1. Soojuskiirguse omadused.
2. Kirchhoffi seadus.
3. Musta keha kiirguse seadused.
4. Päikese kiirgus.
5. Termograafia füüsilised alused.
6. Fototeraapia. Ultraviolettkiirguse terapeutiline kasutamine.
7. Põhimõisted ja valemid.
8. Ülesanded.
Inimsilmale nähtava või nähtamatu elektromagnetilise kiirguse hulgast võib välja tuua ühe, mis on omane kõigile kehadele - see on soojuskiirgus.
Soojuskiirgus- aine poolt kiiratav elektromagnetkiirgus, mis tekib selle siseenergia tõttu.
Soojuskiirgust põhjustab aineosakeste ergastumine termilise liikumise käigus toimuvate kokkupõrgete või laengute kiirendatud liikumise ajal (kristallvõre ioonide võnkumine, vabade elektronide soojusliikumine jne). See esineb igal temperatuuril ja on omane kõikidele kehadele. Soojuskiirguse iseloomulik tunnus on pidev spekter.
Kiirguse intensiivsus ja spektraalne koostis sõltuvad kehatemperatuurist, mistõttu ei taju silm soojuskiirgust alati kumana. Näiteks kõrgele temperatuurile kuumutatud kehad eraldavad olulise osa energiast nähtavas piirkonnas ja toatemperatuuril kiirgub peaaegu kogu energia spektri infrapunaosas.
26.1. Soojuskiirguse omadused
Energiat, mida keha soojuskiirguse tõttu kaotab, iseloomustavad järgmised suurused.
Kiirgusvoog(F) – kogu keha pinnalt ajaühikus eralduv energia.
Tegelikult on see soojuskiirguse võimsus. Kiirgusvoo mõõde on [J/s = W].
Energeetiline heledus(Re) on kuumutatud keha pinnaühikult ajaühikus kiirgava soojuskiirguse energia:
Selle karakteristiku mõõde on [W/m2].
Nii kiirgusvoog kui ka energeetiline heledus sõltuvad aine struktuurist ja temperatuurist: Ф = Ф(Т), Re = Re(T).
Seda iseloomustab energeetilise heleduse jaotus soojuskiirguse spektris spektraalne tihedus. Tähistame soojuskiirguse energiat, mida kiirgab ühikpind 1 sekundi jooksul kitsas lainepikkuste vahemikus alates λ enne λ +d λ, dRe kaudu.
Energeetilise heleduse spektraalne tihedus(r) või emissioon nimetatakse energeetilise heleduse suhteks spektri kitsas osas (dRe) selle osa laiusesse (dλ):
Spektrilise tiheduse ja energeetilise heleduse (dRe) ligikaudne vorm lainepikkuste vahemikus alates λ enne λ +d λ, näidatud joonisel fig. 26.1.
Riis. 26.1. Energeetilise heleduse spektraalne tihedus
Energeetilise heleduse spektraaltiheduse sõltuvust lainepikkusest nimetatakse keha kiirgusspekter. Selle sõltuvuse tundmine võimaldab arvutada keha energeetilise heleduse mis tahes lainepikkuse vahemikus:
Kehad mitte ainult ei eralda, vaid ka neelavad soojuskiirgust. Keha võime neelata kiirgusenergiat sõltub tema ainest, temperatuurist ja kiirguse lainepikkusest. Organismi imamisvõimet iseloomustavad monokromaatiline neeldumistegurα.
Laske ojal langeda keha pinnale ühevärviline kiirgus Φ λ lainepikkusega λ. Osa sellest voolust peegeldub ja osa imendub kehasse. Tähistame neeldunud voo suurust Φ λ abs.
Monokromaatiline neeldumistegur α λ on antud kehas neeldunud kiirgusvoo ja langeva monokromaatilise voo suuruse suhe:
Monokromaatiline neeldumistegur on mõõtmeteta suurus. Selle väärtused jäävad nulli ja ühe vahele: 0 ≤ α ≤ 1.
Funktsiooni α = α(λ,T), mis väljendab monokromaatilise neeldumisteguri sõltuvust lainepikkusest ja temperatuurist, nimetatakse neeldumisvõime kehad. Selle välimus võib olla üsna keeruline. Allpool käsitletakse lihtsamaid absorptsiooni liike.
Puhas must keha- keha, mille neeldumistegur on võrdne kõigi lainepikkuste ühtsusega: α = 1. See neelab kogu sellele langeva kiirguse.
Oma imamisomaduste poolest on tahm, must samet ja plaatinamust lähedased absoluutselt mustale kehale. Väga hea musta korpuse mudel on väikese auguga (O) suletud õõnsus. Õõnsuse seinad on mustaks muutunud (joonis fig. 26.2.
Sellesse auku sisenev kiir neeldub pärast korduvaid peegeldusi seintelt peaaegu täielikult. Sarnased seadmed
Riis. 26.2. Must kerega mudel
kasutatakse valguse etalonidena, kasutatakse kõrgete temperatuuride mõõtmisel jne.
Absoluutselt musta keha energia heleduse spektraaltihedust tähistatakse ε(λ,Τ). See funktsioon mängib soojuskiirguse teoorias olulist rolli. Selle vorm määrati esmalt eksperimentaalselt ja seejärel saadi teoreetiliselt (Plancki valem).
Absoluutselt valge keha– keha, mille neeldumistegur on kõikide lainepikkuste puhul null: α = 0.
Päris valgeid kehasid looduses ei leidu, küll aga leidub kehasid, mis on neile omadustelt lähedased üsna laias temperatuuride ja lainepikkuste vahemikus. Näiteks peegel spektri optilises osas peegeldab peaaegu kogu langevat valgust.
Hall keha on keha, mille neeldumistegur ei sõltu lainepikkusest: α = const< 1.
Mõnel päriskehal on see omadus teatud lainepikkuste ja temperatuuride vahemikus. Näiteks võib inimese nahka infrapunapiirkonnas pidada “halliks” (α = 0,9).
26.2. Kirchhoffi seadus
Kvantitatiivse seose kiirguse ja neeldumise vahel tegi kindlaks G. Kirchhoff (1859).
Kirchhoffi seadus- suhtumine emissioon keha omale neeldumisvõime on kõigi kehade jaoks sama ja võrdub absoluutselt musta keha energia heleduse spektraaltihedusega:
Märgime selle seaduse mõningaid tagajärgi.
1. Kui keha antud temperatuuril ei neela mingit kiirgust, siis ta seda ei kiirga. Tõepoolest, kui selleks
26.3. Musta keha kiirguse seadused
Musta keha kiirguse seadused kehtestati järgmises järjestuses.
1879. aastal tegi katseliselt J. Stefan ja 1884. aastal L. Boltzmann teoreetiliselt kindlaks energeetiline heledus täiesti must keha.
Stefan-Boltzmanni seadus - Täiesti musta keha energeetiline heledus on võrdeline selle absoluutse temperatuuri neljanda astmega:
Mõnede materjalide neeldumistegurite väärtused on toodud tabelis. 26.1.
Tabel 26.1. Neeldumiskoefitsiendid
Saksa füüsik W. Wien (1893) koostas valemi lainepikkuse jaoks, mille juures maksimum tekib emissioon täiesti must keha. Suhtarv, mille ta sai, nimetati tema järgi.
Temperatuuri tõustes maksimaalne emissioon vahetused vasakule (joonis 26.3).
Riis. 26.3. Viini nihkeseaduse illustratsioon
Tabelis 26.2 näitab spektri nähtavas osas värve, mis vastavad kehade kiirgusele erinevatel temperatuuridel.
Tabel 26.2. Kuumutatud kehade värvid
Stefan-Boltzmanni ja Wieni seadusi kasutades on võimalik määrata kehade temperatuure nende kehade kiirgust mõõtes. Näiteks nii määratakse päikesepinna temperatuur (~6000 K), temperatuur plahvatuse epitsentris (~10 6 K) jne. Nende meetodite üldnimetus on püromeetria.
1900. aastal sai M. Planck arvutamise valemi emissioon täiesti must keha teoreetiliselt. Selleks pidi ta loobuma klassikalistest ideedest järjepidevus elektromagnetlainete kiirguse protsess. Plancki sõnul koosneb kiirgusvoog eraldi osadest - kvantid, mille energiad on võrdelised valguse sagedustega:
Valemist (26.11) saab teoreetiliselt saada Stefan-Boltzmanni ja Wieni seadused.
26.4. Päikesest lähtuv kiirgus
Päikesesüsteemis on Päike võimsaim soojuskiirguse allikas, mis määrab elu Maal. Päikesekiirgusel on tervendavad omadused (helioteraapia) ja seda kasutatakse kõvenemise vahendina. Sellel võib olla ka negatiivne mõju kehale (põletus, kuumus
Päikese kiirguse spektrid Maa atmosfääri piiril ja Maa pinnal on erinevad (joon. 26.4).
Riis. 26.4. Päikese kiirgusspekter: 1 - atmosfääri piiril, 2 - Maa pinnal
Atmosfääri piiril on Päikese spekter lähedane täiesti musta keha spektrile. Maksimaalne emissioon tekib kell λ 1max= 470 nm (sinine värv).
Maa pinnal on päikesekiirguse spekter keerukama kujuga, mis on seotud neeldumisega atmosfääris. Eelkõige ei sisalda see elusorganismidele kahjulikku ultraviolettkiirguse kõrgsageduslikku osa. Osoonikiht neelab need kiired peaaegu täielikult. Maksimaalne emissioon tekib kell λ 2max= 555 nm (roheline-kollane), mis vastab parimale silmade tundlikkusele.
Päikesest lähtuva soojuskiirguse voog Maa atmosfääri piiril määrab päikesekonstant I.
Maapinnale jõudev voog on atmosfääris neeldumise tõttu oluliselt väiksem. Kõige soodsamatel tingimustel (päike seniidis) ei ületa see 1120 W/m2. Moskvas suvise pööripäeva ajal (juuni) - 930 W/m2.
Nii päikesekiirguse võimsus maapinnal kui ka selle spektraalne koostis sõltuvad kõige olulisemalt Päikese kõrgusest horisondi kohal. Joonisel fig. Joonisel 26.5 on kujutatud päikeseenergia silutud jaotuskõveraid: I - väljaspool atmosfääri; II - kui Päike on seniidis; III - 30° kõrgusel horisondi kohal; IV - päikesetõusu ja -loojangu lähedastes tingimustes (10° horisondi kohal).
Riis. 26.5. Energiajaotus päikesespektris erinevatel kõrgustel horisondi kohal
Päikese spektri erinevad komponendid läbivad Maa atmosfääri erinevalt. Joonis 26.6 näitab atmosfääri läbipaistvust Päikese suurel kõrgusel.
26.5. Termograafia füüsikalised alused
Inimese soojuskiirgus moodustab olulise osa tema soojuskadudest. Inimese kiirguskaod võrdub vahega emiteeritud voolu ja imendunud keskkonna kiirgusvoog. Kiirguskao võimsus arvutatakse valemi abil
kus S on pindala; δ - naha (rõivaste) vähenenud neeldumistegur, mida peetakse hall keha; T 1 - kehapinna temperatuur (riided); T 0 - ümbritseva õhu temperatuur.
Mõelge järgmisele näitele.
Arvutame lahti riietatud inimese kiirguskadude võimsuse ümbritseva õhu temperatuuril 18°C (291 K). Oletame: keha pindala S = 1,5 m2; naha temperatuur T 1 = 306 K (33 °C). Antud naha neeldumistegur on leitav tabelist. 26.1 (δ = 5,1*10 -8 W/m 2 K 4). Asendades need väärtused valemiga (26.11), saame
P = 1,5*5,1*10 -8 * (306 4–291 4) ≈122 W.
Riis. 26.6. Maa atmosfääri läbipaistvus (protsentides) spektri erinevate osade jaoks Päikese suurtel kõrgustel.
Inimese soojuskiirgust saab kasutada diagnostilise parameetrina.
Termograafia - diagnostikameetod, mis põhineb inimkeha pinnalt või selle üksikutest osadest lähtuva soojuskiirguse mõõtmisel ja registreerimisel.
Temperatuuri jaotust väikesel kehapinnal saab määrata spetsiaalsete vedelkristallkilede abil. Sellised kiled on tundlikud väikeste temperatuurimuutuste suhtes (muuta värvi). Seetõttu ilmub filmile värviline termiline "portree" kehapiirkonnast, millele see kantakse.
Täiustatud meetod on kasutada termokaameraid, mis muudavad infrapunakiirguse nähtavaks valguseks. Keha kiirgus projitseeritakse spetsiaalse läätse abil termokaamera maatriksile. Pärast teisendamist moodustub ekraanile detailne termoportree. Erineva temperatuuriga alad erinevad värvi või intensiivsuse poolest. Kaasaegsed meetodid võimaldavad salvestada temperatuuride erinevusi kuni 0,2 kraadi.
Termoportreesid kasutatakse funktsionaalses diagnostikas. Erinevad siseorganite patoloogiad võivad pinnale moodustada muutunud temperatuuriga nahatsoone. Selliste tsoonide tuvastamine näitab patoloogia olemasolu. Termograafiline meetod hõlbustab hea- ja pahaloomuliste kasvajate diferentsiaaldiagnostikat. See meetod on objektiivne vahend terapeutilise ravi efektiivsuse jälgimiseks. Seega leiti psoriaasiga patsientide termograafilise uuringu käigus, et naastude väljendunud infiltratsiooni ja hüperemia korral täheldatakse temperatuuri tõusu. Enamikul juhtudel näitab temperatuuri langus ümbritsevate piirkondade tasemele regressioon protsess nahal.
Kõrgenenud temperatuur on sageli nakkuse näitaja. Inimese temperatuuri määramiseks vaadake lihtsalt läbi infrapunaseadme tema nägu ja kaela. Tervetel inimestel on otsaesise temperatuuri ja unearteri temperatuuri suhe vahemikus 0,98–1,03. Seda suhet saab kasutada kiirdiagnostikaks epideemiate ajal karantiinimeetmete läbiviimiseks.
26.6. Fototeraapia. Ultraviolettvalguse terapeutiline kasutamine
Meditsiinis kasutatakse laialdaselt infrapunakiirgust, nähtavat valgust ja ultraviolettkiirgust. Tuletagem meelde nende lainepikkuste vahemikke:
Fototeraapia nimetatakse infrapuna- ja nähtava kiirguse kasutamiseks meditsiinilistel eesmärkidel.
Kudedesse tungides põhjustavad infrapunakiired (nagu nähtavad) neeldumiskohas soojuse eraldumist. Infrapuna- ja nähtavate kiirte nahasse tungimise sügavus on näidatud joonisel fig. 26.7.
Riis. 26.7. Kiirguse läbitungimise sügavus nahka
Meditsiinipraktikas kasutatakse infrapunakiirguse allikatena spetsiaalseid kiiritajaid (joonis 26.8).
Minini lamp See on helkuriga hõõglamp, mis lokaliseerib kiirguse vajalikus suunas. Kiirgusallikaks on värvitust või sinisest klaasist valmistatud 20-60 W hõõglamp.
Kerge-termiline vann See on poolsilindriline raam, mis koosneb kahest poolest, mis on üksteisega liikuvalt ühendatud. Raami sisepinnale, näoga patsiendi poole, on paigaldatud 40 W võimsusega hõõglambid. Sellistes vannides puutub bioloogiline objekt kokku infrapuna- ja nähtava kiirgusega, samuti kuumutatud õhuga, mille temperatuur võib ulatuda 70°C-ni.
Solluxi lamp See on võimas hõõglamp, mis on paigutatud statiivile spetsiaalsesse helkurisse. Kiirgusallikaks on 500 W hõõglamp (volframhõõgniidi temperatuur 2800°C, maksimaalne kiirgus tekib 2 μm lainepikkusel).
Riis. 26.8. Kiiritajad: Minin lamp (a), kerge kuumusega vann (b), Solluxi lamp (c)
Ultraviolettvalguse terapeutiline kasutamine
Meditsiinilistel eesmärkidel kasutatav ultraviolettkiirgus jaguneb kolme vahemikku:
Ultraviolettkiirguse neeldumisel kudedesse (nahasse) tekivad mitmesugused fotokeemilised ja fotobioloogilised reaktsioonid.
Kasutatud kiirgusallikad on kõrgsurvelambid(kaar, elavhõbe, torukujuline), luminestsents lambid, gaaslahendus madalrõhulambid,Üks nendest sortidest on bakteritsiidsed lambid.
A-kiirgus on erüteemilise ja päevitava toimega. Seda kasutatakse paljude dermatoloogiliste haiguste raviks. Mõned furokumariini seeria keemilised ühendid (näiteks psoraleen) võivad nende patsientide nahka sensibiliseerida pikalainelise ultraviolettkiirguse suhtes ja stimuleerida melaniini pigmendi moodustumist melanotsüütides. Nende ravimite kombineeritud kasutamine A-kiirgusega on ravimeetodi aluseks nn fotokemoteraapia või PUVA teraapia(PUVA: P - psoraleen; UVA - A-tsooni ultraviolettkiirgus). Osa või kogu keha puutub kokku kiirgusega.
B-kiirgus omab vatimiini moodustavat, rahhiidivastast toimet.
C-kiirgus omab bakteritsiidset toimet. Kiiritamisel hävib mikroorganismide ja seente struktuur. C-kiirgust tekitavad spetsiaalsed bakteritsiidsed lambid (joon. 26.9).
Mõned ravimeetodid kasutavad vere kiiritamiseks C-kiirgust.
Ultraviolett paastumine. Ultraviolettkiirgus on vajalik organismi normaalseks arenguks ja toimimiseks. Selle puudus põhjustab mitmeid tõsiseid haigusi. Ekstreemsete tingimuste elanikud seisavad silmitsi ultraviolettnäljaga
Riis. 26.9. Bakteritsiidne kiiritaja (a), ninaneelu kiiritaja (b)
Põhja, mäetööstuse töötajad, metroo, suurte linnade elanikud. Linnades seostatakse ultraviolettkiirguse puudumist atmosfääriõhu saastatusega tolmu, suitsu ja gaasidega, mis säilitavad päikesespektri UV-osa. Ruumiaknad ei lase läbi UV-kiiri lainepikkusega λ< 310 нм. Значительно снижают УФ-поток загрязненные стекла и занавеси (тюлевые занавески снижают УФ-излучение на 20 %). Поэтому на многих производствах и в быту наблюдается так называемая «биологическая полутьма». В первую очередь страдают дети (возрастает вероятность заболевания рахитом).
Ultraviolettkiirguse ohud
Kokkupuude liigsega ultraviolettkiirguse doosid kehale tervikuna ja selle üksikutele organitele põhjustavad mitmete patoloogiate ilmnemist. Esiteks kehtib see kontrollimatu päevitamise tagajärgede kohta: põletused, vanuselaigud, silmakahjustused - fotooftalmia areng. Ultraviolettkiirguse mõju silmale on sarnane erüteemiga, kuna see on seotud valkude lagunemisega silma sarvkesta ja limaskestade rakkudes. Inimese elusad naharakud on kaitstud UV-kiirte hävitava mõju eest.
mi" naha sarvkihi rakud. Silmad jäävad sellest kaitsest ilma, seetõttu tekivad silmad märkimisväärse kiirgusdoosi korral pärast varjatud perioodi sarvkesta (keratiit) ja limaskestade põletik (konjunktiviit). Seda efekti põhjustavad kiired lainepikkusega alla 310 nm. Silma on vaja kaitsta selliste kiirte eest. Erilist tähelepanu tuleks pöörata UV-kiirguse blastomogeensele toimele, mis põhjustab nahavähi teket.
26.7. Põhimõisted ja valemid
Tabeli jätk
Tabeli lõpp
26.8. Ülesanded
2.
Tehke kindlaks, mitu korda erinevad energia heledused inimese kehapinna piirkondades, mille temperatuur on vastavalt 34 ja 33 °C?
3.
Rinnakasvaja diagnoosimisel termograafia abil antakse patsiendile juua glükoosilahust. Mõne aja pärast registreeritakse kehapinna soojuskiirgus. Kasvajakoe rakud absorbeerivad intensiivselt glükoosi, mille tulemusena suureneb nende soojuse tootmine. Mitme kraadi võrra muutub kasvaja kohal oleva nahapiirkonna temperatuur, kui pinnakiirgus suureneb 1% (1,01 korda)? Kehapiirkonna algtemperatuur on 37°C.
6.
Kui palju tõusis inimese kehatemperatuur, kui kehapinna kiirgusvoog suurenes 4% võrra? Esialgne kehatemperatuur on 35 ° C.
7.
Ruumis on kaks identset veekeetjat, mis sisaldavad võrdses koguses 90°C vett. Üks neist on nikeldatud ja teine on tume. Milline veekeetja jahtub kiiremini? Miks?
Lahendus
Kirchhoffi seaduse järgi on emissiooni- ja neeldumisvõimete suhe kõigil kehadel ühesugune. Nikkeldatud teekann peegeldab peaaegu kogu valguse. Seetõttu on selle neeldumisvõime madal. Emissiivsus on vastavalt madal.
Vastus: Tume veekeetja jahtub kiiremini.
8. Kahjurimardikate hävitamiseks eksponeeritakse teravilja infrapunakiirgust. Miks putukad surevad, aga vili mitte?
Vastus: vead on must värvi, seetõttu neelavad nad intensiivselt infrapunakiirgust ja surevad.
9. Terasetüki kuumutamisel jälgime 800°C juures eredat kirsipunast kuumust, kuid samal temperatuuril sulatatud kvartsist läbipaistev varras ei hõõgu üldse. Miks?
Lahendus
Vaata ülesannet 7. Läbipaistev keha neelab väikese osa valgusest. Seetõttu on selle kiirgusvõime madal.
Vastus: läbipaistev keha praktiliselt ei kiirga isegi väga kuumutades.
10. Miks paljud loomad magavad külma ilmaga palli sisse kerituna?
Vastus: samal ajal väheneb keha avatud pind ja vastavalt vähenevad kiirguskaod.
Energiat, mida keha soojuskiirguse tõttu kaotab, iseloomustavad järgmised suurused.
Kiirgusvoog (F) - kogu keha pinnalt ajaühikus eralduv energia.
Tegelikult on see soojuskiirguse võimsus. Kiirgusvoo mõõde on [J/s = W].
Energia heledus (Re) - kuumutatud keha pinnaühikult ajaühikus emiteeritud soojuskiirguse energia:
SI-süsteemis mõõdetakse energeetilist heledust - [W/m 2 ].
Kiirgusvoog ja energeetiline heledus sõltuvad aine struktuurist ja temperatuurist: Ф = Ф(Т),
Seda iseloomustab energeetilise heleduse jaotus soojuskiirguse spektris spektraalne tihedus. Tähistame soojuskiirguse energiat, mida kiirgab ühikpind 1 sekundi jooksul kitsas lainepikkuste vahemikus alates λ enne λ +d λ, dRe kaudu.
Spektri heleduse tihedus (r) või emissiivsus Energeetilise heleduse suhet spektri kitsas osas (dRe) selle osa laiusesse (dλ) nimetatakse:
Spektrilise tiheduse ja energeetilise heleduse (dRe) ligikaudne vorm lainepikkuste vahemikus alates λ enne λ +d λ, näidatud joonisel fig. 13.1.
Riis. 13.1. Energeetilise heleduse spektraalne tihedus
Energeetilise heleduse spektraaltiheduse sõltuvust lainepikkusest nimetatakse keha kiirgusspekter.
Selle sõltuvuse tundmine võimaldab arvutada keha energeetilise heleduse mis tahes lainepikkuste vahemikus. Keha energeetilise heleduse arvutamise valem lainepikkuste vahemikus on järgmine: 
Kogu heledus on: 
Kehad mitte ainult ei eralda, vaid ka neelavad soojuskiirgust. Keha võime neelata kiirgusenergiat sõltub tema ainest, temperatuurist ja kiirguse lainepikkusest. Organismi imamisvõimet iseloomustavad monokromaatiline neeldumistegur α.
Laske ojal langeda keha pinnale ühevärviline kiirgus Φ λ lainepikkusega λ. Osa sellest voolust peegeldub ja osa imendub kehasse. Tähistame neeldunud voo suurust Φ λ abs.
Monokromaatiline neeldumistegur α λ on antud kehas neeldunud kiirgusvoo ja langeva monokromaatilise voo suuruse suhe: 
Monokromaatiline neeldumistegur on mõõtmeteta suurus. Selle väärtused jäävad nulli ja ühe vahele: 0 ≤ α ≤ 1.
Funktsioon α = α(λ,Τ) , mis väljendab monokromaatilise neeldumisteguri sõltuvust lainepikkusest ja temperatuurist, nimetatakse neeldumisvõime kehad. Selle välimus võib olla üsna keeruline. Allpool käsitletakse lihtsamaid absorptsiooni liike.
Puhas must keha on keha, mille neeldumistegur on võrdne kõigi lainepikkuste ühtsusega: α = 1.
Hall keha on keha, mille neeldumistegur ei sõltu lainepikkusest: α = const< 1.
Absoluutselt valge keha on keha, mille neeldumistegur on kõigil lainepikkustel null: α = 0.
Kirchhoffi seadus
Kirchhoffi seadus- keha kiirgus- ja neeldumisvõime suhe on kõigil kehadel ühesugune ja võrdne absoluutselt musta keha energia heleduse spektraaltihedusega:
= /
Seaduse tagajärg:
1. Kui keha antud temperatuuril ei neela mingit kiirgust, siis ta seda ei kiirga. Tõepoolest, kui teatud lainepikkuse puhul on neeldumistegur α = 0, siis r = α∙ε(λT) = 0
1. Samal temperatuuril must keha kiirgab rohkem kui ükski teine. Tõepoolest, kõigi kehade jaoks, välja arvatud must,α < 1, поэтому для них r = α∙ε(λT) < ε
2. Kui teatud keha puhul määrame eksperimentaalselt monokromaatilise neeldumisteguri sõltuvuse lainepikkusest ja temperatuurist - α = r = α(λT), siis saame arvutada selle kiirguse spektri.
SOOJUSKIIRGUS Stefan Boltzmanni seadus Seos energia heleduse R e ja musta keha energia heleduse spektraaltiheduse vahel Halli keha energia heledus Wieni nihkeseadus (1. seadus) Musta keha energia heleduse maksimaalse spektraaltiheduse sõltuvus keha temperatuurist (2. seadus) Plancki valem
SOOJUSKIIRGUS 1. Päikeseenergia heleduse maksimaalne spektraaltihedus tekib lainepikkusel = 0,48 mikronit. Eeldusel, et Päike kiirgab musta kehana, määra: 1) tema pinna temperatuur; 2) selle pinna poolt väljastatav võimsus. Wieni nihkeseaduse järgi Päikese pinna poolt kiiratav võimsus Stefan Boltzmanni seaduse järgi,
SOOJUSKIIRGUS 2. Määrata soojushulk, mis sulanud plaatina pinnalt 1 minuti jooksul 50 cm 2 võrra kaob, kui plaatina neeldumisvõime A T = 0,8. Plaatina sulamistemperatuur on 1770 °C. Plaatina kaotatud soojushulk võrdub selle kuuma pinna poolt väljastatava energiaga.Stefan Boltzmanni seaduse järgi
SOOJUSKIIRGUS 3. Elektriahi tarbib võimsust P = 500 W. Selle sisepinna temperatuur avatud väikese auguga läbimõõduga d = 5,0 cm on 700 °C. Kui suure osa energiatarbimisest seinad hajutavad? Koguvõimsus määratakse läbi augu vabaneva võimsuse summaga, mille seinad hajutavad. Vastavalt Stefan Boltzmanni seadusele,
SOOJUSKIIRGUS 4 Volframniit kuumutatakse vaakumis jõuvooluga I = 1 A temperatuurini T 1 = 1000 K. Millise voolutugevusega hõõgniit kuumutatakse temperatuurini T 2 = 3000 K? Temperatuuridele T 1, T 2 vastavad volframi neeldumistegurid ja selle takistus on võrdsed: a 1 = 0,115 ja a 2 = 0,334; 1 = 25, Ohm m, 2 = 96, Ohm m Väljuv võimsus on võrdne püsiseisundis elektriahelast tarbitava võimsusega Juhis vabanev elektrienergia Vastavalt Stefan Boltzmanni seadusele,
SOOJUSKIIRGUS 5. Päikese spektris esineb energia heleduse maksimaalne spektraalne tihedus lainepikkusel ,0 = 0,47 mikronit. Eeldades, et Päike kiirgab täiesti musta kehana, leidke päikesekiirguse intensiivsus (st kiirgusvoo tihedus) Maa lähedal väljaspool selle atmosfääri. Valgustugevus (kiirguse intensiivsus) Valgusvoog Stefan Boltzmanni ja Wieni seaduste järgi
SOOJUSKIIRGUS 6. Lainepikkus 0, mis moodustab maksimaalse energia musta keha kiirgusspektris, on 0,58 mikronit. Määrake energia heleduse maksimaalne spektraalne tihedus (r, T) max, mis on arvutatud lainepikkuse intervallile = 1 nm, 0 lähedal. Energia heleduse maksimaalne spektraaltihedus on võrdeline temperatuuri viienda astmega ja seda väljendab Wieni 2. seadus. Temperatuuri T väljendatakse Wieni nihkeseadusest väärtus C on antud SI ühikutes, milles ühiku lainepikkuse intervall = 1 m. Vastavalt ülesande tingimustele on vaja arvutada lainepikkuse intervallile 1 arvutatud spektraalne heleduse tihedus nm, seega kirjutame välja C väärtuse SI ühikutes ja arvutame selle antud lainepikkuse intervalli jaoks ümber:
SOOJUSKIIRGUS 7. Päikese kiirgusspektri uuring näitab, et energia heleduse maksimaalne spektraalne tihedus vastab lainepikkusele = 500 nm. Võttes Päikese musta kehana, määrake: 1) Päikese energeetiline heledus R e; 2) Päikese poolt väljastatav energiavoog F e; 3) Päikese poolt 1 s jooksul kiiratavate elektromagnetlainete mass (igasuguse pikkusega). 1. Stefan Boltzmanni ja Wieni seaduste järgi 2. Valgusvoog 3. Päikese poolt kiiratavate elektromagnetlainete massi (kõik pikkused) aja t = 1 s jooksul määrame massi ja energia proportsionaalsuse seaduse rakendamise teel. E = ms 2. Aja jooksul t kiiratud elektromagnetlainete energia võrdub energiavoo Ф e korrutisega ((kiirgusvõimsus) aja järgi: E=Ф e t. Seetõttu Ф e =ms 2, kust m= Ф e/s 2.
Keha energia heledus- - füüsikaline suurus, mis on temperatuuri funktsioon ja on arvuliselt võrdne energiaga, mida keha kiirgab ajaühikus pindalaühikult kõikides suundades ja kogu sagedusspektri ulatuses. J/s m²=W/m²
Energeetilise heleduse spektraalne tihedus- sageduse ja temperatuuri funktsioon, mis iseloomustab kiirgusenergia jaotust kogu sageduste (või lainepikkuste) spektris. , Sarnase funktsiooni saab kirjutada lainepikkuse järgi
Saab tõestada, et energia heleduse spektraaltihedus, väljendatuna sageduses ja lainepikkuses, on seotud seosega:
Absoluutselt must keha- termodünaamikas kasutatav füüsikaline idealisatsioon, keha, mis neelab kogu talle langeva elektromagnetkiirguse kõigis vahemikes ega peegelda midagi. Vaatamata nimele võib täiesti must keha ise kiirata mis tahes sagedusega elektromagnetkiirgust ja omada visuaalselt värvi. Absoluutselt musta keha kiirgusspektri määrab ainult selle temperatuur.
Absoluutselt musta keha tähtsus mistahes (hallide ja värviliste) kehade soojuskiirguse spektri küsimuses üldiselt, lisaks sellele, et see esindab kõige lihtsamat mittetriviaalset juhtumit, seisneb ka selles, et küsimus mistahes värvi ja peegeldusteguriga kehade tasakaalulise soojuskiirguse spektrist taandatakse klassikalise termodünaamika meetoditega absoluutselt musta keha kiirguse küsimusele (ja ajalooliselt tehti seda juba 19. sajandi lõpuks, kui kerkis esile absoluutselt musta keha kiirguse probleem).
Absoluutselt musti kehasid looduses ei eksisteeri, seega kasutatakse füüsikas katseteks mudelit. See on suletud õõnsus, millel on väike auk. Selle augu kaudu sisenev valgus neeldub pärast korduvaid peegeldusi täielikult ja augu väliskülg tundub täiesti must. Kuid kui seda õõnsust kuumutatakse, tekib sellel oma nähtav kiirgus. Kuna õõnsuse siseseinte eralduv kiirgus läbib enne selle lahkumist (lõppude lõpuks on auk väga väike) valdaval enamikul juhtudel tohutul hulgal uut neeldumist ja kiirgust, võime kindlalt öelda, et õõnsuse sees olev kiirgus on seintega termodünaamilises tasakaalus. (Tegelikult pole auk selle mudeli puhul üldse oluline, seda on vaja vaid sees oleva kiirguse fundamentaalse jälgitavuse rõhutamiseks, augu saab näiteks täielikult sulgeda ja kiiresti avada alles siis, kui tasakaal on juba tekkinud ja mõõtmine toimub).
2. Kirchhoffi kiirgusseadus- füüsikaseadus, mille kehtestas saksa füüsik Kirchhoff 1859. aastal. Seadus kõlab oma tänapäevases sõnastuses järgmiselt: Iga keha emissiooni ja neeldumisvõime suhe on kõikide kehade puhul antud temperatuuril antud sagedusel ühesugune ega sõltu nende kujust, keemilisest koostisest jne.
On teada, et kui elektromagnetkiirgus langeb teatud kehale, siis osa sellest peegeldub, osa neeldub ja osa saab edasi kanduda. Antud sagedusel neeldunud kiirguse osa nimetatakse neeldumisvõime keha. Teisest küljest eraldab iga kuumutatud keha energiat vastavalt mõnele seadusele, mida nimetatakse keha emissioon.
Ühest kehast teise liikumisel võivad väärtused ja väärtused suuresti erineda, kuid vastavalt Kirchhoffi kiirgusseadusele ei sõltu kiirgus- ja neeldumisvõimete suhe keha olemusest ning on sageduse universaalne funktsioon ( lainepikkus) ja temperatuur:
Definitsiooni järgi neelab absoluutselt must keha kogu talle langeva kiirguse, see tähendab tema jaoks. Seetõttu langeb funktsioon kokku Stefan-Boltzmanni seadusega kirjeldatud absoluutselt musta keha emissiooniga, mille tulemusena saab iga keha kiirgusvõime leida ainult selle neeldumisvõime põhjal.
Stefan-Boltzmanni seadus- musta keha kiirguse seadus. Määrab absoluutselt musta keha kiirgusvõimsuse sõltuvuse selle temperatuurist. Seaduse väide: Absoluutselt musta keha kiirgusvõimsus on võrdeline pindalaga ja kehatemperatuuri neljanda astmega: P = Sεσ T 4, kus ε on emissiooniaste (kõikide ainete puhul ε< 1, для абсолютно черного тела ε = 1).
Kasutades Plancki kiirgusseadust, saab konstanti σ määratleda nii, et kus on Plancki konstant, k- Boltzmanni konstant, c- valguse kiirus.
Arvväärtus J s −1 m −2 K −4.
Saksa füüsik W. Wien (1864-1928) tegi termo- ja elektrodünaamika seadustele tuginedes kindlaks funktsiooni maksimumile vastava lainepikkuse l max sõltuvuse. r l , T , temperatuuril T. Vastavalt Viini nihkeseadus,l max =b/T
st lainepikkus l max, mis vastab energia heleduse spektraaltiheduse maksimaalsele väärtusele r l , T must keha, on pöördvõrdeline selle termodünaamilise temperatuuriga, b- Wieni konstant: selle katseväärtus on 2,9 10 -3 m K. Avaldist (199,2) nimetatakse seetõttu seaduseks tasaarvestused Viga on selles, et see näitab funktsiooni maksimumi asendi nihet r l , T kui temperatuur tõuseb lühikeste lainepikkuste piirkonda. Wieni seadus selgitab, miks kuumutatud kehade temperatuuri langedes domineerib nende spektris järjest enam pikalaineline kiirgus (näiteks valge soojuse üleminek punaseks soojuseks metalli jahtumisel).
Hoolimata asjaolust, et Stefan-Boltzmanni ja Wieni seadused mängivad soojuskiirguse teoorias olulist rolli, on need eriseadused, kuna need ei anna üldist pilti energia sagedusjaotusest erinevatel temperatuuridel.
3. Las selle õõnsuse seinad peegeldavad täielikult neile langevat valgust. Asetame õõnsusse mingi keha, mis kiirgab valgusenergiat. Õõnsuse sees tekib elektromagnetväli ja lõpuks täidetakse see kiirgusega, mis on kehaga termilises tasakaalus. Tasakaal tekib ka juhul, kui mingil viisil on täielikult välistatud uuritava keha soojusvahetus ümbritseva keskkonnaga (näiteks viime selle mõttelise eksperimendi läbi vaakumis, kui soojusjuhtivuse ja soojusjuhtivuse nähtused puuduvad konvektsioon). Ainult valguse emissiooni- ja neeldumisprotsesside kaudu saavutatakse tasakaal: kiirgava keha temperatuur on võrdne õõnsuse sees oleva ruumi isotroopselt täitva elektromagnetkiirguse temperatuuriga ja iga valitud keha pinnaosa kiirgab palju energiat ajaühiku kohta, kui see neelab. Sel juhul peab tasakaal toimuma sõltumata suletud õõnsusse paigutatud keha omadustest, mis aga mõjutavad tasakaalu saavutamiseks kuluvat aega. Elektromagnetvälja energiatiheduse õõnsuses, nagu allpool näidatud, määrab tasakaaluolekus ainult temperatuur.
Tasakaalulise soojuskiirguse iseloomustamiseks ei ole oluline mitte ainult mahuline energiatihedus, vaid ka selle energia jaotus spektris. Seetõttu iseloomustame õõnsuses ruumi isotroopselt täitvat tasakaalukiirgust funktsiooni abil u ω - spektraalne kiirgustihedus, st keskmine energia elektromagnetvälja ruumalaühiku kohta, mis on jaotatud sagedusvahemikus ω kuni ω + δω ja seotud selle intervalli väärtusega. Ilmselgelt tähendus uω peaks oluliselt sõltuma temperatuurist, seega tähistame seda u(ω, T). Koguenergia tihedus U(T) seostatud u(ω, T) valem.
Rangelt võttes on temperatuuri mõiste rakendatav ainult tasakaalulise soojuskiirguse puhul. Tasakaalutingimustes peab temperatuur jääma konstantseks. Temperatuuri mõistet kasutatakse aga sageli ka hõõguvate kehade iseloomustamiseks, mis ei ole kiirgusega tasakaalus. Veelgi enam, süsteemi parameetrite aeglase muutumisega on igal ajaperioodil võimalik iseloomustada selle temperatuuri, mis muutub aeglaselt. Nii et näiteks kui soojuse sissevool puudub ja kiirgus on tingitud helendava keha energia vähenemisest, siis langeb ka selle temperatuur.
Teeme seose täiesti musta keha kiirgustiheduse ja tasakaalukiirguse spektraaltiheduse vahel. Selleks arvutame välja energiavoo, mis langeb ühele alale, mis asub suletud õõnsuses, mis on täidetud keskmise tihedusega elektromagnetilise energiaga U ω . Laske kiirgusel langeda pindalaühikule nurkade θ ja ϕ poolt määratud suunas (joonis 6a) ruuminurga dΩ piires:
Kuna tasakaalukiirgus on isotroopne, on antud ruuminurga all leviv osa võrdne õõnsust täitva koguenergiaga. Pindalaühikut läbiv elektromagnetilise energia voog ajaühikus
Asendamine dΩ avaldise ja integreerimisega üle ϕ piirides (0, 2π) ja üle θ piirides (0, π/2), saame kogu energiavoo, mis langeb pindalaühikule:
Ilmselgelt on tasakaalutingimustes vaja võrdsustada absoluutselt musta keha kiirgusvõime väljendus (13) rω, mis iseloomustab platvormi kiirgavat energiavoogu ühikulises sagedusvahemikus ω lähedal:
Seega on näidatud, et täiesti musta keha emissioon kuni koefitsiendini c/4 langeb kokku tasakaalukiirguse spektraaltihedusega. Võrdsus (14) peab olema täidetud iga kiirguse spektraalkomponendi puhul, seega järeldub, et f(ω, T)= u(ω, T) (15)
Kokkuvõtteks juhime tähelepanu sellele, et absoluutse musta keha kiirgus (näiteks õõnsuses oleva väikese augu poolt kiiratav valgus) ei ole enam tasakaalus. Eelkõige ei ole see kiirgus isotroopne, kuna see ei levi igas suunas. Kuid sellise kiirguse energiajaotus spektri ulatuses langeb kokku tasakaalulise kiirguse spektraaltihedusega, mis täidab isotroopselt õõnsuse sees oleva ruumi. See võimaldab kasutada seost (14), mis kehtib igal temperatuuril. Ühelgi teisel valgusallikal ei ole spektris sarnast energiajaotust. Näiteks gaaside elektrilahendus või keemiliste reaktsioonide mõjul hõõguv hõõg on spektrid, mis erinevad oluliselt absoluutselt musta keha hõõgumisest. Energia jaotus hõõgkehade spektris erineb märgatavalt ka absoluutselt musta keha kumast, mis oli suurem, kui võrrelda ühise valgusallika (volframhõõgniidiga hõõglambid) ja absoluutselt musta keha spektreid.
4. Põhineb energia võrdse jaotumise seadusest vabadusastmete vahel: iga elektromagnetilise võnkumise jaoks on keskmiselt energia, mis on kahe osa kT summa. Ühe poole moodustab laine elektriline komponent ja teise magnetkomponent. Iseenesest võib õõnsuses olevat tasakaalukiirgust kujutada seisvate lainete süsteemina. Seisulainete arv kolmemõõtmelises ruumis saadakse järgmiselt:
Meie puhul kiirus v tuleks määrata võrdseks c Pealegi võivad kaks sama sagedusega, kuid üksteisega risti polarisatsiooniga elektromagnetlainet liikuda samas suunas, siis (1) tuleks lisaks korrutada kahega:
Niisiis, Rayleigh ja Jeans, igale vibratsioonile määrati energia. Korrutades (2) -ga, saame energiatiheduse, mis langeb sagedusvahemikule dω:
Täiesti musta keha emissiooni vahelise seose tundmine f(ω, T) soojuskiirguse energia tasakaalutihedusega, jaoks f(ω, T) leiame: Avaldised (3) ja (4) kutsutakse Rayleigh-Jeansi valem.
Valemid (3) ja (4) nõustuvad rahuldavalt eksperimentaalsete andmetega ainult pikkade lainepikkuste puhul; lühematel lainepikkustel on kokkulepe katsega järsult erinev. Lisaks integreerimine (3) üle ω vahemikus 0 kuni tasakaalulise energiatiheduse jaoks u(T) annab lõpmata suure väärtuse. See tulemus, nn ultraviolettkiirguse katastroof, on ilmselgelt eksperimendiga vastuolus: tasakaal kiirguse ja kiirgava keha vahel tuleb kehtestada lõplike väärtustega u(T).
Ultraviolettkatastroof- füüsikaline termin, mis kirjeldab klassikalise füüsika paradoksi, mis seisneb selles, et iga kuumutatud keha soojuskiirguse koguvõimsus peab olema lõpmatu. Paradoks sai oma nime tänu sellele, et kiirguse spektraalne võimsustihedus oleks pidanud lainepikkuse lühenemisel määramatult suurenema. Sisuliselt näitas see paradoks kui mitte klassikalise füüsika sisemist ebakõla, siis vähemalt üliteravat (absurdset) ebakõla elementaarsete vaatluste ja katsega.
5. Plancki hüpotees- Max Plancki 14. detsembril 1900 püstitatud hüpotees, mis väidab, et soojuskiirguse ajal ei kiirgata ja neeldub energiat mitte pidevalt, vaid eraldi kvantidena (osadena). Igal sellisel kvantosal on energiat , võrdeline sagedusega ν kiirgus:
Kus h või - proportsionaalsuskoefitsient, mida hiljem nimetatakse Plancki konstandiks. Sellele hüpoteesile tuginedes pakkus ta välja teoreetilise tuletise keha temperatuuri ja selle keha poolt kiiratava kiirguse vahelise seose kohta – Plancki valemi.
Plancki valem- musta keha kiirguse spektraalse võimsustiheduse avaldis, mille sai Max Planck. Kiirgusenergia tiheduse jaoks u(ω, T):
Plancki valem saadi pärast seda, kui selgus, et Rayleigh-Jeansi valem kirjeldab rahuldavalt kiirgust ainult pikalainelises piirkonnas. Valemi tuletamiseks tegi Planck 1900. aastal eelduse, et elektromagnetkiirgust kiirgatakse üksikute energiaosade (kvantide) kujul, mille suurus on seotud kiirguse sagedusega avaldise abil:
Proportsionaalsuskoefitsienti nimetati hiljem Plancki konstandiks = 1,054 · 10 −27 erg s.
Soojuskiirguse omaduste selgitamiseks oli vaja kasutusele võtta elektromagnetkiirguse portsjonite (kvantide) emissiooni mõiste. Kiirguse kvantloomust kinnitab ka lühilainepikkuse piirangu olemasolu bremsstrahlung-röntgenikiirguse spektris.
Röntgenkiirgus tekib tahkete sihtmärkide pommitamisel kiirete elektronidega.Siin on anood valmistatud W, Mo, Cu, Pt - rasketest tulekindlatest või suure soojusjuhtivusega metallidest. Elektronide energiast kulub kiirguseks vaid 1–3%, ülejäänu eraldub anoodil soojuse kujul, mistõttu anoodid jahutatakse veega. Anoodainesse sattudes kogevad elektronid tugevat inhibeerimist ja muutuvad elektromagnetlainete (röntgenikiirguse) allikaks.
Elektroni algkiirus anoodi tabamisel määratakse järgmise valemiga:
Kus U- kiirenduspinge.
>Märgatavat emissiooni täheldatakse ainult kiirete elektronide järsu aeglustumise korral alates U~ 50 kV, samas ( Koos- valguse kiirus). Induktsioonelektronide kiirendites - betatronides omandavad elektronid energiat kuni 50 MeV, = 0,99995 Koos. Suunates sellised elektronid tahkele sihtmärgile, saame lühikese lainepikkusega röntgenikiirguse. Sellel kiirgusel on suur läbitungiv jõud. Klassikalise elektrodünaamika kohaselt peaks elektroni aeglustumisel tekkima kõigi lainepikkustega kiirgus nullist lõpmatuseni. Lainepikkus, mille juures tekib maksimaalne kiirgusvõimsus, peaks elektronide kiiruse kasvades vähenema. Klassikalisest teooriast on aga põhimõtteline erinevus: nullvõimsuse jaotused ei lähe koordinaatide alguspunkti, vaid katkevad lõplike väärtuste juures – see on röntgenispektri lühikese lainepikkusega ots.
Eksperimentaalselt on kindlaks tehtud, et
Lühilainepiiri olemasolu tuleneb otseselt kiirguse kvantloomusest. Tõepoolest, kui kiirgus tekib elektroni pidurdamisel kaotatud energia tõttu, siis ei saa kvanti energia ületada elektroni energiat. eU, st. , siit või .
Selles katses saame määrata Plancki konstandi h. Plancki konstandi määramise meetoditest on kõige täpsem meetod, mis põhineb röntgenikiirguse spektri lühilainepikkuse piiri mõõtmisel.
7. Fotoefekt- see on elektronide emissioon ainest valguse (ja üldiselt öeldes igasuguse elektromagnetkiirguse) mõjul. Kondenseerunud ainetes (tahketes ja vedelates) esineb väline ja sisemine fotoelektriline efekt.
Fotoelektrilise efekti seadused:
Formulatsioon Fotoelektrilise efekti 1. seadus: metalli pinnalt kiirgavate elektronide arv ajaühikus antud sagedusel on otseselt võrdeline metalli valgustava valgusvooga.
Vastavalt Fotoelektrilise efekti 2. seadus, valguse poolt väljutatavate elektronide maksimaalne kineetiline energia suureneb lineaarselt valguse sagedusega ega sõltu selle intensiivsusest.
Fotoelektrilise efekti 3. seadus: iga aine jaoks on fotoefekti punane piir, st minimaalne valguse sagedus ν 0 (või maksimaalne lainepikkus λ 0), mille juures fotoefekt on veel võimalik, ja kui ν 0, siis fotoefekt enam mitte. esineb.
Nende seaduste teoreetilise selgituse andis 1905. aastal Einstein. Selle järgi on elektromagnetkiirgus üksikute kvantide (footonite) voog energiaga hν, kus h on Plancki konstant. Fotoelektrilise efekti korral peegeldub osa langevast elektromagnetkiirgusest metalli pinnalt ning osa tungib metalli pinnakihti ja neeldub seal. Pärast footoni neelamist saab elektron sellest energiat ja tööfunktsiooni täites lahkub metallist: hν = A välja + W e, Kus W e- maksimaalne kineetiline energia, mis elektronil metallist lahkudes võib olla.
Energia jäävuse seadusest tuleneb valguse esitamisel osakeste (footonite) kujul Einsteini fotoelektrilise efekti valem: hν = A välja + Ek
Kus A välja- nn tööfunktsioon (minimaalne energia, mis on vajalik elektroni eemaldamiseks ainest), Ek on emiteeritud elektroni kineetiline energia (olenevalt kiirusest saab arvutada relativistliku osakese kineetilise energia või mitte), ν on sagedus langeva footoni energiaga hν, h- Planck on konstantne.
Töö funktsioon- erinevus minimaalse energia (tavaliselt mõõdetuna elektronvoltides), mis tuleb anda elektronile selle "otseseks" eemaldamiseks tahke keha mahust, ja Fermi energia vahel.
Fotoefekti "punane" ääris- minimaalne sagedus või maksimaalne lainepikkus λ max valgus, mille juures on veel võimalik väline fotoelektriline efekt, st fotoelektronide algkineetiline energia on suurem kui null. Sagedus sõltub ainult väljundfunktsioonist A välja elektron: , kus A välja- konkreetse fotokatoodi tööfunktsioon, h on Plancki konstant ja Koos- valguse kiirus. Töö funktsioon A välja oleneb fotokatoodi materjalist ja selle pinna seisukorrast. Fotoelektronide emissioon algab kohe, kui fotokatoodile langeb valgus sagedusega või lainepikkusega λ.
d Φ e (\displaystyle d\Phi _(e)), mida kiirgab kiirgusallika pinna väike ala, selle piirkonda d S (\displaystyle dS) : M e = d Φ e d S . (\displaystyle M_(e)=(\frac (d\Phi _(e))(dS)).)Samuti öeldakse, et energeetiline heledus on emiteeritud kiirgusvoo pinnatihedus.
Numbriliselt on energeetiline heledus võrdne pinnaga risti oleva Poyntingi vektori komponendi aja keskmise mooduliga. Sel juhul tehakse keskmistamine aja jooksul, mis ületab oluliselt elektromagnetiliste võnkumiste perioodi.
Kiirdunud kiirgus võib tekkida pinnases endas, siis räägitakse isevalguvast pinnast. Teine võimalus on täheldatav, kui pind on väljastpoolt valgustatud. Sellistel juhtudel naaseb mõni osa langevast voost hajumise ja peegelduse tulemusena tingimata tagasi. Siis on energeetilise heleduse avaldis järgmine:
M e = (ρ + σ) ⋅ E e , (\displaystyle M_(e)=(\rho +\sigma)\cdot E_(e),)Kus ρ (\displaystyle \rho ) Ja σ (\displaystyle \sigma )- vastavalt pinna peegelduskoefitsient ja hajustegur ning - selle kiirgustihedus.
Muud energeetilise heleduse nimetused, mida mõnikord kasutatakse kirjanduses, kuid mida GOST ei näe ette: - emissioon Ja integraalne emissioon.
Energeetilise heleduse spektraalne tihedus
Energeetilise heleduse spektraalne tihedus M e , λ (λ) (\displaystyle M_(e,\lambda )(\lambda))- energeetilise heleduse suuruse suhe d M e (λ) , (\displaystyle dM_(e)(\lambda),) langeb väikesele spektrivahemikule d λ , (\displaystyle d\lambda ,) vahel sõlmitud λ (\displaystyle \lambda) Ja λ + d λ (\displaystyle \lambda +d\lambda), selle intervalli laiusele:
M e, λ (λ) = d M e (λ) d λ. (\displaystyle M_(e,\lambda )(\lambda)=(\frac (dM_(e)(\lambda))(d\lambda )).)SI ühik on W m−3. Kuna optilise kiirguse lainepikkusi mõõdetakse tavaliselt nanomeetrites, siis praktikas kasutatakse sageli W m −2 nm −1.
Mõnikord kirjanduses M e , λ (\displaystyle M_(e,\lambda )) kutsutakse spektraalne emissioon.
Kerge analoog
M v = K m ⋅ ∫ 380 n m 780 n m M e, λ (λ) V (λ) d λ, (\displaystyle M_(v)=K_(m)\cdot \int \limits _(380~nm)^ (780~nm)M_(e,\lambda )(\lambda)V(\lambda)d\lambda ,)Kus K m (\displaystyle K_(m))- maksimaalne valguskiirguse efektiivsus SI-süsteemis on 683 lm / W. Selle arvväärtus tuleneb otseselt kandela definitsioonist.
Teave muude põhienergia fotomeetriliste suuruste ja nende valgusanaloogide kohta on toodud tabelis. Koguste tähistused on esitatud vastavalt standardile GOST 26148-84.
Energiafotomeetrilised SI suurused| Nimi (sünonüüm) | Koguse tähistus | Definitsioon | SI ühikute tähistus | Valgustugevus |
|---|---|---|---|---|
| Kiirgusenergia (kiirgusenergia) | Q e (\displaystyle Q_(e)) või W (\displaystyle W) | Kiirguse teel ülekantav energia | J | Valgusenergia |
| Kiirgusvoog (kiirgusvoog) | Φ (\displaystyle \Phi ) e või P (\displaystyle P) | Φ e = d Q e d t (\displaystyle \Phi _(e)=(\frac (dQ_(e))(dt))) | W | Valgusvoog |
| Kiirguse intensiivsus (valguse energia intensiivsus) | I e (\displaystyle I_(e)) | I e = d Φ e d Ω (\displaystyle I_(e)=(\frac (d\Phi _(e))(d\Omega ))) | W sr −1 | Valguse jõud |
| Kiirguse mahuline energiatihedus | U e (\displaystyle U_(e)) | U e = d Q e d V (\displaystyle U_(e)=(\frac (dQ_(e))(dV))) | J m −3 | Valgusenergia mahutihedus |
| Energia heledus | L e (\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)\, \cos \varepsilon ))) | W m−2 sr−1 | Heledus |
| Integreeritud energia heledus | Λ e (\displaystyle \Lambda _(e)) | Λ e = ∫ 0 t L e (t ′) d t ′ (\displaystyle \Lambda _(e)=\int _(0)^(t)L_(e)(t")dt") | J m −2 sr −1 | Integreeritud heledus |
| kiirgustihedus (kiirgustihedus) | E e (\displaystyle E_(e)) | E e = d Φ e d S 2 (\displaystyle E_(e)=(\frac (d\Phi _(e))(dS_(2)))) | W m−2 |