Termisk stråling Stefan Boltzmanns lov er forholdet mellem energiluminositeten r e og den spektrale tæthed af energiluminositeten af ​​et sort legeme. Energisk lysstyrke

Kropsemissionsevne rl,T numerisk lig med kroppens energi dWl, udsendt af et legeme fra en enhed af kropsoverfladen, pr. tidsenhed ved kropstemperatur T, i bølgelængdeområdet fra l til l +dl, de der.

(2)

Denne størrelse kaldes også den spektrale tæthed af kroppens energilysstyrke.

Energisk lysstyrke er relateret til emissivitet ved formlen

(3)

Absorberingsevne legeme al, T- et tal, der viser, hvilken brøkdel af den strålingsenergi, der falder ind på overfladen af ​​et legeme, der absorberes af det i bølgelængdeområdet fra l til l +dl, de der.

Kroppen som al ,T = 1 over hele bølgelængdeområdet kaldes en absolut sort krop (BLB).

Kroppen som al ,T =konst<1 over hele bølgelængdeområdet kaldes grå.

Hvor- spektral tæthed energisk lysstyrke, eller kroppens emissionsevne .

Erfaring viser, at et legemes emissivitet afhænger af kroppens temperatur (for hver temperatur ligger den maksimale stråling i sit eget frekvensområde). Dimension .

Ved at kende emissiviteten kan vi beregne den energiske lysstyrke:

hedder kroppens absorptionsevne . Det afhænger også meget af temperaturen.

Per definition kan det ikke være større end én. For en krop, der fuldstændig absorberer stråling af alle frekvenser, . Sådan en krop kaldes helt sort (dette er en idealisering).

En krop, for hvilken og er mindre end enhed for alle frekvenser,hedder grå krop (dette er også en idealisering).

Der er en vis sammenhæng mellem en krops emissive og absorberende kapacitet. Lad os mentalt udføre følgende eksperiment (fig. 1.1).

Ris. 1.1

Lad der være tre kroppe inde i en lukket skal. Kropper er i et vakuum, derfor kan energiudveksling kun ske gennem stråling. Erfaring viser, at et sådant system efter nogen tid vil nå en tilstand af termisk ligevægt (alle legemer og skallen vil have samme temperatur).

I denne tilstand mister et legeme med større emissivitet mere energi pr. tidsenhed, men derfor skal denne krop også have større absorptionskapacitet:

Gustav Kirchhoff formulerede i 1856 lov og foreslog sort kropsmodel .

Forholdet mellem emissivitet og absorptionsevne afhænger ikke af kroppens natur; det er det samme for alle legemer(universel)funktion af frekvens og temperatur.

Hvor - universal Kirchhoff funktion.

Denne funktion har en universel eller absolut karakter.

Mængderne i sig selv og hver for sig kan ændre sig ekstremt kraftigt, når man bevæger sig fra en krop til en anden, men deres forhold konstant for alle legemer (ved en given frekvens og temperatur).

For en absolut sort krop, derfor for den, dvs. den universelle Kirchhoff-funktion er intet andet end emissiviteten af ​​en helt sort krop.

Absolut sorte kroppe findes ikke i naturen. Sod eller platinsort har absorptionsevne, men kun i et begrænset frekvensområde. Et hulrum med et lille hul er dog i sine egenskaber meget tæt på en helt sort krop. En stråle, der kommer ind, absorberes nødvendigvis efter flere refleksioner, og en stråle af enhver frekvens (fig. 1.2).

Ris. 1.2

Emissiviteten af ​​en sådan enhed (hulrum) er meget tæt på f(ν, ,T). Således, hvis hulrumsvæggene holdes ved en temperatur T, så kommer stråling ud af hullet, meget tæt i spektral sammensætning på strålingen fra et absolut sort legeme ved samme temperatur.

Ved at nedbryde denne stråling til et spektrum kan man finde den eksperimentelle form for funktionen f(ν, ,T)(Fig. 1.3), ved forskellige temperaturer T 3 > T 2 > T 1 .

Ris. 1.3

Området dækket af kurven giver den energiske lysstyrke af en sort krop ved den tilsvarende temperatur.

Disse kurver er de samme for alle kroppe.

Kurverne ligner den molekylære hastighedsfordelingsfunktion. Men dér er de arealer, kurverne dækker, konstante, men her med stigende temperatur øges arealet markant. Dette tyder på, at energetisk kompatibilitet er meget afhængig af temperaturen. Maksimal stråling (emissivitet) med stigende temperatur skifter mod højere frekvenser.

Lovene om termisk stråling

Enhver opvarmet krop udsender elektromagnetiske bølger. Jo højere kropstemperaturen er, jo kortere bølger udsender den. Et legeme i termodynamisk ligevægt med sin stråling kaldes helt sort (ACHT). Strålingen af ​​et helt sort legeme afhænger kun af dets temperatur. I 1900 udledte Max Planck en formel, hvormed man ved en given temperatur af et absolut sort legeme kan beregne intensiteten af ​​dets stråling.

De østrigske fysikere Stefan og Boltzmann etablerede en lov, der udtrykker det kvantitative forhold mellem den samlede emissivitet og temperaturen af ​​en sort krop:

Denne lov kaldes Stefan-Boltzmann-loven . Konstanten σ = 5,67∙10 –8 W/(m 2 ∙K 4) kaldes Stefan-Boltzmann konstant .

Alle Planck-kurver har et mærkbart udtalt maksimum ved bølgelængden

Denne lov blev kaldt Wiens lov . For Solen er T 0 altså 5.800 K, og maksimum forekommer ved bølgelængden λ max ≈ 500 nm, hvilket svarer til den grønne farve i det optiske område.

Med stigende temperatur skifter den maksimale stråling af et helt sort legeme til den kortere bølgelængde del af spektret. En varmere stjerne udsender det meste af sin energi i ultraviolet, mens en køligere stjerne udsender det meste af sin energi i det infrarøde.

Foto effekt. Fotoner

Fotoelektrisk effekt blev opdaget i 1887 af den tyske fysiker G. Hertz og eksperimentelt studeret af A. G. Stoletov i 1888-1890. Den mest komplette undersøgelse af fænomenet den fotoelektriske effekt blev udført af F. Lenard i 1900. På dette tidspunkt var elektronen allerede blevet opdaget (1897, J. Thomson), og det blev klart, at den fotoelektriske effekt (eller mere) netop den eksterne fotoeffekt) består af udstødning af elektroner fra et stof under påvirkning af lys, der falder på det.

Diagrammet af den eksperimentelle opsætning til at studere den fotoelektriske effekt er vist i fig. 5.2.1.

Forsøgene brugte en glasvakuumflaske med to metalelektroder, hvis overflade blev grundigt rengjort. En vis spænding blev påført elektroderne U, hvis polaritet kunne ændres ved hjælp af en dobbelttast. En af elektroderne (katode K) blev belyst gennem et kvartsvindue med monokromatisk lys af en vis bølgelængde λ. Ved en konstant lysstrøm blev afhængigheden af ​​fotostrømstyrken taget jeg fra den påførte spænding. I fig. Figur 5.2.2 viser typiske kurver for en sådan afhængighed, opnået ved to værdier af intensiteten af ​​lysstrømmen, der falder ind på katoden.

Kurverne viser, at ved tilstrækkeligt store positive spændinger ved anode A, når fotostrømmen mætning, da alle de elektroner, der udstødes fra katoden af ​​lys, når anoden. Omhyggelige målinger viste, at mætningsstrømmen jeg n er direkte proportional med intensiteten af ​​det indfaldende lys. Når spændingen ved anoden er negativ, hæmmer det elektriske felt mellem katoden og anoden elektronerne. Kun de elektroner, hvis kinetiske energi overstiger | eU|. Hvis spændingen ved anoden er mindre end - U h, fotostrømmen stopper. Måling U h, vi kan bestemme den maksimale kinetiske energi af fotoelektroner:

Talrige forsøgsledere har etableret følgende grundlæggende principper for den fotoelektriske effekt:

1. Den maksimale kinetiske energi af fotoelektroner stiger lineært med stigende lysfrekvens ν og afhænger ikke af dens intensitet.
2. For hvert stof er der en såkaldt rød fotoeffektkant den laveste frekvens ν min, ved hvilken den eksterne fotoelektriske effekt stadig er mulig.
3. Antallet af fotoelektroner udsendt af lys fra katoden på 1 s er direkte proportional med lysintensiteten.
4. Den fotoelektriske effekt er praktisk talt inertiløs; fotostrømmen opstår øjeblikkeligt efter starten af ​​belysningen af ​​katoden, forudsat at lysfrekvensen ν > ν min.

Alle disse love for den fotoelektriske effekt modsagde grundlæggende den klassiske fysiks ideer om lysets interaktion med stof. Ifølge bølgekoncepter vil en elektron, når den interagerer med en elektromagnetisk lysbølge, gradvist akkumulere energi, og det vil tage en betydelig mængde tid, afhængigt af lysets intensitet, for elektronen at akkumulere nok energi til at flyve ud af katode. Som beregninger viser, skal denne tid beregnes i minutter eller timer. Erfaringen viser dog, at fotoelektroner opstår umiddelbart efter start af belysning af katoden. I denne model var det også umuligt at forstå eksistensen af ​​den røde grænse for den fotoelektriske effekt. Bølgeteorien om lys kunne ikke forklare uafhængigheden af ​​fotoelektronernes energi fra intensiteten af ​​lysstrømmen og proportionaliteten af ​​den maksimale kinetiske energi til lysets frekvens.

Således var den elektromagnetiske teori om lys ikke i stand til at forklare disse mønstre.

Løsningen blev fundet af A. Einstein i 1905. En teoretisk forklaring af de observerede love for den fotoelektriske effekt blev givet af Einstein på grundlag af M. Plancks hypotese om, at lys udsendes og absorberes i visse dele, og energien af ​​hver sådan. del bestemmes af formlen E = hν, hvor h– Plancks konstant. Einstein tog det næste skridt i udviklingen af ​​kvantekoncepter. Det konkluderede han lys har en diskontinuerlig (diskret) struktur. En elektromagnetisk bølge består af separate dele - kvanter, senere navngivet fotoner. Når en foton interagerer med stof, overfører den fuldstændigt al sin energi hνén elektron. Elektronen kan sprede en del af denne energi under kollisioner med stofatomer. Derudover bruges en del af elektronenergien på at overvinde potentialbarrieren ved metal-vakuum-grænsefladen. For at gøre dette skal elektronen udføre en arbejdsfunktion EN afhængigt af katodematerialets egenskaber. Den maksimale kinetiske energi, som en fotoelektron udsendt fra katoden kan have, bestemmes af loven om energibevarelse:

Denne formel kaldes normalt Einsteins ligning for den fotoelektriske effekt .

Ved hjælp af Einsteins ligning kan alle lovene for den eksterne fotoelektriske effekt forklares. Einsteins ligning indebærer en lineær afhængighed af den maksimale kinetiske energi af lysintensitetens frekvens og uafhængighed, eksistensen af ​​en rød grænse og den inertifri fotoelektriske effekt. Det samlede antal fotoelektroner, der forlader katodeoverfladen på 1 s, skal være proportionalt med antallet af fotoner, der falder ind på overfladen i samme tid. Det følger heraf, at mætningsstrømmen skal være direkte proportional med intensiteten af ​​lysfluxen.

Som det følger af Einsteins ligning, tangens af hældningsvinklen af ​​den rette linje udtrykker afhængigheden af ​​blokeringspotentialet Uз fra frekvensen ν (fig. 5.2.3), lig med forholdet mellem Plancks konstant h til elektronladningen e:

Hvor c– lysets hastighed, λ cr – bølgelængde svarende til den røde grænse for den fotoelektriske effekt. De fleste metaller har en arbejdsfunktion EN er flere elektronvolt (1 eV = 1,602·10 –19 J). I kvantefysikken bruges elektronvolten ofte som en energienhed. Værdien af ​​Plancks konstant, udtrykt i elektronvolt pr. sekund, er

Blandt metaller har alkaliske grundstoffer den laveste arbejdsfunktion. For eksempel natrium EN= 1,9 eV, hvilket svarer til den røde grænse for den fotoelektriske effekt λ cr ≈ 680 nm. Derfor bruges alkalimetalforbindelser til at skabe katoder i fotoceller , designet til optagelse af synligt lys.

Så lovene for den fotoelektriske effekt indikerer, at lys, når det udsendes og absorberes, opfører sig som en strøm af partikler kaldet fotoner eller lys kvanta .

Fotonenergien er

det følger, at fotonen har momentum

Således vendte læren om lys, efter at have fuldført en revolution, der varede to århundreder, igen tilbage til ideerne om lyspartikler - korpuskler.

Men dette var ikke en mekanisk tilbagevenden til Newtons korpuskulære teori. I begyndelsen af ​​det 20. århundrede blev det klart, at lys har en dobbelt natur. Når lys forplanter sig, vises dets bølgeegenskaber (interferens, diffraktion, polarisering), og når det interagerer med stof, fremkommer dets korpuskulære egenskaber (fotoelektrisk effekt). Denne dobbelte natur af lys kaldes bølge-partikel dualitet . Senere blev den dobbelte natur af elektroner og andre elementære partikler opdaget. Klassisk fysik kan ikke give en visuel model af kombinationen af ​​bølge- og korpuskulære egenskaber af mikroobjekter. Bevægelsen af ​​mikroobjekter er ikke styret af lovene i den klassiske newtonske mekanik, men af ​​kvantemekanikkens love. Teorien om sort kropsstråling udviklet af M. Planck og Einsteins kvanteteori om den fotoelektriske effekt ligger til grund for denne moderne videnskab.

Så hvad er termisk stråling?

Termisk stråling er elektromagnetisk stråling, der opstår på grund af energien fra rotations- og vibrationsbevægelsen af ​​atomer og molekyler i et stof. Termisk stråling er karakteristisk for alle legemer, der har en temperatur over det absolutte nulpunkt.

Termisk stråling af den menneskelige krop hører til det infrarøde område af elektromagnetiske bølger. Sådan stråling blev først opdaget af den engelske astronom William Herschel. I 1865 beviste den engelske fysiker J. Maxwell, at infrarød stråling er af elektromagnetisk karakter og består af bølger med en længde på 760 nm op til 1-2 mm. Oftest er hele området af IR-stråling opdelt i områder: nær (750 nm-2.500nm), gennemsnit (2.500 nm - 50.000nm) og lang rækkevidde (50.000 nm-2.000.000nm).

Lad os overveje tilfældet, når krop A er placeret i hulrum B, som er begrænset af en ideel reflekterende (uigennemtrængelig for stråling) skal C (fig. 1). Som et resultat af multipel refleksion fra skallens indre overflade vil strålingen blive lagret i spejlhulrummet og delvist absorberet af krop A. Under sådanne forhold vil systemhulrummet B - krop A ikke miste energi, men der vil kun være en kontinuerlig udveksling af energi mellem krop A og strålingen, der fylder hulrum B.

Fig.1. Multipel refleksion af termiske bølger fra spejlvæggene i hulrum B

Hvis energifordelingen forbliver uændret for hver bølgelængde, så vil tilstanden af ​​et sådant system være ligevægt, og strålingen vil også være ligevægt. Den eneste type ligevægtsstråling er termisk. Hvis ligevægten mellem stråling og kroppen af ​​en eller anden grund skifter, så begynder der at opstå termodynamiske processer, som vil bringe systemet tilbage til en ligevægtstilstand. Hvis krop A begynder at udsende mere, end den optager, så begynder kroppen at miste indre energi, og kropstemperaturen (som et mål for indre energi) vil begynde at falde, hvilket vil reducere mængden af ​​udsendt energi. Kroppens temperatur vil falde, indtil mængden af ​​udsendt energi svarer til mængden af ​​energi, som kroppen absorberer. Der vil således opstå en ligevægtstilstand.

Termisk ligevægtsstråling har følgende egenskaber: homogen (den samme energifluxtæthed på alle punkter i hulrummet), isotrop (mulige udbredelsesretninger er lige sandsynlige), upolariseret (retningerne og værdierne af de elektriske og magnetiske feltstyrkevektorer på alle punkter i hulrummet ændres kaotisk).

De vigtigste kvantitative egenskaber ved termisk stråling er:

- energisk lysstyrke er mængden af ​​energi af elektromagnetisk stråling i hele området af bølgelængder af termisk stråling, der udsendes af et legeme i alle retninger fra en enhed overfladeareal pr. tidsenhed: R = E/(S t), [J/(m 2 s)] = [W /m 2 ] Energilysstyrken afhænger af kroppens beskaffenhed, kroppens temperatur, tilstanden af ​​kroppens overflade og strålingens bølgelængde.

- spektral lysstyrketæthed - energetisk lysstyrke af et legeme for givne bølgelængder (λ + dλ) ved en given temperatur (T + dT): R λ,T = f(λ, T).

Den energetiske lysstyrke af et legeme inden for visse bølgelængder beregnes ved at integrere R λ,T = f(λ, T) for T = const:

- absorptionskoefficient - forholdet mellem den energi, kroppen absorberer, og den indfaldende energi. Så hvis stråling fra en flux dФ inc falder på en krop, så reflekteres en del af den fra kroppens overflade - dФ neg, den anden del passerer ind i kroppen og bliver delvist til varme dФ abs, og den tredje del , efter flere indre refleksioner, passerer gennem kroppen udad dФ inc : α = dФ abs./dФ ned.

Absorptionskoefficienten α afhænger af arten af ​​det absorberende legeme, bølgelængden af ​​den absorberede stråling, temperaturen og tilstanden af ​​kroppens overflade.

- monokromatisk absorptionskoefficient- absorptionskoefficient for termisk stråling af en given bølgelængde ved en given temperatur: α λ,T = f(λ,T)

Blandt kroppene er der kroppe, der kan absorbere al termisk stråling af enhver bølgelængde, der falder på dem. Sådanne ideelt absorberende kroppe kaldes helt sorte kroppe. For dem er α =1.

Der er også grå kroppe, for hvilke α<1, но одинаковый для всех длин волн инфракрасного диапазона.

Blackbody-modellen er en lille hulrumsåbning med en varmebestandig skal. Huldiameteren er ikke mere end 0,1 af hulrummets diameter. Ved en konstant temperatur udsendes noget energi fra hullet, svarende til den energiske lysstyrke af et helt sort legeme. Men det sorte hul er en idealisering. Men lovene for termisk stråling af den sorte krop hjælper med at komme tættere på virkelige mønstre.

2. Love for termisk stråling

1. Kirchhoffs lov. Termisk stråling er ligevægt - mængden af ​​energi, der udsendes af et legeme, er, hvor meget det absorberes af det. For tre kroppe placeret i et lukket hulrum kan vi skrive:

Det angivne forhold vil også være sandt, når en af ​​kroppene er AC:

Fordi for den sorte krop α λT .
Dette er Kirchhoffs lov: forholdet mellem den spektrale tæthed af et legemes energetiske lysstyrke og dets monokromatiske absorptionskoefficient (ved en bestemt temperatur og for en bestemt bølgelængde) afhænger ikke af kroppens natur og er lig for alle legemer. spektraltætheden af ​​energetisk lysstyrke ved samme temperatur og bølgelængde.

Følger fra Kirchhoffs lov:
1. Den spektrale energetiske lysstyrke af den sorte krop er en universel funktion af bølgelængde og kropstemperatur.
2. Den sorte krops spektrale energilysstyrke er størst.
3. Den spektrale energilysstyrke af et vilkårligt legeme er lig med produktet af dets absorptionskoefficient og den spektrale energilysstyrke af et absolut sort legeme.
4. Ethvert legeme ved en given temperatur udsender bølger af samme bølgelængde, som det udsender ved en given temperatur.

En systematisk undersøgelse af spektrene af en række grundstoffer gjorde det muligt for Kirchhoff og Bunsen at etablere en utvetydig forbindelse mellem absorptions- og emissionsspektre af gasser og de tilsvarende atomers individualitet. Så det blev foreslået spektral analyse, hvormed man kan identificere stoffer, hvis koncentration er 0,1 nm.

Fordeling af spektral tæthed af energi lysstyrke for en absolut sort krop, en grå krop, en vilkårlig krop. Den sidste kurve har flere maksima og minima, som angiver selektiviteten af ​​emission og absorption af sådanne legemer.

2. Stefan-Boltzmann lov.
I 1879 fastslog de østrigske videnskabsmænd Joseph Stefan (eksperimentelt for en vilkårlig krop) og Ludwig Boltzmann (teoretisk for en sort krop) at den samlede energiske lysstyrke over hele bølgelængdeområdet er proportional med den fjerde potens af kroppens absolutte temperatur:

3. Vinens lov.
Den tyske fysiker Wilhelm Wien formulerede i 1893 en lov, der bestemmer placeringen af ​​den maksimale spektraltæthed af et legemes energilysstyrke i det sorte legemes strålingsspektrum afhængigt af temperaturen. Ifølge loven er bølgelængden λ max, som tegner sig for den maksimale spektrale tæthed af den sorte krops energilysstyrke, omvendt proportional med dens absolutte temperatur T: λ max = в/t, hvor в = 2,9*10 -3 m·K er Wiens konstant.

Med stigende temperatur ændres ikke kun den samlede strålingsenergi, men også selve formen af ​​fordelingskurven for den spektrale tæthed af energilysstyrke. Med stigende temperatur skifter den maksimale spektraltæthed mod kortere bølgelængder. Derfor kaldes Wiens lov loven om forskydning.

Vinens lov gælder i optisk pyrometri- en metode til at bestemme temperaturen ud fra strålingsspektret af stærkt opvarmede legemer, der er fjernt fra observatøren. Det var denne metode, der først bestemte solens temperatur (for 470 nm T = 6160 K).

De præsenterede love tillod os ikke teoretisk at finde ligninger for fordelingen af ​​den spektrale tæthed af energetisk lysstyrke over bølgelængder. Rayleigh og Jeans' værker, hvor videnskabsmænd studerede den spektrale sammensætning af den sorte kropsstråling baseret på den klassiske fysiks love, førte til grundlæggende vanskeligheder kaldet den ultraviolette katastrofe. I området for UV-bølger burde den sorte krops energiske lysstyrke have nået uendeligt, selvom den i eksperimenter faldt til nul. Disse resultater var i modstrid med loven om bevarelse af energi.

4. Plancks teori. En tysk videnskabsmand fremsatte i 1900 den hypotese, at kroppe ikke udsender kontinuerligt, men i separate portioner - kvantum. Kvanteenergien er proportional med strålingsfrekvensen: E = hν = h·c/λ, hvor h = 6,63*10 -34 J·s Plancks konstant.

Vejledt af ideer om kvantestrålingen af ​​det sorte legeme, opnåede han en ligning for spektraltætheden af ​​den sorte krops energilysstyrke:

Denne formel er i overensstemmelse med eksperimentelle data over hele bølgelængdeområdet ved alle temperaturer.

Solen er den vigtigste kilde til termisk stråling i naturen. Solstråling optager en bred vifte af bølgelængder: fra 0,1 nm til 10 m eller mere. 99% af solenergien forekommer i området fra 280 til 6000 nm. Per enhedsareal af jordens overflade er der i bjergene fra 800 til 1000 W/m2. En to-milliard del af varmen når jordens overflade - 9,23 J/cm2. Til området for termisk stråling fra 6000 til 500000 nm står for 0,4 % af solens energi. I jordens atmosfære absorberes det meste af den infrarøde stråling af molekyler af vand, ilt, nitrogen og kuldioxid. Radiorækkevidden absorberes også for det meste af atmosfæren.

Mængden af ​​energi, som solens stråler bringer pr. 1 s til et område på 1 kvm, placeret uden for jordens atmosfære i en højde af 82 km vinkelret på solens stråler, kaldes solkonstanten. Det er lig med 1,4 * 10 3 W/m 2.

Den spektrale fordeling af den normale fluxtæthed af solstråling falder sammen med den for den sorte krop ved en temperatur på 6000 grader. Derfor er Solen i forhold til termisk stråling et sort legeme.

3. Stråling fra virkelige kroppe og menneskekroppen

Termisk stråling fra overfladen af ​​den menneskelige krop spiller en stor rolle i varmeoverførsel. Der er sådanne metoder til varmeoverførsel: termisk ledningsevne (ledning), konvektion, stråling, fordampning. Afhængigt af de forhold, som en person befinder sig i, kan hver af disse metoder have en dominerende rolle (for eksempel ved meget høje miljøtemperaturer hører hovedrollen til fordampning og i koldt vand - ledning og en vandtemperatur på 15 grader er et dødeligt miljø for nøgen person, og efter 2-4 timer opstår besvimelse og død på grund af hypotermi i hjernen). Andelen af ​​stråling i den samlede varmeoverførsel kan variere fra 75 til 25%. Under normale forhold omkring 50 % ved fysiologisk hvile.

Termisk stråling, som spiller en rolle i levende organismers liv, er opdelt i korte bølgelængder (fra 0,3 til 3) µm) og lang bølgelængde (fra 5 til 100 µm). Kilden til kortbølget stråling er Solen og åben ild, og levende organismer er udelukkende modtagere af sådan stråling. Langbølget stråling både udsendes og absorberes af levende organismer.

Værdien af ​​absorptionskoefficienten afhænger af forholdet mellem mediets og kroppens temperaturer, området for deres interaktion, orienteringen af ​​disse områder og for kortbølget stråling - på overfladens farve. Hos sorte reflekteres således kun 18% af kortbølget stråling, mens det hos mennesker af den hvide race er omkring 40% (sandsynligvis havde hudfarven på sorte i evolutionen intet at gøre med varmeoverførsel). For langbølget stråling er absorptionskoefficienten tæt på 1.

Beregning af varmeoverførsel ved stråling er en meget vanskelig opgave. Stefan-Boltzmann-loven kan ikke bruges til virkelige kroppe, da de har en mere kompleks afhængighed af energetisk lysstyrke på temperaturen. Det viser sig, at det afhænger af temperaturen, kroppens beskaffenhed, kroppens form og overfladens tilstand. Ved en temperaturændring ændres koefficienten σ og temperatureksponenten. Overfladen af ​​den menneskelige krop har en kompleks konfiguration, personen bærer tøj, der ændrer strålingen, og processen påvirkes af den kropsholdning, personen er i.

For et gråt legeme er strålingseffekten i hele området bestemt af formlen: P = α d.t. σ·T 4 ·S I betragtning af, med visse tilnærmelser, at virkelige kroppe (hud, tøjstoffer) er tæt på grå kroppe, kan vi finde en formel til at beregne strålingsstyrken af ​​virkelige kroppe ved en bestemt temperatur: P = α· σ·T 4 ·S Under forskellige forhold temperaturer i det udstrålende legeme og omgivelserne: P = α·σ·(T 1 4 - T 2 4)·S
Der er træk ved spektraltætheden af ​​energilysstyrken af ​​virkelige legemer: ved 310 TIL, som svarer til den gennemsnitlige menneskelige kropstemperatur, forekommer den maksimale termiske stråling ved 9700 nm. Enhver ændring i kropstemperatur fører til en ændring i kraften af ​​termisk stråling fra kroppens overflade (0,1 grader er nok). Derfor hjælper studiet af hudområder forbundet gennem centralnervesystemet til visse organer med at identificere sygdomme, som et resultat af, at temperaturen ændrer sig ret betydeligt ( termografi af Zakharyin-Ged-zonerne).

En interessant metode til ikke-kontakt massage med det menneskelige biofelt (Juna Davitashvili). Palm termisk strålingseffekt 0,1 W og hudens termiske følsomhed er 0,0001 W/cm2. Hvis du handler på de ovennævnte zoner, kan du refleksivt stimulere arbejdet i disse organer.

4. Biologiske og terapeutiske virkninger af varme og kulde

Den menneskelige krop udsender og absorberer konstant termisk stråling. Denne proces afhænger af temperaturen i den menneskelige krop og miljøet. Den maksimale infrarøde stråling af menneskekroppen er på 9300 nm.

Med små og mellemstore doser af IR-bestråling forstærkes metaboliske processer, og enzymatiske reaktioner, regenererings- og reparationsprocesser accelereres.

Som et resultat af virkningen af ​​infrarøde stråler og synlig stråling dannes biologisk aktive stoffer (bradykinin, kalidin, histamin, acetylcholin, hovedsageligt vasomotoriske stoffer, som spiller en rolle i implementeringen og reguleringen af ​​lokal blodgennemstrømning) i væv.

Som et resultat af virkningen af ​​infrarøde stråler aktiveres termoreceptorer i huden, hvorfra information sendes til hypothalamus, som et resultat af, at hudens blodkar udvides, mængden af ​​blod, der cirkulerer i dem, øges og sveden. stiger.

Dybden af ​​penetration af infrarøde stråler afhænger af bølgelængden, hudens fugtighed, dens fyldning med blod, graden af ​​pigmentering osv.

Rødt erytem vises på menneskelig hud under påvirkning af infrarøde stråler.

Det bruges i klinisk praksis til at påvirke lokal og generel hæmodynamik, øge sveden, slappe af musklerne, reducere smerter, fremskynde resorptionen af ​​hæmatomer, infiltrater osv.

Under tilstande med hypertermi forstærkes antitumoreffekten af ​​strålebehandling - termoradioterapi.

De vigtigste indikationer for brugen af ​​IR-terapi: akutte ikke-purulente inflammatoriske processer, forbrændinger og forfrysninger, kroniske inflammatoriske processer, sår, kontrakturer, adhæsioner, skader i led, ledbånd og muskler, myositis, myalgi, neuralgi. Vigtigste kontraindikationer: tumorer, purulente betændelser, blødning, kredsløbssvigt.

Forkølelse bruges til at stoppe blødninger, lindre smerter og behandle visse hudsygdomme. Hærdning fører til lang levetid.

Under påvirkning af kulde falder puls og blodtryk, og refleksreaktioner hæmmes.

I visse doser stimulerer kulde helingen af ​​forbrændinger, purulente sår, trofiske sår, erosioner og conjunctivitis.

Kryobiologi- studerer de processer, der sker i celler, væv, organer og kroppen under påvirkning af lave, ikke-fysiologiske temperaturer.

Anvendes i medicin kryoterapi Og hypertermi. Kryoterapi omfatter metoder baseret på doseret afkøling af væv og organer. Kryokirurgi (en del af kryoterapi) anvender lokal nedfrysning af væv med henblik på deres fjernelse (en del af tonsillen. Hvis alle - kryotonsillektomi. Tumorer kan fjernes, f.eks. hud, livmoderhals osv.) Kryoekstraktion baseret på kryoadhæsion (adhæsion af våde kroppe til en frossen skalpel ) - adskillelse af en del fra et organ.

Med hypertermi er det muligt at bevare organernes funktioner in vivo i nogen tid. Hypotermi ved hjælp af anæstesi bruges til at bevare organfunktionen i fravær af blodforsyning, da vævsmetabolismen bremses. Væv bliver resistente over for hypoxi. Der anvendes koldbedøvelse.

Effekten af ​​varme udføres ved hjælp af glødelamper (Minin-lampe, Solux, lys-termisk bad, IR-strålelampe) ved hjælp af fysiske medier, der har høj varmekapacitet, dårlig varmeledningsevne og god varmetilbageholdelsesevne: mudder, paraffin, ozokerit, naphthalen osv.

5. Fysisk grundlag for termografi Termokameraer

Termografi, eller termisk billeddannelse, er en funktionel diagnostisk metode baseret på optagelse af infrarød stråling fra den menneskelige krop.

Der er 2 typer termografi:

- kontakt kolesterisk termografi: Metoden bruger de optiske egenskaber af kolesteriske flydende krystaller (flerkomponentblandinger af estere og andre kolesterolderivater). Sådanne stoffer reflekterer selektivt forskellige bølgelængder, hvilket gør det muligt at opnå billeder af det termiske felt på overfladen af ​​den menneskelige krop på film af disse stoffer. En strøm af hvidt lys rettes mod filmen. Forskellige bølgelængder reflekteres forskelligt fra filmen afhængigt af temperaturen på overfladen, hvorpå kolesterikken påføres.

Under påvirkning af temperaturen kan kolesteriske stoffer ændre farve fra rød til lilla. Som et resultat dannes et farvebillede af det termiske felt i den menneskelige krop, som er let at dechifrere, idet man kender temperatur-farveforholdet. Der er kolesteriske stoffer, der giver dig mulighed for at registrere en temperaturforskel på 0,1 grader. Således er det muligt at bestemme grænserne for den inflammatoriske proces, foci af inflammatorisk infiltration på forskellige stadier af dens udvikling.

I onkologi gør termografi det muligt at identificere metastatiske knuder med en diameter på 1,5-2 mm i mælkekirtlen, huden, skjoldbruskkirtlen; i ortopædi og traumatologi, vurdere blodforsyningen til hvert segment af lemmen, for eksempel før amputation, forudse dybden af ​​forbrændingen osv.; i kardiologi og angiologi, identificere forstyrrelser i den normale funktion af det kardiovaskulære system, kredsløbsforstyrrelser på grund af vibrationssygdomme, betændelse og blokering af blodkar; åreknuder osv.; i neurokirurgi, bestemme placeringen af ​​læsioner af nerveledning, bekræfte placeringen af ​​neuroparalyse forårsaget af apopleksi; i obstetrik og gynækologi, bestemme graviditet, lokalisering af barnets sted; diagnosticere en bred vifte af inflammatoriske processer.

- Teletermografi - er baseret på omdannelsen af ​​infrarød stråling fra den menneskelige krop til elektriske signaler, der optages på skærmen på et termisk kamera eller andet optageudstyr. Metoden er berøringsfri.

IR-stråling opfattes af et system af spejle, hvorefter IR-strålerne ledes til IR-bølgemodtageren, hvis hoveddel er detektoren (fotomodstand, metal- eller halvlederbolometer, termoelement, fotokemisk indikator, elektron-optisk konverter, piezoelektrisk detektorer osv.).

Elektriske signaler fra modtageren sendes til en forstærker og derefter til en kontrolenhed, der tjener til at flytte spejle (scanning af et objekt), opvarme en TIS-punktlyskilde (proportionalt med termisk stråling) og flytte fotografisk film. Hver gang belyses filmen med TIS i henhold til kropstemperaturen på undersøgelsesstedet.

Efter styreenheden kan signalet overføres til et computersystem med et display. Dette giver dig mulighed for at gemme termogrammer og behandle dem ved hjælp af analytiske programmer. Yderligere funktioner er tilvejebragt af farvetermiske billedkameraer (farver, der ligner temperaturer er angivet i kontrastfarver), og isotermer kan tegnes.

Mange virksomheder har for nylig erkendt, at det nogle gange er ret svært at "nå ud" til en potentiel kunde; deres informationsfelt er så fyldt med forskellige slags reklamebudskaber, at de simpelthen holder op med at blive opfattet.
Aktivt telefonsalg er ved at blive en af ​​de mest effektive måder at øge salget på på kort tid. Cold calling har til formål at tiltrække kunder, der ikke tidligere har søgt om et produkt eller en service, men for en række faktorer er potentielle kunder. Efter at have ringet op til telefonnummeret skal den aktive salgschef klart forstå formålet med det kolde opkald. Telefonsamtaler kræver jo særlig dygtighed og tålmodighed fra salgschefen samt viden om forhandlingsteknikker og -teknikker.

EMISSION OG ABSORPTION AF ENERGI

ATOMER OG MOLEKYLER

SPØRGSMÅL TIL KLASSEN OM EMNET:

1. Termisk stråling. Dens vigtigste egenskaber: strålingsflux Ф, energilysstyrke (intensitet) R, spektraltæthed af energilysstyrke r λ; absorptionskoefficient α, monokromatisk absorptionskoefficient α λ. Helt sort krop. Kirchhoffs lov.

2. Termiske strålingsspektre af a.ch.t. (tidsplan). Termisk strålings kvantenatur (Plancks hypotese; der er ingen grund til at huske formlen for ε λ). Afhængighed af spektret af a.ch.t. på temperatur (graf). Vinens lov. Stefan-Boltzmann lov for a.ch.t. (uden output) og for andre organer.

3. Strukturen af ​​de elektroniske skaller af atomer. Energiniveauer. Emission af energi under overgange mellem energiniveauer. Bohrs formel ( for frekvens og for bølgelængde). Spektre af atomer. Spektrum af et brintatom. Spektral serie. Generelt koncept for spektrene af molekyler og kondenseret stof (væsker, faste stoffer). Begrebet spektralanalyse og dets anvendelse i medicin.

4. Luminescens. Typer af luminescens. Fluorescens og phosphorescens. Metastabile niveauers rolle. Luminescensspektre. Stokes regerer. Luminescensanalyse og dens anvendelse i medicin.

5. Lov om lysabsorption (Bouguers lov; konklusion). Transmittans τ og optisk tæthed D. Bestemmelse af koncentrationen af ​​opløsninger ved lysabsorption.

Laboratoriearbejde: "registrering af absorptionsspektret og bestemmelse af opløsningens koncentration ved hjælp af et fotoelektrokolorimeter."

LITTERATUR:

Obligatorisk: A.N. Remizov. "Medicinsk og biologisk fysik", M., "Højskole", 1996, kap. 27, §§ 1-3; Kapitel 29, §§ 1,2

• yderligere: Emission og absorption af energi fra atomer og molekyler, foredrag, risograf, red. afdeling, 2002

GRUNDLÆGGENDE DEFINITIONER OG FORMLER

1. Termisk stråling

Alle legemer, selv uden nogen ekstern påvirkning, udsender elektromagnetiske bølger. Energikilden til denne stråling er den termiske bevægelse af de partikler, der udgør kroppen, hvorfor det kaldes termisk stråling. Ved høje temperaturer (ca. 1000 K eller mere) falder denne stråling delvist inden for området for synligt lys; ved lavere temperaturer udsendes infrarøde stråler, og ved meget lave temperaturer udsendes radiobølger.

Strålingsflux F - Det her strålingseffekt udsendt af kilden, eller strålingsenergi udsendt pr. tidsenhed: Ф = Р = ; flow enhed - watt.

Energisk lysstyrke R - Det her flux af stråling udsendt fra en enhedsoverflade af et legeme:
; enhed for energisk lysstyrke – W.m –2 .

Spektral tæthed af energisk lysstyrke r λ - Det her forholdet mellem den energetiske lysstyrke af et legeme inden for et lille bølgelængdeinterval (ΔR λ ) til værdien af ​​dette interval Δ λ:

Dimension r λ – W.m - 3

Helt sort krop (a.b.t.) kaldet t spiste hvilketfuldt ud absorberer indfaldende stråling. Der er ikke sådanne kroppe i naturen, men en god model af en a.ch.t. er et lille hul i et lukket hulrum.

forholdet mellem absorberet og indfaldende strålingsflux:
.

Monokromatisk absorptionskoefficient er værdien af ​​absorptionskoefficienten målt i et snævert spektralområde omkring en bestemt værdi λ.

Kirchhoffs lov: ved konstant temperatur, forholdet mellem spektraltætheden af ​​energetisk lysstyrke ved en bestemt bølgelængde og den monokromatiske absorptionskoefficient ved samme bølgelængde det samme for alle kroppe og er lig med spektraltætheden af ​​energilysstyrken af ​​a.b.t. ved denne bølgelængde:

(nogle gange betegner r λ A.Ch.T ε λ)

En helt sort krop absorberer og udsender stråling alle bølgelængder, Derfor spektrum af a.h.t. altid solidt. Type af dette spektrum afhænger af kropstemperaturen. Når temperaturen stiger for det første øges den energiske lysstyrke betydeligt; For det andet bølgelængde svarende til maksimal stråling(λ max ) , skifter mod kortere bølgelængder :
, hvor b ≈ 29090 µm.K-1 ( Wiens lov).

Stefan-Boltzmann lov: energisk lysstyrke af a.h.t. proportional med kropstemperaturens fjerde potens på Kelvin-skalaen: R = σT 4

2. Emission af energi fra atomer og molekyler

Som det er kendt, i et atoms elektronskal kan en elektrons energi kun antage strengt definerede værdier, der er karakteristiske for et givet atom. Det siger de med andre ord elektron kan kun lokaliseres på visseenerginiveauer. Når en elektron er på et givet energiniveau, ændrer den ikke sin energi, det vil sige, at den hverken absorberer eller udsender lys. Når du flytter fra et niveau til et andet elektronens energi ændrer sig, og samtidig absorberes eller udsendeskvante af lys (foton).Energien i et kvante er lig med forskellen i energierne på de niveauer, mellem hvilke overgangen sker: E KVANTUM = hν = E n – E m hvor n og m er niveautal (Bohrs formel).

Elektronovergange mellem forskellige niveauerforekomme med forskellige sandsynligheder. I nogle tilfælde er overgangssandsynligheden meget tæt på nul; de tilsvarende spektrallinjer observeres ikke under normale forhold. Sådanne overgange kaldes forbudt.

I mange tilfælde kan en elektrons energi ikke omdannes til kvanteenergi, men snarere omdannes til energien fra termisk bevægelse af atomer eller molekyler. Sådanne overgange kaldes ikke-strålende.

Ud over overgangssandsynligheden er lysstyrken af ​​spektrallinjer direkte proportional med antallet af atomer af det emitterende stof. Denne afhængighed ligger til grund kvantitativ spektral analyse.
3. Luminescens

Luminescens ringe til enhver ikke termisk stråling. Energikilderne til denne stråling kan være forskellige; derfor taler de om forskellige typer luminescens. De vigtigste af dem er: kemiluminescens– glød, der opstår under visse kemiske reaktioner; bioluminescens– dette er kemiluminescens i levende organismer; katodoluminescens - glød under påvirkning af en strøm af elektroner, som bruges i tv-billedrør, katodestrålerør, gaslyslamper osv.; elektroluminescens– glød, der opstår i et elektrisk felt (oftest i halvledere). Den mest interessante type luminescens er fotoluminescens. Dette er en proces, hvor atomer eller molekyler absorberer lys (eller UV-stråling) i et bølgelængdeområde og udsender det i et andet (for eksempel absorberer de blå stråler og udsender gule). I dette tilfælde absorberer stoffet kvanter med relativt høj energi hν 0 (med en kort bølgelængde). Så vender elektronen måske ikke umiddelbart tilbage til jordniveau, men går først til mellemniveau, og derefter til jordniveau (der kan være flere mellemniveauer). I de fleste tilfælde er nogle overgange ikke-strålende, det vil sige, at elektronenergien omdannes til energien fra termisk bevægelse. Derfor vil energien af ​​kvanter, der udsendes under luminescens, være mindre end energien af ​​det absorberede kvante. Bølgelængderne af det udsendte lys skal være større end bølgelængden af ​​det absorberede lys. Hvis vi formulerer ovenstående i generel form, får vi lov Stokes : luminescensspektret forskydes mod længere bølger i forhold til spektret af stråling, der forårsager luminescens.

Der er to typer af selvlysende stoffer. Hos nogle stopper gløden næsten øjeblikkeligt, efter at det spændende lys er slukket. Det her kort sigt gløden hedder fluorescens.

I stoffer af en anden type falmer gløden efter at have slukket det spændende lys gradvist(ifølge eksponentiel lov). Det her langsigtet gløden hedder fosforescens.Årsagen til den lange glød er, at sådanne stoffers atomer eller molekyler indeholder metastabile niveauer.Metastabil Dette energiniveau kaldes hvor elektroner kan forblive meget længere end ved normale niveauer. Derfor kan varigheden af ​​phosphorescens være minutter, timer og endda dage.
4. Lov om lysabsorption (Bouguers lov)

Når en strålingsflux passerer gennem et stof, mister det en del af sin energi (den absorberede energi bliver til varme). Loven om lysabsorption kaldes Bouguers lov: Ф = Ф 0 ∙ e – κ λ · L ,

hvor Ф 0 er den indfaldende strømning, Ф er strømmen, der passerer gennem et lag af stof med tykkelsen L; koefficienten κ λ kaldes naturlig absorptionshastighed ( dens størrelse afhænger af bølgelængden) . Til praktiske beregninger foretrækker de at bruge decimallogaritmer i stedet for naturlige logaritmer. Så tager Bouguers lov formen: Ф = Ф 0 ∙ 10 – k λ ∙ L ,

hvor kλ – decimal absorptionshastighed.

Transmission navngiv mængden

Optisk tæthed D - dette er mængden defineret af ligheden:
. Vi kan sige det på en anden måde: optisk tæthed D er en størrelse, der er i eksponenten i formlen for Bouguers lov: D = k λ ∙ L

koefficient χ λ kaldes molær absorptionshastighed(hvis koncentrationen er angivet i mol) eller specifik absorptionshastighed(hvis koncentrationen er angivet i gram). Fra den sidste formel får vi: Ф = Ф 0 ∙10 - χ λ ∙ C ∙ L(lov Bugera-Bera)

Disse formler ligger til grund for de mest almindelige i kliniske og biokemiske laboratorier metode til bestemmelse af koncentrationerne af opløste stoffer ved lysabsorption.

UNDERVISNINGSTYPE PROBLEMER MED LØSNINGER

(I fremtiden vil vi for kortheds skyld blot skrive "træningsopgaver")

Et elektrisk varmelegeme (radiator) udsender en strøm af infrarøde stråler på 500 W. Radiatorens overfladeareal er 3300 cm2. Find den energi, som radiatoren udsender på 1 time, og radiatorens energiske lysstyrke.

Givet: Find

Ф = 500 W W og R

t = 1 time = 3600 s

S = 3300 cm 2 = 0,33 m 2

Løsning:

Strålingsflux Ф er strålingseffekten eller energien, der udsendes pr. tidsenhed:
. Herfra

W = F t = 500 W 3600 s = 18 10 5 J = 1800 kJ

Læringsmål #2

Ved hvilken bølgelængde er den termiske stråling af menneskelig hud maksimum (det vil sige r λ = max)? Hudtemperaturen på udsatte dele af kroppen (ansigt, hænder) er cirka 30 o C.

Givet: Find:

Т = 30 о С = 303 К λ max

Løsning:

Vi erstatter dataene med Wien-formlen:
,

det vil sige, næsten al strålingen ligger i spektrets IR-område.

Læringsmål #3

Elektronen er på et energiniveau med en energi på 4.7.10 –19 J

Når det blev bestrålet med lys med en bølgelængde på 600 nm, bevægede det sig til et højere energiniveau. Find energien på dette niveau.

Løsning:

Læringsmål #4

Den decimale vandabsorptionshastighed for sollys er 0,09 m–1. Hvilken del af strålingen vil nå dybden L = 100 m?

Givet Find:

L = 100 m

k = 0,09 m – 1

Løsning:

Lad os skrive Bouguers lov ned:
. Den del af strålingen, der når dybden L er naturligvis,
,

det vil sige, at en milliardtedel af sollys vil nå en dybde på 100 m.
Læringsmål #5

Lys passerer sekventielt gennem to filtre. Den første har en optisk tæthed D1 = 0,6; den anden har D 2 = 0,4. Hvor stor en procentdel af strålingsstrømmen vil passere gennem dette system?

Givet: Find:

D1 = 0,6 (i %%)

Løsning:

Vi starter løsningen med en tegning af dette system

SF-1 SF-2

Find Ф 1: Ф 1 = Ф 0 10 – D 1

På samme måde er fluxen, der passerer gennem det andet lysfilter, lig med:

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

Det opnåede resultat har generel betydning: hvis lys passerer sekventielt gennem et system af flere objekter,den totale optiske tæthed vil være lig med summen af ​​disse objekters optiske tætheder .

Under betingelserne for vores problem vil et flow på F 2 = 100 %∙10 – (0,6 + 0,4) = 100 %∙10 – 1 = 10 % passere gennem et system af to lysfiltre

Ifølge Bouguer-Baer-loven er det især muligt at bestemme koncentrationen af ​​DNA. I det synlige område er opløsninger af nukleinsyrer transparente, men de absorberer kraftigt i UV-delen af ​​spektret; Absorptionsmaksimum ligger omkring 260 nm. Det er indlysende, at det netop er i dette område af spektret, at absorptionen af ​​stråling skal måles; i dette tilfælde vil følsomheden og nøjagtigheden af ​​målingen være den bedste.

Betingelserne for problemet: Ved måling af absorptionen af ​​UV-stråler med en bølgelængde på 260 nm med en DNA-opløsning blev den transmitterede strålingsflux svækket med 15 %. Strålængden i kuvetten med opløsning "x" er 2 cm Det molære absorptionsindeks (decimal) for DNA ved en bølgelængde på 260 nm er 1.3.10 5 mol – 1.cm 2 Find koncentrationen af ​​DNA i løsningen.

Givet:

Ф 0 = 100 %; F = 100 % – 15 % = 85 % Find: Med DNA

x = 2 cm; λ = 260 nm

χ 260 = 1.3.10 5 mol –1 .cm 2

Løsning:

(vi "vendte" brøken for at slippe af med den negative eksponent). . Lad os nu tage en logaritme:
, Og
; vi erstatter:

0,07 og C =
2.7.10 – 7 mol/cm 3

Vær opmærksom på metodens høje følsomhed!

b = 2900 µm.K; σ = 5.7.10 – 8 W.K 4; h = 6.6.10 - 34 J.s; c = 3,10 8 m.s –1

2. To pærer har nøjagtig samme design, bortset fra at i den ene er glødetråden lavet af ren wolfram (α = 0,3), og i den anden er den belagt med platinsort (α = 0,93). Hvilken pære har mere strålingsflux? Hvor mange gange?

3. I hvilke områder af spektret ligger bølgelængderne svarende til den maksimale spektrale tæthed af energilysstyrke, hvis strålingskilden er: a) spiralen af ​​en elektrisk pære (T = 2.300 K); b) Solens overflade (T = 5.800 K); c) overfladen af ​​ildkuglen af ​​en atomeksplosion i det øjeblik, hvor dens temperatur er omkring 30.000 K? Forskellen i disse strålingskilders egenskaber fra a.ch.t. forsømme.

4. Et rødglødende metallegeme, hvis overflade er 2,10 - 3 m 2, ved en overfladetemperatur på 1000 K udsender en flux på 45,6. tir Hvad er absorptionskoefficienten for overfladen af ​​denne krop?

5. Pæren har en effekt på 100 W. Filamentets overfladeareal er 0,5.10 - 4 m 2. Filamentets temperatur er 2.400 K. Hvad er absorptionskoefficienten for filamentoverfladen?

6. Ved en hudtemperatur på 27 0 C udsendes 0,454 W fra hver kvadratcentimeter af kropsoverfladen. Er det muligt (med en nøjagtighed på ikke værre end 2%) at betragte huden som en absolut sort krop?

7. I spektret af en blå stjerne svarer den maksimale emission til en bølgelængde på 0,3 mikron. Hvad er overfladetemperaturen på denne stjerne?

8. Hvilken energi udstråler et legeme med en overflade på 4.000 cm 2 på en time?

ved en temperatur på 400 K, hvis kroppens absorptionskoefficient er 0,6?

9. Plade (A) har et overfladeareal på 400 cm 2 ; dens absorptionskoefficient er 0,4. En anden plade (B) med et areal på 200 cm 2 har en absorptionskoefficient på 0,2. Temperaturen på pladerne er den samme. Hvilken plade udsender mere energi og hvor meget?

10 – 16. Kvalitativ spektralanalyse. Baseret på absorptionsspektret af en af ​​de organiske forbindelser, hvis spektre

er vist i figuren, bestemme hvilke funktionelle grupper der er en del af dette stof. Brug tabeldataene:

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

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

Vær opmærksom på, hvilken værdi på din graf, der er plottet på den lodrette akse!

17. Lys passerer sekventielt gennem to lysfiltre med transmittanskoefficienter på 0,2 og 0,5. Hvor mange procent af strålingen vil komme ud af et sådant system?

18. Lys passerer sekventielt gennem to filtre med optiske tætheder på 0,7 og 0,4. Hvor stor en procentdel af strålingen vil passere gennem et sådant system?

19. For at beskytte mod lysstrålingen fra en atomeksplosion har du brug for briller, der dæmper lyset mindst en million gange. Glasset, som de ønsker at lave sådanne glas af, har en optisk tæthed på 3 med en tykkelse på 1 mm. Hvilken tykkelse af glas skal tages for at opnå det ønskede resultat?

20 For at beskytte øjnene, når der arbejdes med laser, er det påkrævet, at en strålingsflux, der ikke overstiger 0,0001 % af den flux, laseren skaber, kan trænge ind i øjet. Hvilken optisk tæthed skal briller have for at sikre sikkerheden?

Generel opgave til opgave 21 – 28 (kvantitativ analyse):

Figuren viser absorptionsspektrene for farvede opløsninger af nogle stoffer. Derudover angiver problemerne værdierne af D (den optiske tæthed af opløsningen ved den bølgelængde, der svarer til den maksimale absorption af lys) og x(kuvettetykkelse). Find koncentrationen af ​​opløsningen.

Vær opmærksom på de enheder, hvor absorptionshastigheden er angivet på din graf.

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 Skema 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

Spektral tæthed af energi lysstyrke (lysstyrke) er en funktion, der viser fordelingen af ​​energi lysstyrke (lysstyrke) over strålingsspektret.
Betyder at:
Energetisk lysstyrke er overfladefluxtætheden af ​​energi, der udsendes af en overflade
Energilysstyrke er mængden af ​​flux, der udsendes pr. arealenhed pr. rumvinkelenhed i en given retning

Helt sort krop- en fysisk idealisering brugt i termodynamik, et legeme, der absorberer al elektromagnetisk stråling, der falder ind på det i alle områder og ikke reflekterer noget. På trods af navnet kan en helt sort krop selv udsende elektromagnetisk stråling af enhver frekvens og visuelt have farve. Strålingsspektret af et absolut sort legeme bestemmes kun af dets temperatur.

Ren sort krop

Ren sort krop- dette er en fysisk abstraktion (model), der forstås som et legeme, der fuldstændig absorberer al elektromagnetisk stråling, der falder ind på det

Til en helt sort krop

Grå krop

Grå krop- dette er et legeme, hvis absorptionskoefficient ikke afhænger af frekvensen, men kun afhænger af temperaturen

- til grå krop

Kirchhoffs lov for termisk stråling

Forholdet mellem ethvert legemes emissivitet og dets absorptionskapacitet er det samme for alle legemer ved en given temperatur for en given frekvens og afhænger ikke af deres form og kemiske natur.

Temperaturafhængighed af den spektrale tæthed af energilysstyrken af ​​en absolut sort krop

Afhængigheden af ​​den spektrale strålingsenergitæthed L (T) af et sort legeme af temperaturen T i mikrobølgestrålingsområdet er etableret for temperaturområdet fra 6300 til 100000 K.

Wiens forskydningslov giver afhængigheden af ​​den bølgelængde, ved hvilken fluxen af ​​sort krops energistråling når sit maksimum på temperaturen af ​​den sorte krop.

B=2,90* m*K

Stefan-Boltzmann lov

Rayleigh-jeans formel

Plancks formel

konstant bar

Foto effekt- dette er emissionen af ​​elektroner fra et stof under påvirkning af lys (og generelt set enhver elektromagnetisk stråling). I kondenserede stoffer (faste og flydende) er der en ekstern og intern fotoelektrisk effekt.

Lovene for den fotoelektriske effekt:

Formulering 1. lov om fotoelektrisk effekt: antallet af elektroner udsendt af lys fra overfladen af ​​et metal pr. tidsenhed ved en given frekvens er direkte proportional med lysstrømmen, der oplyser metallet.

Ifølge 2. lov om fotoelektrisk effekt, den maksimale kinetiske energi af elektroner udstødt af lys stiger lineært med lysets frekvens og afhænger ikke af dets intensitet.

3. lov om fotoelektrisk effekt: for hvert stof er der en rød grænse for den fotoelektriske effekt, det vil sige den mindste frekvens af lys (eller maksimal bølgelængde λ 0), hvor den fotoelektriske effekt stadig er mulig, og hvis , så opstår den fotoelektriske effekt ikke længere.

Foton- en elementarpartikel, et kvantetal af elektromagnetisk stråling (i snæver forstand af lys). Det er en masseløs partikel, der kun kan eksistere ved at bevæge sig med lysets hastighed. Den elektriske ladning af en foton er også nul.

Einsteins ligning for den eksterne fotoelektriske effekt

Fotocelle- en elektronisk enhed, der omdanner fotonenergi til elektrisk energi. Den første fotocelle baseret på den eksterne fotoelektriske effekt blev skabt af Alexander Stoletov i slutningen af ​​det 19. århundrede.

fotonens energi, masse og momentum

Let tryk er trykket produceret af elektromagnetiske lysbølger, der falder ind på overfladen af ​​et legeme.

Trykket p, som bølgen udøver på metaloverfladen, kunne beregnes som forholdet mellem de resulterende Lorentz-kræfter, der virker på frie elektroner i metallets overfladelag, og metalets overfladeareal:

Kvanteteori om lys forklarer let tryk som et resultat af fotoner, der overfører deres momentum til atomer eller stofmolekyler.

Compton effekt(Compton effekt) - fænomenet med at ændre bølgelængden af ​​elektromagnetisk stråling på grund af elastisk spredning af elektroner

Compton bølgelængde

De Broglies formodning er, at den franske fysiker Louis de Broglie fremsatte ideen om at tillægge elektronen bølgeegenskaber. Ved at tegne en analogi mellem et kvante foreslog de Broglie, at bevægelsen af ​​en elektron eller enhver anden partikel med hvilemasse er forbundet med en bølgeproces.

De Broglies formodning fastslår, at en partikel i bevægelse med energi E og momentum p svarer til en bølgeproces, hvis frekvens er lig med:

og bølgelængde:

hvor p er den bevægelige partikels bevægelsesmængde.

Davisson-Germer eksperiment- et fysisk eksperiment med elektrondiffraktion udført i 1927 af amerikanske videnskabsmænd Clinton Davisson og Lester Germer.

En undersøgelse blev udført på refleksion af elektroner fra en nikkel-enkeltkrystal. Opsætningen omfattede en enkelt krystal af nikkel, slebet i en vinkel og monteret på en holder. En stråle af monokromatiske elektroner blev rettet vinkelret på det polerede snitplan. Elektronhastigheden blev bestemt af spændingen på elektronkanonen:

En Faraday-kop blev installeret i en vinkel i forhold til den indfaldende elektronstråle, forbundet til et følsomt galvanometer. Baseret på aflæsningerne af galvanometeret blev intensiteten af ​​elektronstrålen reflekteret fra krystallen bestemt. Hele installationen var i vakuum.

I eksperimenterne blev intensiteten af ​​elektronstrålen spredt af krystallen målt afhængigt af spredningsvinklen fra azimutvinkel , på elektronernes hastighed i strålen.

Eksperimenter har vist, at der er en udtalt selektivitet i elektronspredning. Ved forskellige vinkler og hastigheder observeres intensitetsmaksima og -minima i de reflekterede stråler. Maksimal tilstand:

Her er den interplanare afstand.

Således blev elektrondiffraktion observeret på krystalgitteret af en enkelt krystal. Eksperimentet var en strålende bekræftelse af eksistensen af ​​bølgeegenskaber i mikropartikler.

Wave funktion, eller psi funktion- en funktion med kompleks værdi, der bruges i kvantemekanikken til at beskrive et systems rene tilstand. Er udvidelseskoefficienten af ​​tilstandsvektoren over en basis (normalt en koordinat):

hvor er koordinatbasisvektoren, og er bølgefunktionen i koordinatrepræsentation.

Den fysiske betydning af bølgefunktionen er, at ifølge den københavnske fortolkning af kvantemekanikken, anses sandsynligheden for at finde en partikel på et givet punkt i rummet på et givet tidspunkt lig med kvadratet af den absolutte værdi af bølgefunktion af denne tilstand i koordinatrepræsentation.

Heisenbergs usikkerhedsprincip(eller Heisenberg) i kvantemekanik - en grundlæggende ulighed (usikkerhedsrelation), der sætter grænsen for nøjagtighed for den samtidige bestemmelse af et par fysiske observerbare, der karakteriserer et kvantesystem (se fysisk mængde), beskrevet af ikke-pendlende operatører (f.eks. koordinater og momentum, strøm og spænding, elektriske og magnetiske felter). Usikkerhedsrelationen [* 1] sætter en nedre grænse for produktet af standardafvigelserne for et par kvanteobservabler. Usikkerhedsprincippet, opdaget af Werner Heisenberg i 1927, er en af ​​hjørnestenene i kvantemekanikken.

Definition Hvis der er flere (mange) identiske kopier af systemet i en given tilstand, vil de målte værdier af koordinat og momentum adlyde en vis sandsynlighedsfordeling - dette er et grundlæggende postulat af kvantemekanik. Ved at måle værdien af ​​standardafvigelsen af ​​koordinaten og standardafvigelsen af ​​impulsen vil vi finde ud af, at:

Schrödinger ligning

Potentielle brønd– et område i rummet, hvor der er et lokalt minimum af en partikels potentielle energi.

Tunnel effekt, tunnelering- at overvinde en potentiel barriere med en mikropartikel i det tilfælde, hvor dens samlede energi (som forbliver uændret under tunneling) er mindre end højden af ​​barrieren. Tunneleffekten er et fænomen af ​​udelukkende kvantenatur, umuligt og endda fuldstændig i modstrid med klassisk mekanik. En analog til tunneleffekten i bølgeoptik kan være en lysbølges indtrængning i et reflekterende medium (ved afstande i størrelsesordenen af ​​lysets bølgelængde) under forhold, hvor der ud fra et geometrisk optiks synspunkt opstår total intern refleksion. Fænomenet tunneling ligger til grund for mange vigtige processer i atom- og molekylfysik, i atomkernens fysik, fast tilstand osv.

Harmonisk oscillator i kvantemekanik er det en kvanteanalog af en simpel harmonisk oscillator; i dette tilfælde er det ikke de kræfter, der virker på partiklen, der tages i betragtning, men Hamiltonian, det vil sige den samlede energi af den harmoniske oscillator, og den potentielle energi antages at afhænge kvadratisk af koordinaterne. At tage hensyn til følgende udtryk i udvidelsen af ​​potentiel energi langs en koordinat fører til begrebet en anharmonisk oscillator.

Studiet af atomers struktur har vist, at atomer består af en positivt ladet kerne, hvori næsten al massen er koncentreret. h af atomet, og negativt ladede elektroner, der bevæger sig rundt om kernen.

Bohr-Rutherford planetarisk model af atomet. I 1911 kom Ernest Rutherford, efter at have udført en række eksperimenter, til den konklusion, at atomet er en slags planetsystem, hvor elektroner bevæger sig i kredsløb omkring en tung, positivt ladet kerne placeret i centrum af atomet (“Rutherfords atom). model"). En sådan beskrivelse af atomet kom dog i konflikt med klassisk elektrodynamik. Faktum er, at ifølge klassisk elektrodynamik bør en elektron, når den bevæger sig med centripetalacceleration, udsende elektromagnetiske bølger og derfor miste energi. Beregninger viste, at den tid, det tager for en elektron i et sådant atom at falde ned på kernen, er absolut ubetydelig. For at forklare atomernes stabilitet måtte Niels Bohr introducere postulater, der gik ud på, at en elektron i et atom, der er i nogle specielle energitilstande, ikke udsender energi ("Bohr-Rutherford model af atomet"). Bohrs postulater viste, at klassisk mekanik er uanvendelig til at beskrive atomet. Yderligere undersøgelse af atomstråling førte til skabelsen af ​​kvantemekanik, som gjorde det muligt at forklare langt de fleste observerede fakta.

Emissionsspektre af atomer normalt opnået ved en høj temperatur af en lyskilde (plasma, lysbue eller gnist), hvor stoffet fordamper, dets molekyler spaltes i individuelle atomer, og atomerne ophidses til at gløde. Atomanalyse kan enten være emission - studiet af emissionsspektre, eller absorption - studiet af absorptionsspektre.
Et atoms emissionsspektrum er et sæt spektrallinjer. Spektrallinjen fremkommer som et resultat af monokromatisk lysstråling under overgangen af ​​en elektron fra et elektronisk underniveau tilladt af Bohrs postulat til et andet underniveau af forskellige niveauer. Denne stråling er karakteriseret ved bølgelængde K, frekvens v eller bølgetal co.
Et atoms emissionsspektrum er et sæt spektrallinjer. Spektrallinjen fremkommer som et resultat af monokromatisk lysstråling under overgangen af ​​en elektron fra et elektronisk underniveau tilladt af Bohrs postulat til et andet underniveau af forskellige niveauer.

Bohr-model af atomet (Bohr-model)- en semi-klassisk model af atomet foreslået af Niels Bohr i 1913. Han tog udgangspunkt i den planetariske model af atomet fremsat af Rutherford. Men set fra klassisk elektrodynamik bør en elektron i Rutherfords model, der bevæger sig rundt i kernen, udsende kontinuerligt og meget hurtigt, efter at have mistet energi, falde ned på kernen. For at overvinde dette problem introducerede Bohr en antagelse, hvis essens er, at elektroner i et atom kun kan bevæge sig i visse (stationære) baner, hvor de ikke udsender, og emission eller absorption sker kun i overgangsøjeblikket fra en. bane til en anden. Desuden er det kun de baner, der er stationære, når de bevæger sig, hvor elektronens vinkelmomentum er lig med et helt tal af Plancks konstanter: .

Ved at bruge denne antagelse og lovene for klassisk mekanik, nemlig ligheden mellem en elektrons tiltrækningskraft fra siden af ​​kernen og centrifugalkraften, der virker på en roterende elektron, opnåede han følgende værdier for radius af en stationær bane og energien af ​​elektronen placeret i denne bane:

Her er elektronens masse, Z er antallet af protoner i kernen, er dielektricitetskonstanten, e er ladningen af ​​elektronen.

Det er netop dette udtryk for energi, der kan opnås ved at anvende Schrödinger-ligningen og løse problemet med en elektrons bevægelse i et centralt Coulomb-felt.

Radius af den første bane i brintatomet R 0 =5,2917720859(36)·10 −11 m, nu kaldet Bohr-radius eller atomare længdeenhed og er meget brugt i moderne fysik. Energien i den første bane, eV, er brintatomets ioniseringsenergi.

Bohrs postulater

§ Et atom kan kun være i særlige stationære eller kvantetilstande, som hver har en bestemt energi. I en stationær tilstand udsender et atom ikke elektromagnetiske bølger.

§ En elektron i et atom, uden at miste energi, bevæger sig langs visse diskrete cirkulære baner, for hvilke vinkelmomentet er kvantiseret: , hvor er naturlige tal, og er Plancks konstant. Tilstedeværelsen af ​​en elektron i kredsløbet bestemmer energien af ​​disse stationære tilstande.

§ Når en elektron bevæger sig fra en bane (energiniveau) til en bane, udsendes eller absorberes en energikvantum, hvor er de energiniveauer, som overgangen sker mellem. Når man bevæger sig fra et øvre niveau til et lavere niveau, udsendes energi, når man bevæger sig fra et lavere til et øvre niveau, absorberes det.

Ved at bruge disse postulater og den klassiske mekaniks love foreslog Bohr en model af atomet, nu kaldet Bohr-modellen af ​​atomet. Efterfølgende udvidede Sommerfeld Bohrs teori til tilfældet med elliptiske baner. Den kaldes Bohr-Sommerfeld-modellen.

Frank og Hertz eksperimenterer

erfaringen har vist det elektroner overfører deres energi til kviksølvatomer i portioner , og 4,86 ​​eV er den mindst mulige del, der kan absorberes af et kviksølvatom i jordenergitilstanden

Balmer formel

For at beskrive bølgelængderne λ af de fire synlige linjer i brintspektret foreslog I. Balmer formlen

hvor n = 3, 4, 5, 6; b = 3645,6 Å.

I øjeblikket bruges et særligt tilfælde af Rydberg-formlen til Balmer-serien:

hvor λ er bølgelængden,

R≈ 1,0974 10 7 m −1 - Rydberg konstant,

n- hovedkvantetallet for det indledende niveau er et naturligt tal større end eller lig med 3.

Brintlignende atom- et atom, der indeholder én og kun én elektron i sin elektronskal.

Røntgenstråling- elektromagnetiske bølger, hvis energi af fotoner ligger på skalaen af ​​elektromagnetiske bølger mellem ultraviolet stråling og gammastråling, hvilket svarer til bølgelængder fra 10 −2 til 10 3 Å (fra 10 −12 til 10 −7 m)

Røntgenrør- en elektrisk vakuumanordning designet til at generere røntgenstråling.

Bremsstrahlung- elektromagnetisk stråling, der udsendes af en ladet partikel, når den spredes (bremses) i et elektrisk felt. Nogle gange omfatter begrebet "bremsstrahlung" også strålingen af ​​relativistisk ladede partikler, der bevæger sig i makroskopiske magnetfelter (i acceleratorer, i det ydre rum), og kaldes magnetobremsstrahlung; men det mere almindeligt anvendte udtryk i dette tilfælde er "synkrotronstråling."

KARAKTERISTISK EMISSION- Røntgen linjespektrum stråling. Karakteristisk for atomerne i hvert grundstof.

Kemisk binding- fænomenet med interaktion mellem atomer, forårsaget af overlapning af elektronskyer af bindingspartikler, som er ledsaget af et fald i systemets samlede energi.

molekylært spektrum- emissions(absorptions)spektrum, der opstår under kvanteovergange mellem energiniveauer af molekyler

Energiniveau- egenværdier af energien i kvantesystemer, det vil sige systemer bestående af mikropartikler (elektroner, protoner og andre elementære partikler) og underlagt kvantemekanikkens love.

Kvantetal n – Det vigtigste . Det bestemmer elektronens energi i brintatomet og et-elektronsystemerne (He +, Li 2+ osv.). I dette tilfælde elektronenergien

Hvor n tager værdier fra 1 til ∞. Jo mindre n, jo større er interaktionsenergien mellem elektronen og kernen. På n= 1 hydrogenatom er i grundtilstanden, kl n> 1 – spændt.

Udvælgelsesregler i spektroskopi kalder de restriktioner og forbud mod overgange mellem niveauer af et kvantemekanisk system med absorption eller emission af en foton, pålagt af bevarelseslove og symmetri.

Multi-elektron atomer atomer med to eller flere elektroner kaldes.

Zeeman effekt- spaltning af linjer af atomspektre i et magnetfelt.

Opdaget i 1896 af Zeeman for natriumemissionslinjer.

Essensen af ​​fænomenet elektron paramagnetisk resonans er resonansabsorptionen af ​​elektromagnetisk stråling af uparrede elektroner. En elektron har et spin og et tilhørende magnetisk moment.