ТЕПЛОВЕ ВИМИКАННЯ Закон Стефана Больцмана Зв'язок енергетичної світності R e та спектральної щільності енергетичної світності абсолютно чорного тіла Енергетична світність сірого тіла Закон усунення Вина (1-ий закон) Залежність максимальної спектральної щільності енергетичної світності чорного тіла від температури (2-ий закон)
ТЕПЛОВЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ 1. Максимум спектральної щільності енергетичної світності Сонця посідає довжину хвилі = 0,48 мкм. Вважаючи, що Сонце випромінює як чорне тіло, визначити: 1) температуру його поверхні; 2) потужність, що випромінюється його поверхнею. Відповідно до закону усунення Вина Потужність, що випромінюється поверхнею Сонця Відповідно до закону Стефана Больцмана,
ТЕПЛОВЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ 2. Визначити кількість теплоти, що втрачається 50 см 2 з поверхні розплавленої платини за 1 хв, якщо поглинальна здатність платини А Т = 0,8. Температура плавлення платини дорівнює 1770 °С. Кількість теплоти, що втрачається платиною, дорівнює енергії, що випромінюється її розпеченою поверхнею Відповідно до закону Стефана Больцмана,
ТЕПЛОВЕ ВИМИКАННЯ 3. Електрична піч споживає потужність Р = 500 Вт. Температура її внутрішньої поверхні при відкритому невеликому отворі діаметром d = 5 см дорівнює 700 °С. Яка частина споживаної потужності розсіюється стінами? Повна потужність визначається сумою Потужність, що виділяється через отвір Потужність, що розсіюється стінками Відповідно до закону Стефана Больцмана,
ТЕПЛОВЕ ВИМИКАННЯ 4 Вольфрамова нитка розжарюється у вакуумі струмом силою I = 1 А до температури T 1 = 1000 К. При якій силі струму нитка розжариться до температури Т 2 = 3000 К? Коефіцієнти поглинання вольфраму та його питомі опори, що відповідають температурам T 1, Т 2 рівні: a 1 = 0,115 та a 2 = 0,334; 1 = 25, Ом м, 2 = 96, Ом м Потужність випромінювана дорівнює потужності споживаної від електричного ланцюга в режимі, що встановився,
ТЕПЛОВЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ 5. У спектрі Сонця максимум спектральної щільності енергетичної світності посідає довжину хвилі.0 = 0,47 мкм. Взявши, що Сонце випромінює як абсолютно чорне тіло, знайти інтенсивність сонячної радіації (тобто щільність потоку випромінювання) поблизу Землі поза її атмосфери. Сила світла (інтенсивність випромінювання) Світловий потік Відповідно до законів Стефана Больцмана та Вина
ТЕПЛОВЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ 6. Довжина хвилі 0, на яку припадає максимум енергії в спектрі випромінювання чорного тіла, дорівнює 0,58 мкм. Визначити максимальну спектральну щільність енергетичної світності (r,T) max, розраховану на інтервал довжин хвиль = 1 нм, поблизу 0. Максимальна спектральна щільність енергетичної світності пропорційна п'ятому ступеню температури і виражається 2-м законом. дано в одиницях СІ, у яких одиничний інтервал довжин хвиль =1 м. За умовою ж завдання потрібно обчислити спектральну щільність енергетичної світності, розраховану на інтервал довжин хвиль 1 нм, тому випишемо значення С в одиницях СІ і перерахуємо його на заданий інтервал довжин хвиль:
ТЕПЛОВЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ 7. Дослідження спектра випромінювання Сонця показує, що максимум спектральної щільності енергетичної світності відповідає довжині хвилі = 500 нм. Приймаючи Сонце за чорне тіло, визначити: 1) енергетичну світність R e Сонця; 2) потік енергії Ф е, що випромінюється Сонцем; 3) масу електромагнітних хвиль (всіх довжин), що випромінюються Сонцем за 1 с. 1. Відповідно до законів Стефана Больцмана і Вина 2. Світловий потік 3. Масу електромагнітних хвиль (всіх довжин), що випромінюються Сонцем за час t=1 с, визначимо, застосувавши закон пропорційності маси та енергії Е=мс 2. Енергія електромагнітних хвиль, що випромінюються за час t, дорівнює добутку потоку енергії Ф e ((потужності випромінювання) на час: E = Ф e t. Отже, Ф е = мс 2, звідки m = Ф е / с2.
d Φ e (\displaystyle d\Phi _(e)), що випускається малою ділянкою поверхні джерела випромінювання, до його площі d S (\displaystyle dS) : M e = d Φ e d S .(\displaystyle M_(e)=(\frac (d\Phi _(e))(dS)).)
Кажуть також, що енергетична світність - це поверхнева щільність потоку випромінювання, що випускається.
Випромінюване випромінювання може виникати в самій поверхні, тоді говорять про поверхню, що самосвітиться. Інший варіант спостерігається при освітленні поверхні ззовні. У таких випадках деяка частина падаючого потоку в результаті розсіювання та відображення обов'язково повертається назад. Тоді вираз для енергетичної світності має вигляд:
M e = (ρ + σ) ⋅ E e , (\displaystyle M_(e)=(\rho +\sigma)\cdot E_(e),)де ρ (\displaystyle \rho )і σ (\displaystyle \sigma )- Коефіцієнт, відбиття і коефіцієнт розсіяння поверхні відповідно, а - її опроміненість.
Інші, що іноді використовуються в літературі, але не передбачені ГОСТом найменування енергетичної світності: - випромінюваністьі інтегральна випускна здатність.
Спектральна щільність енергетичної світності
Спектральна щільність енергетичної світності M e , λ (λ) (\displaystyle M_(e,\lambda )(\lambda))- Відношення величини енергетичної світності d M e (λ) , (\displaystyle dM_(e)(\lambda),)що припадає на малий спектральний інтервал dλ, (\displaystyle d\lambda,), укладений між λ (\displaystyle \lambda)і λ + d λ (\displaystyle \lambda +d\lambda ), до ширини цього інтервалу:
M e , (λ) = d Me (λ) d λ .(\displaystyle M_(e,\lambda )(\lambda)=(\frac (dM_(e)(\lambda))(d\lambda )).)
Одиницею виміру у системі СІ є Вт·м −3 . Оскільки довжини хвиль оптичного випромінювання прийнято вимірювати в нанометрах , то на практиці часто використовується Вт · м -2 · Нм -1 . Іноді у літературі M e , λ (\displaystyle M_(e,\lambda )) іменують.
спектральною випромінювальною здатністю
Світловий аналогде M v = K m ⋅ ∫ 380 n m 780 n m Me , 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 ,) K m (\displaystyle K_(m))
- максимальна світлова ефективність випромінювання, рівна в системі СІ 683 лм/Вт. Її чисельне значення випливає безпосередньо з визначення кандели.
Відомості про інші основні енергетичні фотометричні величини та їх світлові аналоги наведені в таблиці. Позначення величин дано за ГОСТ 26148-84.| Енергетичні фотометричні величини СІ | Назва (синонім) | Позначення величини | Визначення | Позначення одиниць СІ |
|---|---|---|---|---|
| Світлова величина | Енергія випромінювання (промениста енергія) Q e (\displaystyle Q_(e)) або | W (\displaystyle W) | Енергія, що переноситься випромінюванням | Дж |
| Світлова енергія | Потік випромінювання (променистий потік)Φ (\displaystyle \Phi ) P (\displaystyle P) | Φ e = d Q e d t (\displaystyle \Phi _(e)=(\frac (dQ_(e))(dt))) | Вт | Світловий потік |
| Сила випромінювання (енергетична сила світла) | I e (\displaystyle I_(e)) | I e = d Φ e d Ω (\displaystyle I_(e)=(\frac (d\Phi _(e))(d\Omega ))) | Вт·ср −1 | Сила світла |
| Об'ємна щільність енергії випромінювання | U e (\displaystyle U_(e)) | U e = d Q e d V (\displaystyle U_(e)=(\frac (dQ_(e))(dV))) | Дж·м −3 | Об'ємна щільність світлової енергії |
| Енергетична яскравість | 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))) | Вт·м −2 ·ср −1 | Яскравість |
| Інтегральна енергетична яскравість | Λ e (\displaystyle \Lambda _(e)) | e = ∫ 0 t L e (t ') d t ' (\displaystyle \Lambda _(e)=\int _(0)^(t)L_(e)(t")dt") | Дж·м −2 ·пор −1 | Інтегральна яскравість |
| Опроміненість (енергетична освітленість) | E e (\displaystyle E_(e)) | E e = d Φ e d S 2 (\displaystyle E_(e)=(\frac (d\Phi _(e))(dS_(2)))) | Вт·м −2 |
Спектральна щільність енергетичної світності (яскравості) – це функція, що показує розподіл енергетичної світності (яскравості) за спектром випромінювання.
Маючи на увазі, що:
Енергетична світність - це поверхнева щільність потоку енергії, що випромінюється поверхнею
Енергетична яскравість - це величина потоку, що випромінюється одиницею площі в одиницю тілесного кута в даному напрямку
Абсолютно чорне тіло- фізична ідеалізація, що застосовується в термодинаміці, тіло, що поглинає електромагнітне випромінювання, що все падає на нього, у всіх діапазонах і нічого не відображає. Незважаючи на назву, абсолютно чорне тіло може випускати електромагнітне випромінювання будь-якої частоти і візуально мати колір. Спектр випромінювання абсолютно чорного тіла визначається лише його температурою.
Абсолютно чорне тіло
Абсолютно чорне тіло- це фізична абстракція (модель), під якою розуміють тіло, що повністю поглинає електромагнітне випромінювання, що все падає на нього.
Для абсолютно чорного тіла
Сіре тіло
Сіре тіло- це таке тіло, коефіцієнт поглинання якого не залежить від частоти, а залежить лише від температури
Для сірого тіла
Закон кірхгофу для теплового випромінювання
Відношення випромінювальної здатності будь-якого тіла до його поглинальної здатності однаково для всіх тіл при даній температурі для даної частоти і не залежить від їхньої форми та хімічної природи.
Температурна залежність спектральної щільності енергетичної світності абсолютно чорного тіла
Залежно від спектральної щільності енергії випромінювання L (Т) чорного тіла від температури Т в мікрохвильовому діапазоні випромінювання, встановлюється для діапазону температур від 6300 до 100000 До.
Закон усунення Винадає залежність довжини хвилі, де потік випромінювання енергії чорного тіла досягає свого максимуму, від температури чорного тіла.
B = 2,90 * м * До
Закон Стефана-Больцмана
Формула релею-джинсу
формула планка
постійна планка
Фотоефект- це випромінювання електронів речовиною під впливом світла (і, взагалі кажучи, будь-якого електромагнітного випромінювання). У конденсованих речовинах (твердих та рідких) виділяють зовнішній та внутрішній фотоефект.
Закони фотоефекту:
Формулювання 1-го закону фотоефекту: кількість електронів, що вириваються світлом з поверхні металу за одиницю часу на даній частоті, прямо пропорційно світловому потоку, що висвітлює метал.
Згідно 2-му закону фотоефекту, максимальна кінетична енергія електронів, що вириваються світлом, лінійно зростає з частотою світла і не залежить від його інтенсивності.
Третій закон фотоефекту: для кожної речовини існує червона межа фотоефекту, тобто мінімальна частота світла (або максимальна довжина хвилі λ 0), при якій ще можливий фотоефект, і якщо , то фотоефект вже не відбувається.
Фотон- Елементарна частка, квант електромагнітного випромінювання (у вузькому сенсі -світла). Це безмасова частка, здатна існувати лише рухаючись зі швидкістю світла. Електричний заряд фотона також дорівнює нулю.
Рівняння Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту
Фотоелемент- електронний прилад, який перетворює енергію фотонів на електричну енергію. Перший фотоелемент, заснований на зовнішньому фотоефекті, створив Олександр Столетов наприкінці ХІХ століття.
енергія маса та імпульс фотона
Тиск світла- це тиск, який виробляють електромагнітні світлові хвилі, що падають на поверхню якогось тіла.
Тиск р, що чиниться хвилею на поверхню металу, можна було розрахувати, як відношення рівнодіючої сил Лоренца, що діють на вільні електрони в поверхневому шарі металу, до площі поверхні металу:
Квантова теорія світла пояснює тиск світлаяк наслідок передачі фотонами свого імпульсу атомам чи молекулам речовини.
Ефект Комптону(Комптон-ефект) - явище зміни довжини хвилі електромагнітного випромінювання внаслідок пружного розсіювання його електронами
Комптонівська довжина хвилі
Гіпотеза де Бройляу тому, що французький фізик Луї де Бройль висунув ідею приписати хвильові властивості електрону. Проводячи аналогію між квантом, де Бройль припустив, що рух електрона або будь-якої іншої частинки, що має масу спокою, пов'язане з хвильовим процесом.
Гіпотеза де Бройлявстановлює, що частинці, що рухається, що володіє енергією E і імпульсом p, відповідає хвильовий процес, частота якого дорівнює:
а довжина хвилі:
де p - імпульс частинки, що рухається.
Досвід Девіссона-Джермера- фізичний експеримент з дифракції електронів, проведений 1927 р. американськими вченими Клінтоном Девіссоном і Лестером Джермером.
Проводилося дослідження відбиття електронів від монокристалу нікелю. Установка включала монокристал нікелю, зішліфований під кутом і встановлений на тримачі. На площину шліфу прямував перпендикулярно пучок монохроматичних електронів. Швидкість електронів визначалася напругою на електронній гарматі:
Під кутом до пучка електронів, що падає, встановлювався циліндр Фарадея, з'єднаний з чутливим гальванометром. За показаннями гальванометра визначалася інтенсивність відбитого кристала електронного пучка. Уся установка знаходилася у вакуумі.
У дослідах вимірювалася інтенсивність розсіяного кристалом електронного пучка залежно від кута розсіювання від азимутального кута від швидкості електронів в пучку.
Досліди показали, що є яскраво виражена селективність (вибірковість) розсіювання електронів. При різних значеннях кутів та швидкостей, у відбитих променях спостерігаються максимуми та мінімуми інтенсивності. Умова максимуму:
Тут - міжплощинна відстань.
Таким чином спостерігалася дифракція електронів на кристалічній решітці монокристалу. Досвід став блискучим підтвердженням існування у мікрочастинок хвильових властивостей.
Хвильова функція, або псі-функція- Комплекснозначна функція, яка використовується в квантовій механіці для опису чистого стану системи. Є коефіцієнтом розкладання вектора стану за базисом (зазвичай координатним):
де – координатний базисний вектор, а – хвильова функція в координатному поданні.
Фізичний зміст хвильової функції полягає в тому, що згідно з копенгагенською інтерпретацією квантової механіки щільність ймовірності знаходження частинки в даній точці простору в даний момент часу вважається рівною квадрату абсолютного значення хвильової функції цього стану в координатному поданні.
Принцип невизначеності Гейзенберга(або Гайзенберга) у квантовій механіці - фундаментальна нерівність (співвідношення невизначеностей), що встановлює межу точності одночасного визначення пари, що характеризують квантову систему фізичних спостережуваних (див. фізична величина), що описуються некомутируючими операторами (наприклад, координати та імпульсу, струму і напруги, електричного та магнітного поля). Співвідношення невизначеностей [* 1] задає нижню межу для твору середньоквадратичних відхилень кількох квантових спостережуваних. Принцип невизначеності, відкритий Вернером Гейзенбергом у 1927 р., є одним із наріжних каменів квантової механіки.
Позначення величиниЯкщо є кілька (багато) ідентичних копій системи в даному стані, то виміряні значення координати та імпульсу підпорядковуватимуться певному розподілу ймовірності - це фундаментальний постулат квантової механіки. Вимірюючи величину середньоквадратичного відхилення координати та середньоквадратичного відхилення імпульсу, ми знайдемо що:
Рівняння шредінгера
Потенційна яма– область простору, де є локальний мінімум потенційної енергії частки.
Тунельний ефект, тунелювання- подолання мікрочастинкою потенційного бар'єру у разі, коли її повна енергія (що залишається при тунелюванні незмінною) менше висоти бар'єру. Тунельний ефект - явище винятково квантової природи, неможливе і навіть суперечить класичній механіці. Аналогом тунельного ефекту в хвильовій оптиці може бути проникнення світлової хвилі всередину відбиває середовища (на відстані порядку довжини світлової хвилі) в умовах, коли, з точки зору геометричної оптики, відбувається повне внутрішнє відображення. Явище тунелювання лежить в основі багатьох важливих процесів в атомній та молекулярній фізиці, у фізиці атомного ядра, твердого тіла тощо.
Гармонійний осциляторв квантовій механіці є квантовий аналог простого гармонійного осцилятора, при цьому розглядають не сили, що діють на частинку, а гамільтоніан, тобто повну енергію гармонійного осцилятора, причому потенційна енергія передбачається квадратично залежною від координат. Облік наступних доданків у розкладанні потенційної енергії за координатою веде до поняття ангармонічного осцилятора.
Вивчення будови атомів показало, що атоми складаються із позитивно зарядженого ядра, в якому зосереджена майже вся маса. ч атома і рухомих навколо ядра негативно заряджених електронів.
Планетарна модель атома Бора-Резерфорда. У 1911 році Ернест Резерфорд, зробивши ряд експериментів, дійшов висновку, що атом є подібністю до планетної системи, в якій електрони рухаються по орбітах навколо розташованого в центрі атома важкого позитивно зарядженого ядра («модель атома Резерфорда»). Однак такий опис атома увійшов у суперечність із класичною електродинамікою. Справа в тому, що, згідно з класичною електродинамікою, електрон при русі з доцентровим прискоренням повинен випромінювати електромагнітні хвилі, а, отже, втрачати енергію. Розрахунки показували, що час, за який електрон у такому атомі впаде на ядро, зовсім незначний. Для пояснення стабільності атомів Нільсу Бору довелося запровадити постулати, які зводилися до того що, що електрон в атомі, перебуваючи у деяких спеціальних енергетичних станах, не випромінює енергію («модель атома Бора-Резерфорда»). Постулати Бора показали, що з опису атома класична механіка непридатна. Подальше вивчення випромінювання атома призвело до створення квантової механіки, яка дозволила пояснити переважну більшість спостережуваних фактів.
Спектри випромінювання атомівзазвичай виходять за високої температури джерела світла (плазма, дуга чи іскра), коли він відбувається випаровування речовини, розщеплення його молекул окремі атоми і збудження атомів до світіння. Атомний аналіз може бути як емісійним – дослідження спектрів випромінювання, так і абсорбційним – дослідження спектрів поглинання.
Спектр випромінювання атома є набір спектральних ліній. Спектральна лінія з'являється в результаті монохроматичного світлового випромінювання при переході електрона з одного електронного підрівня, що допускається постулатом Бору, на інший підрівень різних рівнів. Це випромінювання характеризується довжиною хвилі, частотою v або хвильовим числом с.
Спектр випромінювання атома є набір спектральних ліній. Спектральна лінія з'являється в результаті монохроматичного світлового випромінювання при переході електрона з одного електронного підрівня, що допускається постулатом Бору, на інший підрівень різних рівнів.
Бо́ровська модель атома (Модель Бора)- Напівкласична модель атома, запропонована Нільсом Бором в 1913 р. За основу він взяв планетарну модель атома, висунуту Резерфордом. Однак, з погляду класичної електродинаміки, електрон у моделі Резерфорда, рухаючись навколо ядра, мав би випромінювати безперервно, і дуже швидко, втративши енергію, впасти на ядро. Щоб подолати цю проблему, Бор ввів припущення, суть якого полягає в тому, що електрони в атомі можуть рухатися тільки по певних (стаціонарних) орбітах, перебуваючи на яких вони не випромінюють, а випромінювання або поглинання відбувається тільки в момент переходу з однієї орбіти на іншу. Причому стаціонарними є ті орбіти, під час руху якими момент кількості руху електрона дорівнює цілій кількості постійних Планка : .
Використовуючи це припущення і закони класичної механіки, а саме рівність сили тяжіння електрона з боку ядра і відцентрової сили, що діє на електрон, що обертається, він отримав наступні значення для радіусу стаціонарної орбіти і енергії електрона, що знаходиться на цій орбіті:
Тут – маса електрона, Z – кількість протонів у ядрі, – діелектрична постійна, e – заряд електрона.
Саме такий вираз енергії можна отримати, застосовуючи рівняння Шредінгера, вирішуючи завдання про рух електрона в центральному кулонівському полі.
Радіус першої орбіти в атомі водню R 0 =5,2917720859 (36) · 10 -11 м, нині називається борівським радіусом, або атомною одиницею довжини і широко використовується в сучасній фізиці. Енергія першої орбіти еВ є енергію іонізації атома водню.
Постулати Бора
§ Атом може бути тільки в особливих стаціонарних, або квантових, станах, кожному з яких відповідає певна енергія. У стаціонарному стані атом не випромінює електромагнітних хвиль.
§ Електрон в атомі, не втрачаючи енергії, рухається по певних дискретних кругових орбіт, для яких момент імпульсу квантується: , де - натуральні числа, а - постійна Планка. Перебування електрона на орбіті визначає енергію цих стаціонарних станів.
§ При переході електрона з орбіти (енергетичний рівень) на орбіту випромінюється або поглинається квант енергії, де - енергетичні рівні, між якими здійснюється перехід. При переході з верхнього рівня на нижній енергія випромінюється, при переході з нижнього на верхній поглинається.
Використовуючи дані постулати та закони класичної механіки, Бор запропонував модель атома, що нині називається Боровською моделлю атома. Надалі Зоммерфельд розширив теорію Бора у разі еліптичних орбіт. Її називають моделлю Бора-Зоммерфельда.
Досліди франка та герца
досвід показав, що електрони передають свою енергію атомам ртуті порціями , причому 4,86 еВ – найменша можлива порція, яка може бути поглинена атомом ртуті в основному енергетичному стані
Формула бальмеру
Для опису довжин хвиль чотирьох видимих ліній спектру водню І. Бальмер запропонував формулу
де n = 3, 4, 5, 6; b = 3645,6 Å.
В даний час для серії Бальмера використовують окремий випадок формули Рідберга:
де λ - довжина хвилі,
R≈ 1,0974·10 7 м −1 - постійна Рідберга,
n- Головне квантове число вихідного рівня - натуральне число, більше або дорівнює 3.
Водоподібний атом- атом, що містить в електронній оболонці один і лише один електрон.
Рентгенівське випромінювання- електромагнітні хвилі, енергія фотонів яких лежить на шкалі електромагнітних хвиль між ультрафіолетовим випромінюванням та гамма-випромінюванням, що відповідає довжинам хвиль від 10 −2 до 10 3 Å (від 10 −12 до 10 −7 м)
Рентгенівська трубка- Електровакуумний прилад, призначений для створення рентгенівського випромінювання.
Гальмівне випромінювання- електромагнітне випромінювання, що випускається зарядженою часткою при її розсіюванні (гальмуванні) в електричному полі. Іноді поняття «гальмівне випромінювання» включають також випромінювання релятивістських заряджених частинок, що рухаються в макроскопічних магнітних полях (в прискорювачах, в космічному просторі), і називають його магнітотормозним; проте найбільш вживаним у разі є термін «синхротронное випромінювання».
ХАРАКТЕРИСТИЧНЕ ВИМИКАННЯ- Рентг. випромінювання лінійного спектру. Характерно атомів кожного елемента.
Хімічний зв'язок- явище взаємодії атомів, обумовлене перекриттям електронних хмар частинок, що зв'язуються, яке супроводжується зменшенням повної енергії системи.
молекулярний спектр- Спектр випромінювання (поглинання), що виникає при квантових переходах між рівнями енергії молекул
Енергетичний рівень- власні значення енергії квантових систем, тобто систем, які з мікрочастинок (електронів, протонів та інших елементарних частинок) і підпорядковуються законам квантової механіки.
Квантове число n – головне . Воно визначає енергію електрона в атомі водню та одноелектронних системах (He +, Li 2+ і т. д.). У цьому випадку енергія електрона
де nприймає значення від 1 до ∞. Чим менше nтим більше енергія взаємодії електрона з ядром. При n= 1 атом водню знаходиться в основному стані, при n> 1 – у збудженому.
Правилами відборуу спектроскопії називають обмеження та заборону на переходи між рівнями квантомеханічної системи з поглинанням або випромінюванням фотона, накладені законами збереження та симетрією.
Багатоелектронними атомаминазиваються атоми з двома та більше електронами.
Ефект Зеємана- Розщеплення ліній атомних спектрів у магнітному полі.
Виявлено 1896 р. Зееманом для емісійних ліній натрію.
Суть явища електронного парамагнітного резонансу полягає у резонансному поглинанні електромагнітного випромінювання неспареними електронами. Електрон має спин та асоційований з ним магнітний момент.
Енергія, що втрачає тіло внаслідок теплового випромінювання, характеризується такими величинами.
Потік випромінювання (Ф) -енергія, що випромінюється за одиницю часу з усієї поверхні тіла.
Фактично це потужність теплового випромінювання. Розмірність потоку випромінювання – [Дж/с = Вт].
Енергетична світність (Re) -енергія теплового випромінювання, що випускається за одиницю часу з одиничної поверхні нагрітого тіла:
У системі СІ енергетична світність вимірюється - [Вт/м2].
Потік випромінювання та енергетична світність залежать від будови речовини та її температури: Ф = Ф(Т),
Розподіл енергетичної світності за спектром теплового випромінювання характеризує її спектральна густина.Позначимо енергію теплового випромінювання, що випускається одиничною поверхнею за 1 с у вузькому інтервалі довжин хвиль від λ до λ + d λ, через dRe.
Спектральна щільність енергетичної світності (r) або випромінювальна здатністьназивається відношення енергетичної світності у вузькій ділянці спектру (dRe) до ширини цієї ділянки (dλ):
Зразковий вид спектральної щільності та енергетична світність (dRe) в інтервалі хвиль від λ до λ + d λ, показано на рис. 13.1.
Мал. 13.1.Спектральна щільність енергетичної світності
Залежність спектральної щільності енергетичної світності від довжини хвилі називають спектром випромінювання тіла. Знання цієї залежності дозволяє розрахувати енергетичну світність тіла у будь-якому діапазоні довжин хвиль. Формула для розрахунку енергетичної світності тіла в діапазоні довжин хвиль має вигляд:
Повна світність дорівнює:
Тіла не лише випромінюють, а й поглинають теплове випромінювання. Здатність тіла до поглинання енергії випромінювання залежить від його речовини, температури та довжини хвилі випромінювання. Поглинальну здатність тіла характеризує монохроматичний коефіцієнт поглинання.
Нехай на поверхню тіла падає потік монохроматичноговипромінювання Φ λ з довжиною хвилі λ. Частина цього потоку відбивається, а частина поглинається тілом. Позначимо величину поглиненого потоку Φ λ погл.
Монохроматичним коефіцієнтом поглинання α λназивається відношення потоку випромінювання, поглиненого даним тілом, до величини падаючого монохроматичного потоку:
Монохроматичний коефіцієнт поглинання – величина безрозмірна. Його значення лежать між нулем та одиницею: 0 ≤ α ≤ 1.
Функція α = α(λ,Τ) , Що виражає залежність монохроматичного коефіцієнта поглинання від довжини хвилі та температури, називається поглинальною здатністютіла. Її вигляд може бути складним. Нижче розглянуті найпростіші типи поглинання.
Абсолютно чорне тіло- Це тіло, коефіцієнт поглинання якого дорівнює одиниці для всіх довжин хвиль: α = 1.
Сіре тіло- це тіло, для якого коефіцієнт поглинання не залежить від довжини хвилі: α = const< 1.
Абсолютно біле тіло- Це тіло, коефіцієнт поглинання якого дорівнює нулю для всіх довжин хвиль: α = 0.
Закон Кірхгофа
Закон Кірхгофа- відношення випромінювальної здатності тіла до його поглинальної здатності однаково для всіх тіл і дорівнює спектральній щільності енергетичної світності абсолютно чорного тіла:
= /
Наслідок із закону:
1. Якщо тіло при цій температурі не поглинає будь-яке випромінювання, воно його й не испускает. Дійсно, якщо для деякої довжини хвилі коефіцієнт поглинання α = 0, то r = α∙ε(λT) = 0
1. При одній і тій же температурі чорне тіловипромінює більше, ніж будь-яке інше. Дійсно, для всіх тіл, крім чорного,α < 1, поэтому для них r = α∙ε(λT) < ε
2. Якщо для деякого тіла експериментально визначити залежність монохроматичного коефіцієнта поглинання від довжини хвилі та температури - α = r = α(λT), то можна розрахувати спектр його випромінювання.
Тепловим випромінюваннямназивають електромагнітні хвилі, що випускаються атомами, які збуджуються за рахунок енергії їхнього теплового руху. Якщо випромінювання перебуває у рівновазі з речовиною, його називають рівноважним тепловим випромінюванням.
Усі тіла за нормальної температури Т > 0 До випускають електромагнітні хвилі. Розріджені одноатомні гази дають лінійчасті спектри випромінювання, багатоатомні гази та рідини - смугасті спектри, тобто області з практично безперервним набором довжин хвиль. Тверді тіла випромінюють суцільні спектри, що складаються з різних довжин хвиль. Людське око бачить випромінювання в обмеженому діапазоні довжин хвиль від приблизно 400 до 700 нм. Щоб людина змогла побачити випромінювання тіла, температура тіла повинна бути не нижче 700 про С.
Теплове випромінювання характеризують такими величинами:
W- Енергія випромінювання (в Дж);
(Дж/(с.м 2) - енергетична світність (DS- площа випромінюючої
поверхні). Енергетична світність R- за змістом -
це енергія, що випромінюється одиничною площею за одиницю
часу по всіх довжинах хвиль lвід 0 до .
Крім цих характеристик, які називаються інтегральними, використовують також спектральні характеристики, які враховують кількість випромінюваної енергії, що припадає на одиничний інтервал довжин хвиль або одиничний інтервал
поглинальна здатність (коефіцієнт поглинання)- це відношення поглиненого світлового потоку до падаючого потоку, взятих у малому інтервалі довжин хвиль поблизу даної довжини хвилі.
Спектральна щільність енергетичної світності чисельно дорівнює потужності випромінювання з одиниці площі поверхні цього тіла в інтервалі частот одиничної ширини.
Теплове випромінювання та його природа. Ультрафіолетова катастрофа. Крива розподіл теплового випромінювання. Гіпотеза Планка.
ТЕПЛОВЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ (температурне випромінювання) - ел-магн. випромінювання, що випромінюється речовиною і виникає за рахунок його всередину. енергії (на відміну, напр., від люмінесценції, к-раю збуджується внеш. джерелами енергії). Т. в. має суцільний спектр, положення максимуму якого залежить від температури речовини. З її підвищенням зростає загальна енергія Т. і., що випускається, а максимум переміщається в область малих довжин хвиль. Т. в. випускає, напр., поверхню розжареного металу, земна атмосфера і т.д.
Т. в. виникає в умовах детальної рівноваги в речовині (див. Детального рівноваги принцип) для всіх безвипадків. процесів, т. е. для разл. типів зіткнень частинок у газах та плазмі, для обміну енергіями електронного та коливання. рухів у твердих тілах і т. д. Рівноважний стан речовини в кожній точці простору - стан локального термодинамічного. рівноваги (ЛТР) - при цьому характеризується значенням темп-ри, від якої залежить Т. і. у цій точці.
У випадку системи тіл, для якої здійснюється лише ЛТР і разл. точки до-рой мають разл. темп-ри, Т. в. не знаходиться в термодинаміч. рівновагу з речовиною. Гарячі тіла випускають більше, ніж поглинають, а холодніші-відповідно навпаки. Відбувається перенесення випромінювання від гарячіших тіл до холодніших. Для підтримки стаціонарного стану, при якому зберігається розподіл температури в системі, необхідно заповнювати втрату теплової енергії випромінюючим більш гарячим тілом і відводити її від більш холодного тіла.
При повному термодинаміч. рівновазі всі частини системи тіл мають одну температуру і енергія Т. і., що випромінюється кожним тілом, компенсується енергією поглинається цим тілом Т. і. інших тел. У цьому випадку детальна рівновага має місце і для випромінювання. переходів, Т. в. знаходиться в термодинаміч. рівновазі з речовиною та зв. випромінюванням рівноважним (рівноважним є Т. і. абсолютно чорного тіла). Спектр рівноважного випромінювання залежить від природи речовини і визначається Планка законом випромінювання.
Для Т. в. нечорних тіл справедливий Кірхгофа закон випромінювання, що пов'язує їх випромінюють. та поглинають. здібності з испускат. здатністю абсолютно чорного тіла.
За наявності ЛТР, застосовуючи закони випромінювання Кірхгофа та Планка до випромінювання та поглинання Т. в. в газах та плазмі, можна вивчати процеси перенесення випромінювання. Такий розгляд широко використовується в астрофізиці, зокрема, в теорії зоряних атмосфер.
Ультрафіолетова катастрофа- фізичний термін, що описує парадокс класичної фізики, що полягає в тому, що повна потужність теплового випромінювання будь-якого нагрітого тіла має бути нескінченною. Назву парадокс отримав через те, що спектральна щільність енергії випромінювання мала необмежено зростати в міру скорочення довжини хвилі.
По суті цей парадокс показав якщо не внутрішню суперечливість класичної фізики, то принаймні вкрай різке (абсурдне) розбіжність з елементарними спостереженнями та експериментом.
Так як це не узгоджується з експериментальним спостереженням, наприкінці ХІХ століття виникали труднощі щодо опису фотометричних характеристик тіл.
Проблема була вирішена за допомогою квантової теорії випромінювання Макса Планка у 1900 році.
Гіпотеза Планка - гіпотеза, висунута 14 грудня 1900 Максом Планком і полягає в тому, що при тепловому випромінюванні енергія випускається і поглинається не безперервно, а окремими квантами (порціями). Кожна така порція-квант має енергію , пропорційної частоті випромінювання:
де h або - коефіцієнт пропорційності, названий згодом постійною планкою. На основі цієї гіпотези він запропонував теоретичний висновок співвідношення між температурою тіла і випромінюванням, що випускається цим тілом - формулу Планка.
Пізніше гіпотеза Планка була підтверджена експериментально.