعية) | س ه (\displaystyle Q_(e))أو ث (\displaystyle W) | الطاقة المنقولة عن طريق الإشعاع | ج | الطاقة الضوئية |
| التدفق الإشعاعي (التدفق الإشعاعي) | Φ (\displaystyle \Phi )ه أو ف (\displaystyle P) | Φ e = d Q e d t (\displaystyle \Phi _(e)=(\frac (dQ_(e))(dt))) | دبليو | تدفق الضوء |
| شدة الإشعاع (كثافة الطاقة الضوئية) | أنا ه (\displaystyle I_(e)) | أنا e = د Φ e d Ω (\displaystyle I_(e)=(\frac (d\Phi _(e))(d\Omega ))) | ث ريال −1 | قوة الضوء |
| كثافة الطاقة الإشعاعية الحجمية | يو ه (\displaystyle U_(e)) | U e = d Q e d V (\displaystyle U_(e)=(\frac (dQ_(e))(dV))) | ي م −3 | الكثافة الحجمية للطاقة الضوئية |
| الطاقة السطوع | ل ه (\displaystyle L_(e)) | L e = d 2 Φ e d Ω d S 1 cos ε (\displaystyle L_(e)=(\frac (d^(2)\Phi _(e))(d\Omega \,dS_(1)\, \كوس \فاريبسيلون ))) | ث م−2 ريال−1 | سطوع |
| سطوع الطاقة متكامل | Λ e (\displaystyle \Lambda _(e)) | Λ e = ∫ 0 t L e (t ′) d t ′ (\displaystyle \Lambda _(e)=\int _(0)^(t)L_(e)(t")dt") | ي م −2 ريال −1 | سطوع متكامل |
| الإشعاع (الإشعاع) | هـ (\displaystyle E_(e)) | E e = d Φ e d S 2 (\displaystyle E_(e)=(\frac (d\Phi _(e))(dS_(2)))) | ث م−2 |