Mwangaza wa nishati. Emissive na uwezo wa kunyonya

Mionzi ya joto Sheria ya Stefan Boltzmann Uhusiano kati ya nuru ya nishati R e na msongamano wa spectral wa mwangaza wa nishati ya mwili mweusi Mwangaza wa nishati wa mwili wa kijivu Sheria ya uhamishaji ya Wien (sheria ya 1) Utegemezi wa msongamano wa juu zaidi wa spectral wa mwangaza wa nishati wa mtu mweusi. mwili kwenye joto (sheria ya 2) formula ya Planck


Mionzi ya joto 1. Upeo wa wiani wa spectral wa mwanga wa nishati ya jua hutokea kwa wavelength = 0.48 microns. Kwa kudhani kuwa Jua huangaza kama mwili mweusi, tambua: 1) joto la uso wake; 2) nguvu iliyotolewa na uso wake. Kulingana na sheria ya Wien ya kuhama, Nguvu inayotolewa na uso wa Jua Kulingana na sheria ya Stefan Boltzmann,


Mionzi ya joto 2. Amua kiasi cha joto kilichopotea kwa 50 cm 2 kutoka kwenye uso wa platinamu iliyoyeyuka kwa dakika 1, ikiwa uwezo wa kunyonya wa platinamu A T = 0.8. Kiwango myeyuko wa platinamu ni 1770 °C. Kiasi cha joto kinachopotea na platinamu ni sawa na nishati inayotolewa na uso wake wa moto Kulingana na sheria ya Stefan Boltzmann.


Mionzi ya joto 3. Tanuru ya umeme hutumia nguvu P = 500 W. Joto la uso wake wa ndani na shimo ndogo iliyo wazi na kipenyo cha d = 5.0 cm ni 700 ° C. Ni kiasi gani cha matumizi ya nguvu kinachotolewa na kuta? Nguvu ya jumla imedhamiriwa na jumla ya Nguvu iliyotolewa kupitia shimo Nguvu iliyosambazwa na kuta Kulingana na sheria ya Stefan Boltzmann,


Mionzi ya joto 4 Filament ya tungsten inapokanzwa katika utupu na sasa ya nguvu I = 1 A hadi joto T 1 = 1000 K. Ni kwa nguvu gani ya sasa ambayo filament itawashwa kwa joto T 2 = 3000 K? Coefficients ya ngozi ya tungsten na resistivity yake sambamba na joto T 1, T 2 ni sawa na: 1 = 0.115 na 2 = 0.334; 1 = 25, Ohm m, 2 = 96, Ohm m Nguvu iliyotolewa ni sawa na nguvu inayotumiwa kutoka kwa mzunguko wa umeme katika hali ya utulivu Nguvu ya umeme iliyotolewa katika kondakta Kulingana na sheria ya Stefan Boltzmann,


Mionzi ya joto 5. Katika wigo wa Jua, wiani wa juu wa spectral wa mwangaza wa nishati hutokea kwa urefu wa .0 = 0.47 microns. Kwa kudhani kuwa Jua hutoa kama mwili mweusi kabisa, tafuta ukubwa wa mionzi ya jua (yaani, msongamano wa mionzi ya mionzi) karibu na Dunia nje ya angahewa yake. Ukali wa mwanga (nguvu ya mionzi) Mwangaza wa mwanga Kulingana na sheria za Stefan Boltzmann na Wien


Mionzi ya joto 6. Urefu wa mawimbi 0, ambayo huchangia kiwango cha juu cha nishati katika wigo wa mionzi ya mwili mweusi, ni mikroni 0.58. Amua upeo wa wiani wa spectral wa mwanga wa nishati (r, T) max, uliohesabiwa kwa muda wa wavelength = 1 nm, karibu na 0. Upeo wa wiani wa spectral wa mwanga wa nishati ni sawia na nguvu ya tano ya joto na inaonyeshwa na sheria ya 2 ya Wien. Joto la T linaonyeshwa kutoka kwa thamani ya sheria ya uhamishaji ya Wien C inatolewa katika vitengo vya SI, ambayo muda wa urefu wa kitengo = 1 m Kwa mujibu wa hali ya tatizo, ni muhimu kuhesabu wiani wa mwanga wa spectral uliohesabiwa kwa muda wa urefu wa 1. nm, kwa hivyo tunaandika thamani ya C katika vitengo vya SI na kuihesabu tena kwa muda fulani wa urefu wa wimbi:


Mionzi ya joto 7. Utafiti wa wigo wa mionzi ya jua unaonyesha kwamba wiani wa upeo wa spectral wa mwanga wa nishati unafanana na wavelength = 500 nm. Kuchukua Jua kuwa mwili mweusi, tambua: 1) mwangaza wa nishati R e wa Jua; 2) mtiririko wa nishati F e iliyotolewa na Jua; 3) wingi wa mawimbi ya sumakuumeme (ya urefu wote) iliyotolewa na Jua katika sekunde 1. 1. Kulingana na sheria za Stefan Boltzmann na Wien 2. Flux ya mwanga 3. Wingi wa mawimbi ya sumakuumeme (urefu wote) iliyotolewa na Jua wakati wa t = 1 s, tunaamua kwa kutumia sheria ya uwiano wa wingi na nishati. E = ms 2. Nishati ya mawimbi ya sumakuumeme iliyotolewa wakati wa t, ni sawa na bidhaa ya mtiririko wa nishati Ф e ((nguvu ya mionzi) kwa wakati: E=Ф e t. Kwa hiyo, Ф e =ms 2, wapi m= Ф e/s 2.


.

UTOAJI NA UNYWAJI WA NISHATI

ATOMU NA MOLEKULI

MASWALI KWA DARASA KUHUSU MADA:

1. Mionzi ya joto. Tabia zake kuu: flux ya mionzi Ф, mwanga wa nishati (nguvu) R, wiani wa spectral wa mwanga wa nishati r λ; mgawo wa ufyonzaji α, mgawo wa ufyonzwaji wa monokromatiki α λ. Mwili mweusi kabisa. Sheria ya Kirchhoff.

2. Mionzi ya joto ya spectra ya a.ch.t. (ratiba). Asili ya quantum ya mionzi ya joto (dhahania ya Planck; hakuna haja ya kukumbuka fomula ya ε λ). Utegemezi wa wigo wa a.ch.t. juu ya joto (grafu). Sheria ya Mvinyo. Sheria ya Stefan-Boltzmann ya a.ch.t. (bila pato) na kwa vyombo vingine.

3. Muundo wa shells za elektroniki za atomi. Viwango vya nishati. Utoaji wa nishati wakati wa mabadiliko kati ya viwango vya nishati. formula ya Bohr ( kwa frequency na kwa urefu wa mawimbi) Spectra ya atomi. Wigo wa atomi ya hidrojeni. Mfululizo wa Spectral. Dhana ya jumla ya spectra ya molekuli na jambo kufupishwa (kioevu, yabisi). Wazo la uchambuzi wa spectral na matumizi yake katika dawa.

4. Mwangaza. Aina za luminescence. Fluorescence na phosphorescence. Jukumu la viwango vya metastable. Mtazamo wa luminescence. Utawala wa Stokes. Uchambuzi wa luminescent na matumizi yake katika dawa.

5. Sheria ya kunyonya mwanga (sheria ya Bouguer; hitimisho). Upitishaji τ na msongamano wa macho D. Uamuzi wa mkusanyiko wa ufumbuzi kwa kunyonya mwanga.

Kazi ya maabara: "kurekodi wigo wa kunyonya na kuamua mkusanyiko wa suluhisho kwa kutumia photoelectrocolorimeter."

FASIHI:

Lazima: A.N. Remizov. "Fizikia ya kimatibabu na kibaolojia", M., "Shule ya Juu", 1996, sura ya. 27, §§ 1–3; Sura ya 29, §§ 1,2

  • ziada: Utoaji na unyonyaji wa nishati kwa atomi na molekuli, hotuba, risograph, ed. idara, 2002

UFAFANUZI WA MSINGI NA MFUMO

1. Mionzi ya joto

Miili yote, hata bila ushawishi wowote wa nje, hutoa mawimbi ya sumakuumeme. Chanzo cha nishati ya mionzi hii ni mwendo wa joto wa chembe zinazounda mwili, ndiyo maana inaitwa. mionzi ya joto. Kwa joto la juu (karibu 1000 K au zaidi), mionzi hii huanguka kwa sehemu katika mwanga unaoonekana kwa joto la chini, mionzi ya infrared hutolewa, na kwa joto la chini sana, mawimbi ya redio hutolewa.

Mzunguko wa mionzi F - Hii nguvu ya mionzi inayotolewa na chanzo, au nishati ya mionzi inayotolewa kwa kila kitengo cha wakati: Ф = Р =; kitengo cha mtiririko - wati.

Mwangaza wa nishati R -Hii mtiririko wa mionzi ambayo hutolewa kutoka kwa kitengo cha uso wa mwili:; kitengo cha mwangaza wa nishati - W.m –2 .

Msongamano wa Spectral wa mwangaza wa nishati r λ -Hii uwiano wa mwangaza wa nguvu wa mwili ndani ya muda mdogo wa urefu wa wimbi (ΔR λ ) kwa thamani ya muda huu Δ λ:

Kipimo r λ - W.m - 3

Mwili mweusi kabisa (a.b.t.) inayoitwa t waliokulakikamilifu inachukua mionzi ya tukio. Hakuna miili kama hiyo katika asili, lakini mfano mzuri wa a.ch.t. ni shimo ndogo kwenye shimo lililofungwa.

Uwezo wa miili kunyonya mionzi ya tukio sifa mgawo wa kunyonya α , hiyo ni uwiano wa kufyonzwa na mtiririko wa mionzi ya tukio:.

Mgawo wa ufyonzaji wa monokromatiki ni thamani ya mgawo wa unyonyaji unaopimwa katika masafa finyu ya taswira karibu na thamani fulani λ.

Sheria ya Kirchhoff: kwa halijoto isiyobadilika, uwiano wa msongamano wa spectral wa mwanga wa nishati katika urefu fulani wa mawimbi hadi mgawo wa ufyonzaji wa monokromatiki kwa urefu sawa wa wimbi. sawa kwa miili yote na ni sawa na msongamano wa spectral wa mwangaza wa nishati wa a.b.t. kwa urefu huu wa mawimbi:

(wakati mwingine r λ A.Ch.T inaashiria ε λ)

Mwili mweusi kabisa huchukua na kutoa mionzi mawimbi yote, Ndiyo maana wigo wa a.h.t. daima imara. Aina ya wigo huu inategemea joto la mwili. Wakati joto linaongezeka, kwanza, mwangaza wa nishati huongezeka kwa kiasi kikubwa; Pili, urefu wa mawimbi unaolingana na kiwango cha juu cha mionzi(λ max ) , mabadiliko kuelekea urefu mfupi wa mawimbi :, ambapo b ≈ 29090 µm.K -1 ( Sheria ya Wien).

Sheria ya Stefan-Boltzmann: mwangaza wa nguvu wa a.h.t. sawia na nguvu ya nne ya joto la mwili kwa kiwango cha Kelvin: R = σT 4

2. Utoaji wa nishati kwa atomi na molekuli

Kama inavyojulikana, katika ganda la elektroni la atomi, nishati ya elektroni inaweza kuchukua tu maadili yaliyoainishwa madhubuti ya tabia ya atomi fulani. Kwa maneno mengine wanasema hivyo elektroni inaweza tu iko kwenye fulaniviwango vya nishati. Wakati elektroni iko kwenye kiwango fulani cha nishati, haibadilishi nishati yake, yaani, haina kunyonya au kutoa mwanga. Wakati wa kusonga kutoka ngazi moja hadi nyingine nishati ya elektroni hubadilika, na wakati huo huo kufyonzwa au kutolewakiasi cha mwanga (photon).Nishati ya quantum ni sawa na tofauti katika nishati ya viwango kati ya ambayo mpito hutokea: E QUANTUM = hν = E n - E m ambapo n na m ni nambari za kiwango (Mchanganyiko wa Bohr).

Mabadiliko ya elektroni kati ya viwango tofautikutokea kwa uwezekano tofauti. Katika baadhi ya matukio, uwezekano wa mpito ni karibu sana na sifuri; mistari ya spectral inayofanana haizingatiwi chini ya hali ya kawaida. Mabadiliko kama haya yanaitwa marufuku.

Mara nyingi, nishati ya elektroni haiwezi kubadilishwa kuwa nishati ya quantum, lakini badala yake kubadilishwa kuwa nishati ya mwendo wa joto wa atomi au molekuli. Mabadiliko kama haya yanaitwa isiyo ya mionzi.

Mbali na uwezekano wa mpito, mwangaza wa mistari ya spectral ni sawia moja kwa moja na idadi ya atomi za dutu inayotoa moshi. Utegemezi huu ni msingi uchambuzi wa spectral wa kiasi.
3. Mwangaza

Mwangaza piga simu yoyote sio mionzi ya joto. Vyanzo vya nishati kwa mionzi hii inaweza kuwa tofauti ipasavyo, wanazungumza aina tofauti za luminescence. Muhimu zaidi kati yao ni: chemiluminescence- mwanga unaotokea wakati wa athari fulani za kemikali; bioluminescence- hii ni chemiluminescence katika viumbe hai; cathodoluminescence - mwanga chini ya ushawishi wa mtiririko wa elektroni, ambayo hutumiwa katika zilizopo za picha za televisheni, zilizopo za cathode ray, taa za mwanga wa gesi, nk; electroluminescence- mwanga unaotokea kwenye uwanja wa umeme (mara nyingi katika semiconductors). Aina ya kuvutia zaidi ya luminescence ni photoluminescence. Huu ni mchakato ambapo atomi au molekuli huchukua mwanga (au mionzi ya UV) katika safu moja ya urefu wa mawimbi na kuitoa katika nyingine (kwa mfano, hufyonza miale ya bluu na kutoa ile ya njano). Katika hali hii, dutu hii hufyonza quanta yenye nishati ya juu kiasi hν 0 (yenye urefu mfupi wa mawimbi). Kisha elektroni haiwezi kurudi mara moja kwenye kiwango cha chini, lakini kwanza kwenda kwenye ngazi ya kati, na kisha kwenye ngazi ya chini (kunaweza kuwa na viwango kadhaa vya kati). Katika hali nyingi, mabadiliko mengine hayana mionzi, ambayo ni, nishati ya elektroni inabadilishwa kuwa nishati ya mwendo wa joto. Kwa hiyo, nishati ya quanta iliyotolewa wakati wa luminescence itakuwa chini ya nishati ya quantum iliyoingizwa. Urefu wa mawimbi ya mwanga unaotolewa lazima uwe mkubwa kuliko urefu wa wimbi la mwanga uliofyonzwa. Ikiwa tunaunda hapo juu kwa fomu ya jumla, tunapata sheria Stokes : wigo wa luminescence hubadilishwa kuelekea mawimbi marefu kuhusiana na wigo wa mionzi inayosababisha mwangaza.

Kuna aina mbili za vitu vya luminescent. Katika baadhi, mwanga huacha karibu mara moja baada ya mwanga wa kusisimua kuzimwa. Hii muda mfupi mwanga unaitwa fluorescence.

Katika vitu vya aina nyingine, baada ya kuzima mwanga wa kusisimua, mwanga hupungua hatua kwa hatua(kulingana na sheria ya kielelezo). Hii muda mrefu mwanga unaitwa phosphorescence. Sababu ya mwanga mrefu ni kwamba atomi au molekuli za vitu hivyo zina viwango vya metastable.Metastable Kiwango hiki cha nishati kinaitwa ambayo elektroni zinaweza kubaki kwa muda mrefu zaidi kuliko viwango vya kawaida. Kwa hiyo, muda wa phosphorescence inaweza kuwa dakika, masaa na hata siku.
4. Sheria ya kunyonya mwanga (sheria ya Bouguer)

Wakati flux ya mionzi inapita kupitia dutu, inapoteza sehemu ya nishati yake (nishati iliyoingizwa inageuka kuwa joto). Sheria ya kunyonya mwanga inaitwa Sheria ya Bouguer: Ф = Ф 0 ∙ e – κ λ · L ,

ambapo Ф 0 ni mtiririko wa tukio, Ф ni mtiririko unaopita kwenye safu ya dutu yenye unene L; mgawo κ λ inaitwa asili kiwango cha kunyonya ( ukubwa wake inategemea urefu wa wimbi) . Kwa mahesabu ya vitendo, wanapendelea kutumia logarithms ya desimali badala ya logarithms asili. Kisha sheria ya Bouguer inachukua fomu: Ф = Ф 0 ∙ 10 - k λ ∙ L ,

ambapo kl- Nukta kiwango cha kunyonya.

Upitishaji taja wingi

Msongamano wa macho D - hii ndio idadi inayofafanuliwa na usawa: . Tunaweza kusema kwa njia nyingine: msongamano wa macho D ni kiasi ambacho kiko katika kielelezo katika fomula ya sheria ya Bouguer: D = k λ ∙ L
Kwa ufumbuzi wa dutu nyingi wiani wa macho ni sawia moja kwa moja na mkusanyiko wa solute:D = χ λ ∙ C∙ L ;

mgawo χ λ inaitwa kiwango cha kunyonya molar(ikiwa mkusanyiko hutolewa katika moles) au kiwango maalum cha kunyonya(ikiwa ukolezi umeonyeshwa kwa gramu). Kutoka kwa formula ya mwisho tunapata: Ф = Ф 0 ∙10 - χ λ ∙ C ∙ L(sheria Bugera–Bera)

Fomula hizi ndizo zinazojulikana zaidi katika maabara ya kliniki na ya biokemikali njia ya kuamua viwango vya dutu iliyoyeyushwa kwa kunyonya mwanga.

AINA YA MATATIZO YA KUFUNDISHA YENYE SULUHU

(Katika siku zijazo, kwa ufupi, tutaandika tu "kazi za mafunzo")


Lengo la Kujifunza #1

Hita ya umeme (radiator) hutoa mkondo wa miale ya infrared ya 500 W. Sehemu ya uso wa radiator ni 3300 cm2. Pata nishati inayotolewa na radiator katika saa 1 na mwangaza wa nishati wa radiator.

Imetolewa: Tafuta

Ф = 500 W W na R

t = saa 1 = 3600 s

S = 3300 cm 2 = 0.33 m 2

Suluhisho:

Flux ya mionzi Ф ni nguvu ya mionzi au nishati inayotolewa kwa kila kitengo cha muda: . Kutoka hapa

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

Lengo la Kujifunza #2

Je, mionzi ya joto ya ngozi ya binadamu iko katika urefu gani (yaani, r λ = max)? Joto la ngozi kwenye sehemu zilizo wazi za mwili (uso, mikono) ni takriban 30 o C.

Imetolewa: Tafuta:

Т = 30 о С = 303 К λ max

Suluhisho:

Tunabadilisha data katika fomula ya Wien: ,

yaani, karibu mionzi yote iko katika safu ya IR ya wigo.

Lengo la Kujifunza #3

Elektroni iko katika kiwango cha nishati na nishati ya 4.7.10 -19 J

Ilipowashwa na mwanga na urefu wa 600 nm, ilihamia kwenye kiwango cha juu cha nishati. Tafuta nishati ya kiwango hiki.

Suluhisho:

Lengo la Kujifunza #4

Kiwango cha desimali cha kufyonzwa kwa maji kwa mwanga wa jua ni 0.09 m–1. Ni sehemu gani ya mionzi itafikia kina L = 100 m?

Imetolewa Tafuta:

k = 0.09 m - 1

Suluhisho:

Hebu tuandike sheria ya Bouguer: . Sehemu ya mionzi inayofikia kina L ni wazi,

yaani, bilioni moja ya mwanga wa jua utafikia kina cha 100 m.
Lengo la Kujifunza #5

Mwanga hupita kwa kufuatana kupitia vichujio viwili. Ya kwanza ina wiani wa macho D 1 = 0.6; ya pili ina D 2 = 0.4. Ni asilimia ngapi ya mtiririko wa mionzi itapita kwenye mfumo huu?

Imetolewa: Tafuta:

D 1 = 0.6 (katika %%)

Suluhisho:

Tunaanza suluhisho na mchoro wa mfumo huu

SF-1 SF-2

Tafuta Ф 1: Ф 1 = Ф 0 10 - D 1

Vile vile, mtiririko unaopita kwenye kichujio cha pili cha mwanga ni sawa na:

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

Matokeo yaliyopatikana yana umuhimu wa jumla: ikiwa mwanga hupita kwa mtiririko kupitia mfumo wa vitu kadhaa,jumla ya wiani wa macho itakuwa sawa na jumla ya msongamano wa macho wa vitu hivi .

Chini ya hali ya tatizo letu, mtiririko wa F 2 = 100%∙10 - (0.6 + 0.4) = 100%∙10 - 1 = 10% utapitia mfumo wa filters mbili za mwanga.


Lengo la Kujifunza #6

Kwa mujibu wa sheria ya Bouguer-Baer, ​​inawezekana, hasa, kuamua mkusanyiko wa DNA. Katika kanda inayoonekana, ufumbuzi wa asidi ya nucleic ni wazi, lakini huchukua sana sehemu ya UV ya wigo; Kiwango cha juu cha kunyonya ni karibu 260 nm. Ni dhahiri kwamba ni kwa usahihi katika eneo hili la wigo kwamba ngozi ya mionzi inapaswa kupimwa; katika kesi hii, unyeti na usahihi wa kipimo itakuwa bora.

Masharti ya tatizo: Wakati wa kupima ngozi ya mionzi ya UV na urefu wa 260 nm kwa ufumbuzi wa DNA, flux ya mionzi iliyopitishwa ilipunguzwa na 15%. Urefu wa njia ya boriti katika cuvette yenye ufumbuzi "x" ni 2 cm Fahirisi ya kunyonya molar (desimali) kwa DNA kwa urefu wa 260 nm ni 1.3.10 5 mol - 1.cm 2 Pata mkusanyiko wa DNA katika. suluhisho.

Imetolewa:

Ф 0 = 100%; F = 100% - 15% = 85% Tafuta: Pamoja na DNA

x = 2 cm; λ = 260 nm

χ 260 = 1.3.10 5 mol -1 .cm 2

Suluhisho:

(tuli "pindua" sehemu ili kuondokana na kipeo hasi). . Sasa hebu tufanye logarithm:, na; tunabadilisha:

0.07 na C = 2.7.10 - 7 mol / cm3

Makini na unyeti mkubwa wa njia!


KAZI ZA SULUHISHO HURU
Wakati wa kutatua shida, chukua maadili ya viunga:

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


1. Je, ni mwanga gani wa nguvu wa uso wa mwili wa mwanadamu ikiwa mionzi ya juu hutokea kwa urefu wa microns 9.67? Ngozi inaweza kuchukuliwa kuwa mwili mweusi kabisa.

2. Balbu mbili za mwanga zina muundo sawa, isipokuwa kwamba katika moja filament hufanywa kwa tungsten safi (α = 0.3), na kwa upande mwingine imefunikwa na platinamu nyeusi (α = 0.93). Ni balbu gani ina flux zaidi ya mionzi? Mara ngapi?

3. Ni katika maeneo gani ya wigo urefu wa mawimbi unaofanana na wiani wa juu wa mwangaza wa nishati hulala ikiwa chanzo cha mionzi ni: a) ond ya balbu ya umeme (T = 2,300 K); b) uso wa Jua (T = 5,800 K); c) uso wa mpira wa moto wa mlipuko wa nyuklia wakati joto lake ni karibu 30,000 K? Tofauti katika sifa za vyanzo hivi vya mionzi kutoka kwa a.ch.t. kupuuza.

4. Mwili wa chuma nyekundu-moto, uso ambao ni 2.10 - 3 m 2, kwa joto la uso wa 1000 K hutoa flux ya 45.6. Jumanne Je, mgawo wa kunyonya wa uso wa mwili huu ni nini?

5. Balbu ya mwanga ina nguvu ya 100 W. Eneo la uso wa filamenti ni 0.5.10 - 4 m 2. Joto la filament ni 2,400 K. Je, ni mgawo gani wa kunyonya wa uso wa filament?

6. Kwa joto la ngozi la 27 0 C, 0.454 W hutolewa kutoka kila sentimita ya mraba ya uso wa mwili. Je, inawezekana (kwa usahihi wa si mbaya zaidi kuliko 2%) kuzingatia ngozi kuwa mwili mweusi kabisa?

7. Katika wigo wa nyota ya bluu, chafu ya juu inafanana na urefu wa wimbi la microns 0.3. Je! joto la uso wa nyota hii ni nini?

8. Ni nishati gani mwili wenye uso wa 4,000 cm 2 huangaza kwa saa moja?

kwa joto la 400 K, ikiwa mgawo wa kunyonya wa mwili ni 0.6?

9. Bamba (A) lina eneo la 400 cm 2; mgawo wake wa kunyonya ni 0.4. Sahani nyingine (B) yenye eneo la 200 cm 2 ina mgawo wa kunyonya wa 0.2. Joto la sahani ni sawa. Ni sahani gani hutoa nishati zaidi na kwa kiasi gani?

10 – 16. Uchambuzi wa ubora wa spectral. Kulingana na wigo wa kunyonya wa moja ya misombo ya kikaboni, wigo ambao

zinaonyeshwa kwenye takwimu, tambua ni vikundi vipi vya kazi ambavyo ni sehemu ya dutu hii, Tumia data ya jedwali:


Kikundi; aina ya uunganisho

Urefu wa mawimbi, mikroni

Kikundi, aina ya uunganisho

Imefyonzwa

urefu wa mawimbi, µm

-HE

2,66 – 2,98

-NH 4

7,0 – 7,4

-NH

2,94 – 3,0

-SH

7,76

 CH

3,3

-CF

8,3

-N  N

4,67

-NH 2

8,9

-C=N

5,94

-HAPANA

12,3

-N=N

6,35

-SO 2

19,2

-CN 2

6,77

-C=O

23,9

10 - grafu a); 11 - grafu b); 12 - grafu c); 13 - grafu d);

14 - grafu d); 15 - grafu f); 16 - grafu g).

Zingatia ni thamani gani kwenye grafu yako imepangwa kwenye mhimili wima!

17. Mwanga hupita kwa mtiririko kupitia vichujio viwili vya mwanga na mgawo wa upitishaji wa 0.2 na 0.5. Ni asilimia ngapi ya mionzi itatoka kwenye mfumo kama huo?

18. Mwanga hupita sequentially kupitia filters mbili na wiani wa macho ya 0.7 na 0.4. Ni asilimia ngapi ya mionzi itapita kwenye mfumo kama huo?

19. Ili kulinda dhidi ya mionzi ya mwanga ya mlipuko wa nyuklia, unahitaji glasi ambazo hupunguza mwanga kwa angalau mara milioni. Kioo ambacho wanataka kufanya glasi hizo ina wiani wa macho ya 3 na unene wa 1 mm ni unene gani wa kioo unapaswa kuchukuliwa ili kufikia matokeo yaliyohitajika?

20 Ili kulinda macho wakati wa kufanya kazi na laser, inahitajika kwamba flux ya mionzi isiyozidi 0.0001% ya flux inayotokana na laser inaweza kuingia kwenye jicho. Miwani inapaswa kuwa na wiani gani wa macho ili kuhakikisha usalama?

Mgawo wa jumla kwa shida 21-28 (uchambuzi wa kiasi):

Takwimu inaonyesha spectra ya ngozi ya ufumbuzi wa rangi ya baadhi ya vitu. Kwa kuongezea, shida zinaonyesha maadili ya D (wiani wa macho wa suluhisho kwenye urefu wa wimbi linalolingana na uwekaji wa juu wa mwanga) na X(unene wa cuvette). Pata mkusanyiko wa suluhisho.

Zingatia vitengo ambavyo kiwango cha kunyonya kinaonyeshwa kwenye grafu yako.

21. Grafu a). D = 0.8 x = 2 cm

22. Grafu b). D = 1.2 x = 1 cm

... 23. Grafu c). D = 0.5 x = 4 cm

24. Grafu d). D = 0.25 x = 2 cm

25 Jedwali d). D = 0.4 x = 3 cm

26. Grafu e) D = 0.9 x = 1 cm

27. Grafu g). D = 0.2 x = 2 cm

Mifano ya kutatua matatizo. Mfano 1. Upeo wa msongamano wa spectral wa mwangaza wa nishati ya jua hutokea kwa urefu wa mawimbi = mikroni 0.48

Mfano 1. Upeo wa wiani wa spectral wa mwangaza wa nishati ya jua hutokea kwa urefu wa wimbi = 0.48 microns. Kwa kudhani kuwa Jua huangaza kama mwili mweusi, tambua: 1) joto la uso wake; 2) nguvu iliyotolewa na uso wake.

Kulingana na sheria ya uhamishaji ya Wien, joto linalohitajika la uso wa jua ni:

ambapo b= ni Wien mara kwa mara.

Nguvu inayotolewa na uso wa Jua:

ambapo ni mwangaza wa nguvu wa mwili mweusi (Jua), ni eneo la uso wa Jua, ni radius ya Jua.

Kulingana na sheria ya Stefan-Boltzmann:

ambapo = W/ ni Stefan-Boltzmann mara kwa mara.

Wacha tubadilishe maneno yaliyoandikwa katika fomula (2) na tutafute nguvu inayohitajika inayotolewa na uso wa Jua:

Kuhesabu, tunapata: T=6.04 kK; P=W.

Mfano 2. Amua urefu wa wimbi, wingi na kasi ya photon yenye nishati = 1 MeV.

Nishati ya fotoni inahusiana na urefu wa wimbi la mwanga kwa uhusiano: ,

ambapo h ni thabiti ya Planck, c ni kasi ya mwanga katika utupu. Kutoka hapa.

Kubadilisha maadili ya nambari, tunapata: m.

Wacha tuamue wingi wa picha kwa kutumia formula ya Einstein. Uzito wa picha = kilo.

Kasi ya Photon = kg m/s.

Mfano 3. Cathode ya sodiamu ya photocell ya utupu inaangazwa na mwanga wa monochromatic na wavelength ya 40 nm. Amua voltage ya kuchelewa ambayo photocurrent inacha. "Kikomo nyekundu" cha athari ya photoelectric kwa sodiamu = 584 nm.

Sehemu ya umeme inayozuia harakati ya elektroni kutoka kwa cathode hadi anode inaitwa reverse. Voltage ambayo photocurrent inacha kabisa inaitwa retardation voltage. Kwa voltage hiyo ya kuchelewa, hakuna elektroni, hata wale walio na kasi ya juu wakati wa kuacha cathode, wanaweza kushinda uwanja wa kuchelewa na kufikia anode. Katika hali hii, nishati ya awali ya kinetic ya photoelectrons () inabadilika kuwa nishati inayoweza kutokea (, ambapo e = C ni malipo ya msingi, na ni voltage ya chini ya kuchelewesha). Kwa mujibu wa sheria ya uhifadhi wa nishati

Tunapata nishati ya kinetic ya elektroni kwa kutumia mlinganyo wa Einstein kwa athari ya nje ya upigaji picha:

Kutoka hapa (3)

Kazi ya kazi ya elektroni A in imedhamiriwa na mpaka mwekundu wa athari ya picha ya umeme:

Kubadilisha usemi (4) kwa mlinganyo (3), tunapata:

Kisha, kutoka kwa equation (1).

Kuhesabu, tunapata V.

Mfano 4. Nishati ya kinetic ya protoni ni mara nne chini ya nishati yake ya kupumzika. Kokotoa urefu wa wimbi wa de Broglie kwa protoni.

Urefu wa mawimbi wa de Broglie huamuliwa na fomula: , (1)

ambapo h ni thabiti ya Planck na ni kasi ya chembe.

Kwa mujibu wa hali ya tatizo, nishati ya kinetic ya protoni inalinganishwa kwa ukubwa na nishati yake ya kupumzika E 0 . Kwa hivyo, kasi na nishati ya kinetic inahusiana kwa kila mmoja na uhusiano wa uhusiano:

ambapo c ni kasi ya mwanga katika utupu.

Kwa kutumia hali ya tatizo, tunapata:. Kubadilisha usemi unaotokana na fomula (1), tunapata urefu wa wimbi la Broglie:

Tutapata nishati iliyobaki ya elektroni kwa kutumia formula ya Einstein, ambapo m 0 ni wingi wa elektroni, c ni kasi ya mwanga katika utupu.

Kubadilisha maadili ya nambari, tunapata: m.

Mfano 5. Boriti ya elektroni inaharakishwa katika bomba la mionzi ya cathode na tofauti inayowezekana U=0.5 kV. Kwa kudhani kuwa kutokuwa na uhakika wa kasi ya elektroni ni 0.1% ya thamani yake ya nambari, kuamua kutokuwa na uhakika wa uratibu wa elektroni. Chini ya hali hizi, je elektroni ni quantum au chembe classical?

Katika mwelekeo wa mwendo wa boriti ya elektroni (mhimili wa X), uhusiano wa kutokuwa na uhakika una fomu:

ni wapi kutokuwa na uhakika wa uratibu wa elektroni; - kutokuwa na uhakika wa msukumo wake; - Planck ya mara kwa mara.

Baada ya kupita kwa tofauti inayoongeza kasi, elektroni hupata nishati ya kinetic sawa na kazi iliyofanywa na nguvu za uwanja wa umeme:

Hesabu inatoa thamani E k = 500 eV, ambayo ni kidogo sana kuliko nishati ya elektroni (E 0 = 0.51 MeV). Kwa hivyo, chini ya hali hizi, elektroni ni chembe isiyohusiana na kasi inayohusiana na nishati ya kinetiki kwa fomula.

Kwa mujibu wa hali ya tatizo, kutokuwa na uhakika wa msukumo = 0.001 =, i.e.<< .

Hii inamaanisha kuwa sifa za mawimbi chini ya hali hizi hazina maana na elektroni inaweza kuzingatiwa kama chembe ya kawaida. Kutoka kwa usemi (1) inafuata kwamba kutokuwa na uhakika unaotaka wa elektroni kuratibu

Baada ya kuhesabu, tunapata 8.51 nm.

Mfano 6. Kama matokeo ya mpito kutoka hali moja ya kusimama hadi nyingine, atomi ya hidrojeni ilitoa quantum yenye mzunguko wa . Tafuta jinsi radius ya obiti na kasi ya elektroni imebadilika kwa kutumia nadharia ya Bohr.

Mionzi yenye mzunguko unaofanana na wavelength = = 102.6 nm (c ni kasi ya mwanga katika utupu), iko katika eneo la ultraviolet. Kwa hivyo, mstari wa spectral ni wa safu ya Lyman, ambayo inaonekana wakati mabadiliko ya elektroni hadi kiwango cha kwanza cha nishati (n=1).

Tunatumia fomula ya jumla ya Balmer kubainisha idadi ya kiwango cha nishati (k) ambapo mpito ulifanywa: .

Wacha tueleze k kutoka kwa fomula hii:

Kubadilisha data inayopatikana, tunapata k=3. Kwa hivyo, mionzi ilitokea kama matokeo ya mpito wa elektroni kutoka obiti ya tatu hadi ya kwanza.

Tutapata maadili ya radii ya obiti na kasi ya elektroni katika obiti hizi kutoka kwa mazingatio yafuatayo.

Elektroni iliyo katika obiti isiyosimama katika atomi ya hidrojeni inafanywa na nguvu ya Coulomb kutoka kwenye kiini.

ambayo inatoa kasi ya kawaida. Kwa hivyo, kulingana na sheria ya msingi ya mienendo:

Kwa kuongeza, kwa mujibu wa postulate ya Bohr, kasi ya angular ya elektroni katika obiti ya stationary lazima iwe nyingi ya mara kwa mara ya Planck, i.e.

ambapo n = 1, 2, 3…. - idadi ya obiti iliyosimama.

Kutoka kwa equation (2) kasi. Kubadilisha usemi huu katika equation (1), tunapata

Kwa hivyo radius ya obiti isiyosimama ya elektroni katika atomi ya hidrojeni:.

Kisha kasi ya elektroni katika obiti hii ni:

Kwa kudhani kuwa kabla ya mionzi ya quantum elektroni ilikuwa na sifa r 3, v 3, na baada ya mionzi r 1, v 1 ni rahisi kupata:

yaani, radius ya obiti ilipungua kwa mara 9, kasi ya elektroni iliongezeka kwa mara 3.



Mfano 7. Elektroni katika "kisima kinachowezekana" chenye mwelekeo mmoja chenye upana wa =200 jioni chenye "kuta" za juu sana iko katika hali ya msisimko (n=2). Kuamua: 1) uwezekano W wa kugundua elektroni katikati ya tatu ya "kisima"; 2) pointi za muda uliowekwa ambapo wiani wa uwezekano wa kugundua elektroni ni wa juu na wa chini.

1. Uwezekano wa kugundua chembe katika muda

Hali ya msisimko (n=2) inalingana na utendaji wake wa wimbi:

Hebu tubadilishe (2) katika (1) na tuzingatie hilo na:

Kuelezea kupitia cosine ya pembe mbili kwa kutumia usawa wa trigonometric, tunapata usemi wa uwezekano unaotaka: = = = = = 0.195.

2. Wiani wa uwezekano wa kuwepo kwa chembe katika eneo fulani la nafasi imedhamiriwa na mraba wa moduli ya kazi yake ya wimbi. Kwa kutumia usemi (2), tunapata:

Utegemezi wa moduli ya mraba ya kazi ya wimbi la chembe kwenye uratibu wake, iliyoamuliwa na usemi (3), inavyoonyeshwa kwenye takwimu.

Ni wazi, msongamano wa chini zaidi wa uwezekano w=0 unalingana na maadili ya x ambayo .

Hiyo ni, ,

ambapo k = 0, 1, 2...

Msongamano wa uwezekano w hufikia thamani yake ya juu ndani ya kisima chini ya hali: . Maadili yanayolingana.

Kama inavyoweza kuonekana kutoka kwa grafu ya w= w(x) iliyoonyeshwa kwenye takwimu, katika muda

Kama tunavyoona, msongamano wa uwezekano wa kugundua elektroni kwenye mipaka ya muda fulani ni sawa. Kwa hivyo,,.

Mfano 8. Amua kiasi cha joto kinachohitajika kupasha kioo cha NaCl chenye uzito wa m = 20 g kwa halijoto T 1 = 2 K. Halijoto ya tabia ya Debye kwa NaCl inachukuliwa sawa na 320K.

Kiasi cha joto kinachohitajika kupasha mwili wa misa m kutoka joto T 1 hadi joto T 2 kinaweza kuhesabiwa na formula:

ambapo C ni uwezo wa joto wa molar ya dutu, M ni molekuli ya molar.

Kulingana na nadharia ya Debye, katika halijoto uwezo wa joto wa gego wa vitu vikali vya fuwele hutolewa na:

Kubadilisha usemi (2) kuwa (1) na kujumuisha, tunapata:

Kubadilisha maadili ya nambari na kufanya mahesabu, tunapata Q = 1.22 mJ.

Mfano 9. Kukokotoa kasoro kubwa, nishati inayofunga, na nishati mahususi ya kuunganisha ya kiini.

Kasoro ya msingi ya molekuli imedhamiriwa na formula:

Kwa msingi: Z = 5; A=11.

Tutahesabu kasoro ya wingi katika vitengo visivyo vya utaratibu - vitengo vya molekuli ya atomiki (a.m.u.). Tutachukua data muhimu kutoka kwa jedwali (Kiambatisho 3):

1.00783 a.m.u., =1.00867 a.m.u., = 11.00931 a.m.u.

Kama matokeo ya hesabu kwa kutumia fomula (1), tunapata: =0.08186 a.m.u.

Tutapata pia nishati inayofunga nyuklia katika vitengo vya ziada vya mfumo (MeV), kwa kutumia fomula:

Mgawo wa uwiano = 931.4 MeV/amu, i.e.

Baada ya kubadilisha maadili ya nambari tunapata:

Nishati mahususi ya kumfunga, kwa ufafanuzi, ni sawa na:

Amua nambari ya atomiki na nambari ya misa ya kiini cha pili, toa nukuu ya mfano ya mmenyuko wa nyuklia na uamua athari yake ya nishati.

Mwangaza wa nishati ya mwili R T, kiidadi ni sawa na nishati W, inayotolewa na mwili juu ya safu nzima ya urefu wa mawimbi (0 kwa kila kitengo cha uso wa mwili, kwa muda wa kitengo, kwa joto la mwili T, i.e.

Utoaji hewa wa mwili rl, T idadi sawa na nishati ya mwili dWl, inayotolewa na mwili kutoka kwa kitengo cha uso wa mwili, kwa kila kitengo cha muda kwenye joto la mwili T, katika safu ya urefu wa mawimbi kutoka l hadi l +dl, hizo.

Kiasi hiki pia huitwa wiani wa spectral wa mwangaza wa nishati ya mwili.

Mwangaza wa nishati unahusiana na utoaji hewa kwa fomula

Kunyonya mwili al ,T- nambari inayoonyesha ni sehemu gani ya tukio la nishati ya mionzi kwenye uso wa mwili inachukuliwa nayo katika safu ya urefu wa wimbi kutoka l hadi l +dl, hizo.

Mwili ambao al ,T =1 juu ya safu nzima ya mawimbi inaitwa mwili mweusi kabisa (BLB).

Mwili ambao al ,T =const<1 juu ya safu nzima ya mawimbi inaitwa kijivu.

Wapi- wiani wa spectral mwangaza wa nguvu, au upungufu wa hewa mwilini .

Uzoefu unaonyesha kuwa uzalishaji wa hewa unategemea halijoto ya mwili (kwa kila halijoto kiwango cha juu cha mionzi iko katika masafa yake). Dimension .



Kujua uzalishaji, tunaweza kuhesabu mwangaza wa nguvu:

kuitwa uwezo wa kunyonya wa mwili . Pia inategemea sana joto.

Kwa ufafanuzi, haiwezi kuwa kubwa kuliko moja. Kwa mwili unaofyonza kabisa mionzi ya masafa yote,. Mwili kama huo unaitwa nyeusi kabisa (huu ni udhanifu).

Mwili ambao na ni chini ya umoja kwa masafa yote,kuitwa mwili wa kijivu (hii pia ni dhana).

Kuna uhusiano fulani kati ya uwezo wa kutoa na kunyonya wa mwili. Hebu tufanye kiakili jaribio lifuatalo (Mchoro 1.1).

Mchele. 1.1

Wacha kuwe na miili mitatu ndani ya ganda lililofungwa. Miili iko katika utupu, kwa hivyo kubadilishana nishati kunaweza kutokea tu kupitia mionzi. Uzoefu unaonyesha kwamba mfumo huo, baada ya muda fulani, utafikia hali ya usawa wa joto (miili yote na shell itakuwa na joto sawa).

Katika hali hii, mwili ulio na hewa chafu zaidi hupoteza nishati zaidi kwa wakati wa kitengo, lakini, kwa hivyo, mwili huu lazima pia uwe na uwezo mkubwa wa kunyonya:

Gustav Kirchhoff iliundwa mnamo 1856 sheria na kupendekeza mfano wa mwili mweusi .

Uwiano wa utoaji wa hewa na unyonyaji hautegemei asili ya mwili ni sawa kwa miili yote(zima)kazi ya mzunguko na joto.

, (1.2.3)

Wapi - kazi ya Kirchhoff ya ulimwengu wote.

Chaguo hili la kukokotoa lina herufi ya jumla, au kabisa.

Idadi yenyewe na, ikichukuliwa kando, inaweza kubadilika sana wakati wa kusonga kutoka kwa mwili mmoja hadi mwingine, lakini uwiano wao. daima kwa miili yote (kwa mzunguko fulani na joto).

Kwa mwili mweusi kabisa, kwa hiyo, kwa ajili yake, i.e. kazi ya Kirchhoff ya ulimwengu wote sio zaidi ya kutokwa kwa mwili mweusi kabisa.

Miili nyeusi kabisa haipo katika asili. Masizi au nyeusi ya platinamu ina uwezo wa kunyonya, lakini katika masafa mafupi tu. Hata hivyo, cavity yenye shimo ndogo ni karibu sana katika mali zake kwa mwili mweusi kabisa. Boriti inayoingia ndani ni lazima kufyonzwa baada ya kutafakari nyingi, na boriti ya mzunguko wowote (Mchoro 1.2).

Mchele. 1.2

Utoaji wa hewa wa kifaa kama hicho (cavity) iko karibu sana f(ν, ,T) Kwa hivyo, ikiwa kuta za cavity huhifadhiwa kwa joto T, basi mionzi hutoka kwenye shimo, karibu sana katika utungaji wa spectral kwa mionzi ya mwili mweusi kabisa kwa joto sawa.

Kwa kuoza mionzi hii katika wigo, mtu anaweza kupata fomu ya majaribio ya kazi f(ν, ,T) (Mchoro 1.3), kwa joto tofauti T 3 > T 2 > T 1 .

Mchele. 1.3

Eneo lililofunikwa na curve hutoa mwangaza wa nguvu wa mwili mweusi kwa joto linalolingana.

Curve hizi ni sawa kwa miili yote.

Mikondo inafanana na chaguo za kukokotoa za usambazaji wa kasi ya molekuli. Lakini kuna maeneo yaliyofunikwa na curves ni mara kwa mara, lakini hapa kwa kuongezeka kwa joto eneo hilo huongezeka kwa kiasi kikubwa. Hii inaonyesha kuwa utangamano wa nishati unategemea sana halijoto. Upeo wa mionzi (emissivity) na joto la kuongezeka zamu kuelekea masafa ya juu.

Sheria za mionzi ya joto

Mwili wowote wenye joto hutoa mawimbi ya sumakuumeme. Juu ya joto la mwili, mawimbi mafupi ambayo hutoa. Mwili katika usawa wa thermodynamic na mionzi yake inaitwa nyeusi kabisa (ACHT). Mionzi ya mwili mweusi kabisa inategemea joto lake tu. Mnamo 1900, Max Planck alipata formula ambayo, kwa joto fulani la mwili mweusi kabisa, mtu anaweza kuhesabu ukubwa wa mionzi yake.

Wanafizikia wa Austria Stefan na Boltzmann walianzisha sheria inayoonyesha uhusiano wa kiasi kati ya uzalishaji wa jumla na joto la mwili mweusi:

Sheria hii inaitwa Sheria ya Stefan-Boltzmann . σ = 5.67∙10 -8 W/(m 2 ∙K 4) inaitwa Stefan-Boltzmann mara kwa mara .

Mikondo yote ya Planck ina upeo unaoonekana wazi katika urefu wa wimbi

Sheria hii iliitwa Sheria ya Wien . Kwa hiyo, kwa Sun T 0 = 5,800 K, na upeo hutokea kwa urefu wa wavelength λ max ≈ 500 nm, ambayo inafanana na rangi ya kijani katika upeo wa macho.

Kwa kuongezeka kwa joto, mionzi ya juu ya mwili mweusi kabisa hubadilika hadi sehemu fupi ya urefu wa mawimbi. Nyota yenye joto zaidi hutoa nishati yake nyingi katika mionzi ya urujuanimno, ilhali nyota yenye ubaridi hutoa nishati yake nyingi katika infrared.

Athari ya picha. Picha

Athari ya picha ya umeme iligunduliwa mwaka wa 1887 na mwanafizikia wa Ujerumani G. Hertz na kufanyiwa majaribio na A. G. Stoletov mwaka wa 1888-1890. Utafiti kamili zaidi wa uzushi wa athari ya photoelectric ulifanyika na F. Lenard mwaka wa 1900. Kwa wakati huu, elektroni tayari imegunduliwa (1897, J. Thomson), na ikawa wazi kuwa athari ya photoelectric (au zaidi). kwa usahihi, athari ya picha ya nje) inajumuisha ejection ya elektroni kutoka kwa dutu chini ya ushawishi wa mwanga unaoanguka juu yake.

Mchoro wa usanidi wa majaribio ya kusoma athari ya picha ya umeme unaonyeshwa kwenye Mtini. 5.2.1.

Majaribio yalitumia chupa ya utupu ya kioo na electrodes mbili za chuma, uso ambao ulikuwa umesafishwa kabisa. Voltage fulani ilitumika kwa elektroni U, polarity ambayo inaweza kubadilishwa kwa kutumia ufunguo mara mbili. Moja ya elektrodi (cathode K) iliangaziwa kupitia dirisha la quartz na mwanga wa monochromatic wa urefu fulani wa wimbi λ. Kwa flux ya mara kwa mara ya mwanga, utegemezi wa nguvu ya photocurrent ilichukuliwa I kutoka kwa voltage iliyotumika. Katika Mtini. Mchoro 5.2.2 unaonyesha mikondo ya kawaida ya utegemezi kama huo, iliyopatikana kwa maadili mawili ya ukubwa wa tukio la flux ya mwanga kwenye cathode.

Mikunjo inaonyesha kuwa kwa viwango vya chanya vya kutosha kwenye anode A, mkondo wa picha hufikia kueneza, kwa kuwa elektroni zote zinazotolewa kutoka kwa cathode kwa mwanga hufikia anode. Vipimo vya uangalifu vilionyesha kuwa sasa ya kueneza I n inalingana moja kwa moja na ukubwa wa mwanga wa tukio. Wakati voltage kwenye anode ni mbaya, shamba la umeme kati ya cathode na anode huzuia elektroni. Ni elektroni tu ambazo nishati ya kinetic inazidi | Umoja wa Ulaya|. Ikiwa voltage kwenye anode ni chini ya - U h, mkondo wa picha unasimama. Kupima U h, tunaweza kuamua kiwango cha juu cha nishati ya kinetic ya photoelectrons:

Wajaribio wengi wameanzisha kanuni za msingi zifuatazo za athari ya picha ya umeme:

  1. Upeo wa nishati ya kinetic ya photoelectrons huongezeka kwa mstari na kuongezeka kwa mzunguko wa mwanga ν na haitegemei ukubwa wake.
  2. Kwa kila dutu kuna kinachojulikana mpaka wa athari ya picha nyekundu , yaani masafa ya chini kabisa ν min ambapo athari ya upigaji picha wa nje bado inawezekana.
  3. Idadi ya photoelectrons iliyotolewa na mwanga kutoka kwa cathode katika 1 s inalingana moja kwa moja na mwangaza wa mwanga.
  4. Athari ya picha ya umeme haina nguvu; mkondo wa picha hutokea mara moja baada ya kuanza kwa mwangaza wa cathode, mradi tu mzunguko wa mwanga ν > ν min.

Sheria hizi zote za athari ya fotoelectric kimsingi zilipingana na mawazo ya fizikia ya kitambo kuhusu mwingiliano wa mwanga na jambo. Kulingana na dhana za mawimbi, wakati wa kuingiliana na wimbi la mwanga wa kielektroniki, elektroni ingekusanya nishati polepole, na itachukua muda mwingi, kulingana na ukubwa wa mwanga, kwa elektroni kukusanya nishati ya kutosha kuruka nje ya taa. cathode. Kama mahesabu yanavyoonyesha, wakati huu unapaswa kuhesabiwa kwa dakika au saa. Hata hivyo, uzoefu unaonyesha kwamba photoelectrons huonekana mara moja baada ya kuanza kwa mwanga wa cathode. Katika mfano huu pia haikuwezekana kuelewa kuwepo kwa mpaka nyekundu wa athari ya photoelectric. Nadharia ya wimbi la mwanga haikuweza kuelezea uhuru wa nishati ya photoelectrons kutoka kwa ukubwa wa flux ya mwanga na uwiano wa nishati ya juu ya kinetic kwa mzunguko wa mwanga.

Kwa hivyo, nadharia ya sumakuumeme ya mwanga haikuweza kueleza mifumo hii.

Suluhisho lilipatikana na A. Einstein mwaka wa 1905. Ufafanuzi wa kinadharia wa sheria zilizozingatiwa za athari ya photoelectric ilitolewa na Einstein kwa misingi ya hypothesis ya M. Planck kwamba mwanga hutolewa na kufyonzwa katika sehemu fulani, na nishati ya kila aina hiyo. sehemu imedhamiriwa na formula E = hν, wapi h- Planck mara kwa mara. Einstein alichukua hatua inayofuata katika ukuzaji wa dhana za quantum. Alihitimisha kuwa mwanga una muundo wa kutoendelea (discrete).. Wimbi la umeme lina sehemu tofauti - quanta, iliyoitwa baadaye fotoni. Wakati wa kuingiliana na suala, photon huhamisha kabisa nishati yake yote h elektroni moja. Elektroni inaweza kutawanya sehemu ya nishati hii wakati wa mgongano na atomi za mada. Kwa kuongeza, sehemu ya nishati ya elektroni hutumiwa kuondokana na kizuizi kinachowezekana kwenye interface ya chuma-utupu. Kwa kufanya hivyo, elektroni lazima ifanye kazi ya kazi A, kulingana na mali ya nyenzo za cathode. Nishati ya juu ya kinetic ambayo photoelectron iliyotolewa kutoka kwa cathode inaweza kuwa imedhamiriwa na sheria ya uhifadhi wa nishati:

Fomula hii kawaida huitwa Mlinganyo wa Einstein kwa athari ya picha ya umeme .

Kwa kutumia mlinganyo wa Einstein, sheria zote za athari ya nje ya umeme zinaweza kuelezwa. Mlinganyo wa Einstein unamaanisha utegemezi wa mstari wa upeo wa juu wa nishati ya kinetiki kwenye marudio na uhuru wa mwangaza wa mwanga, kuwepo kwa mpaka mwekundu, na athari ya photoelectric isiyo na inertia. Jumla ya idadi ya elektroni zinazoondoka kwenye uso wa cathode katika sekunde 1 lazima iwiane na idadi ya tukio la fotoni kwenye uso kwa wakati mmoja. Inafuata kutoka kwa hili kwamba sasa ya kueneza lazima iwe sawa sawa na ukubwa wa flux ya mwanga.

Kama ifuatavyo kutoka kwa equation ya Einstein, tangent ya pembe ya mwelekeo wa mstari wa moja kwa moja inayoonyesha utegemezi wa uwezo wa kuzuia. Uз kutoka kwa mzunguko ν (Mchoro 5.2.3), sawa na uwiano wa mara kwa mara wa Planck h kwa malipo ya elektroni e:

Wapi c- kasi ya mwanga, λ cr - urefu wa wavelength unaofanana na mpaka mwekundu wa athari ya photoelectric. Metali nyingi zina kazi ya kufanya kazi A ni volts kadhaa za elektroni (1 eV = 1.602 · 10 -19 J). Katika fizikia ya quantum, volt ya elektroni mara nyingi hutumiwa kama kitengo cha nishati. Thamani ya mara kwa mara ya Planck, iliyoonyeshwa kwa volt elektroni kwa sekunde, ni

Miongoni mwa metali, vipengele vya alkali vina kazi ya chini kabisa ya kazi. Kwa mfano, sodiamu A= 1.9 eV, ambayo inalingana na kikomo nyekundu cha athari ya picha ya umeme λ cr ≈ 680 nm. Kwa hiyo, misombo ya chuma ya alkali hutumiwa kuunda cathodes ndani seli za picha , iliyoundwa kwa ajili ya kurekodi mwanga unaoonekana.

Kwa hivyo, sheria za athari ya fotoelectric zinaonyesha kuwa nuru, inapotolewa na kufyonzwa, hufanya kama mkondo wa chembe zinazoitwa. fotoni au quanta nyepesi .

Nishati ya photon ni

inafuata kwamba photon ina kasi

Kwa hivyo, mafundisho ya nuru, baada ya kukamilisha mapinduzi ya karne mbili, tena yalirudi kwenye mawazo ya chembe za mwanga - corpuscles.

Lakini hii haikuwa kurudi kwa mitambo kwa nadharia ya ushirika ya Newton. Mwanzoni mwa karne ya 20, ikawa wazi kuwa nuru ina asili mbili. Wakati mwanga unapoenea, sifa zake za wimbi huonekana (kuingilia kati, diffraction, polarization), na inapoingiliana na suala, sifa zake za corpuscular zinaonekana (athari ya photoelectric). Hali hii mbili ya mwanga inaitwa uwili wa chembe ya wimbi . Baadaye, asili mbili za elektroni na chembe nyingine za msingi ziligunduliwa. Fizikia ya kitamaduni haiwezi kutoa mfano wa kuona wa mchanganyiko wa mawimbi na mali ya mwili ya vitu vidogo. Harakati ya vitu vidogo haidhibitiwi na sheria za mechanics ya zamani ya Newton, lakini na sheria za mechanics ya quantum. Nadharia ya mionzi ya mwili mweusi iliyotengenezwa na nadharia ya quantum ya M. Planck na Einstein ya athari ya picha ya umeme iko kwenye msingi wa sayansi hii ya kisasa.

d Φ e (\mtindo wa kuonyesha d\Phi _(e)), iliyotolewa na eneo ndogo la uso wa chanzo cha mionzi, kwa eneo lake d S (\mtindo wa kuonyesha dS) : M e = d Φ e d S . (\displaystyle M_(e)=(\frac (d\Phi _(e))(dS)).)

Pia inasemekana kuwa mwangaza wa nishati ni msongamano wa uso wa flux ya mionzi iliyotolewa.

Kiidadi, mwangaza wa nishati ni sawa na moduli ya wastani ya wakati wa sehemu ya vekta ya Poynting perpendicular kwa uso. Katika kesi hii, wastani unafanywa kwa muda kwa kiasi kikubwa zaidi ya kipindi cha oscillations ya umeme.

Mionzi iliyotolewa inaweza kutokea kwenye uso yenyewe, basi wanazungumza juu ya uso unaoangaza. Chaguo jingine linazingatiwa wakati uso unaangazwa kutoka nje. Katika hali kama hizi, baadhi ya sehemu ya mtiririko wa tukio lazima kurudi nyuma kama matokeo ya kutawanyika na kutafakari. Halafu usemi wa mwangaza wa nguvu una fomu:

M e = (ρ + σ) ⋅ E e , (\displaystyle M_(e)=(\rho +\sigma)\cdot E_(e),)

Wapi ρ (\mtindo wa kuonyesha \rho ) Na σ (\mtindo wa kuonyesha \sigma )- mgawo wa kutafakari na mgawo wa kueneza wa uso, kwa mtiririko huo, na - irradiance yake.

Majina mengine ya mwangaza wa nguvu, wakati mwingine hutumiwa katika fasihi, lakini haijatolewa na GOST: - ukosefu wa hewa Na moshi muhimu.

Msongamano wa Spectral wa mwangaza wa nishati

Msongamano wa Spectral wa mwangaza wa nishati M e , λ (λ) (\displaystyle M_(e,\lambda )(\lambda))- uwiano wa ukubwa wa mwangaza wa nishati d M e (λ) , (\displaystyle dM_(e)(\lambda),) kuanguka kwa muda mdogo wa spectral d λ , (\displaystyle d\lambda ,), alihitimisha kati ya λ (\mtindo wa kuonyesha \lambda) Na λ + d λ (\mtindo wa kuonyesha \lambda +d\lambda), kwa upana wa muda huu:

M e , λ (λ) = d M e (λ) d λ . (\displaystyle M_(e,\lambda )(\lambda)=(\frac (dM_(e)(\lambda))(d\lambda )).)

Kitengo cha SI ni W m−3. Kwa kuwa urefu wa mawimbi ya mionzi ya macho hupimwa kwa kawaida katika nanometers, katika mazoezi W m -2 nm -1 hutumiwa mara nyingi.

Wakati mwingine katika fasihi M e , λ (\displaystyle M_(e,\lambda )) zinaitwa hewa chafu ya spectral.

Analog nyepesi

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 ,)

Wapi K m (\mtindo wa kuonyesha K_(m))- ufanisi mkubwa wa mionzi ya mwanga sawa na 683 lm / W katika mfumo wa SI. Thamani yake ya nambari hufuata moja kwa moja kutoka kwa ufafanuzi wa candela.

Taarifa kuhusu kiasi kingine cha nishati ya photometric na mifano yao ya mwanga imetolewa kwenye jedwali. Uteuzi wa idadi hutolewa kulingana na GOST 26148-84.

Idadi ya SI ya photometric ya nishati
Jina (kisawe) Uteuzi wa wingi Ufafanuzi nukuu za vitengo vya SI Ukubwa wa mwanga
Nishati ya mionzi (nishati ya mionzi) Q e (\mtindo wa kuonyesha Q_(e)) au W (\mtindo wa kuonyesha W) Nishati inayohamishwa na mionzi J Nuru nishati
Mzunguko wa mionzi (mtiririko wa radiant) Φ (\mtindo wa kuonyesha \Phi ) e au P (\mtindo wa kuonyesha P) Φ e = d Q e d t (\displaystyle \Phi _(e)=(\frac (dQ_(e))(dt))) W Mtiririko wa mwanga
Nguvu ya mionzi (nguvu ya nishati nyepesi) Mimi e (\mtindo wa kuonyesha I_(e)) I e = d Φ e d Ω (\displaystyle I_(e)=(\frac (d\Phi _(e))(d\Omega ))) W sr -1 Nguvu ya mwanga
Uzito wa nishati ya mionzi ya volumetric U e (\mtindo wa kuonyesha U_(e)) U e = d Q e d V (\displaystyle U_(e)=(\frac (dQ_(e))(dV))) J m -3 Wiani wa volumetric ya nishati ya mwanga
Nishati mwangaza L e (\mtindo wa kuonyesha 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 Mwangaza
Mwangaza wa nishati muhimu Λ e (\mtindo wa kuonyesha \Lambda _(e)) Λ e = ∫ 0 t L e (t ′) d t ′ (\mtindo wa kuonyesha \Lambda _(e)=\int _(0)^(t)L_(e)(t")dt") J m −2 sr -1 Mwangaza muhimu
Mionzi (mwardi) E e (\mtindo wa kuonyesha E_(e)) E e = d Φ e d S 2 (\displaystyle E_(e)=(\frac (d\Phi _(e))(dS_(2)))) W m−2