Закон Стефана-Больцмана

1. Закон відкритий незалежно Й. Стефаном і Л. Больцманом - це закон випромінювання абсолютно чорного тіла, він визначає залежність потужності випромінювання абсолютно чорного тіла від його температури.

2. Визначення. Потужність випромінювання абсолютно чорного тіла прямо пропорційна площі поверхні і четвертого ступеня температури тіла.

3. ,де S - площа випромінювання, є - ступінь чорноти (для всіх речовин є < 1, для абсолютно чорного тіла є = 1), σ - постійна (σ = 5,67·10^-8 Дж·с^-1·м^-2·К^-4), Т - абсолютна температура поверхні.

4. Застосовується для опису випромінювання нагрітої поверхні.

Закон зміщення Віна

1. Вільгельм Він вперше вивів цей закон в 1893 році, шляхом застосування законів термодинаміки до електромагнітного випромінювання. Він встановлює залежність довжини хвилі, на якій потік випромінювання енергії чорного тіла досягає свого максимуму, від температури чорного тіла.

2. Визначення. При зростанні температури абсолютно чорного тіла максимум випромінювання зсувається в ультрафіолетову частину спектру (в область коротких довжин хвиль).

3., Де T - температура, а λ_max - довжина хвилі з максимальною інтенсивністю, b - постійна Вина, в системі СІ має значення b = 0,002898 м·К.

4. Описує криву випромінювання абсолютно чорного тіла.

86. Оптична пірометрія. Радіаційна температура. Колірна температура. Температура яскравості.

Оптична пірометрія

Визначення. Пірометрія – це сукупність методів вимірювання високих температур (1000–3000 °С і більше) за допомогою пірометрів.

При цьому безпосередній контакт з нагрітим тілом не потрібен, що є перевагою методу.

Залежно від того, який закон теплового випромінювання використовується при вимірюванні температури тіл, розрізнюють радіаційну, колірну і температури яскравості.

1. Радіаційна температура Т_р

1. Радіаційна температура - це величина, що характеризує енергетичну світність досліджуваного тіла.

2. Визначення. Радіаційна температура - це така температура чорного тіла, при якій його енергетична світність R, дорівнює енергетичній світності R_T досліджуваного тіла.

3. Це скалярна величина.

4. Радіаційна температура тіла завжди менше його дійсної температури Т.

5. [Т_р] = К.

6. Прилад для вимірювання – радіаційний пірометр.

2. Колірна температура Т_к.

1. Колірна температура – це величина, яка інтегрально характеризує спектральний склад випромінювання джерела світла.

2. Визначення. Колірна температура – це температура абсолютно чорного тіла, при якій його випромінювання має такий же спектральний склад і розподіл енергії по спектру, як і випромінювання даного джерела.

3. Це скалярна величина.

4.

 

Рис. 6.5. Колір абсолютно чорного тіла залежно від температури нагрівання.

5. [Т_к] = К.

6. Прилад для вимірювання – пірометр.

*Денним світлом вважається випромінювання з температурою 6500 К. Кольору з температурою нижче денного - теплі кольори (жовтуваті), вище - холодні (голубуваті). Колірна температура ламп розжарювання - 2800 ... 3200 К. Колірна температура блакитного неба - 9000 ... 15000 К. Колірна температура полум'я свічки - 1200..1700 К.

 

Рис. 6.6. Колірна температура фар автомобіля.

Світло фар автомобіля

 

Відповідно законів фізики найбільш ефективною є колірна температура 4300К, яка встановлюється в автомобілі на заводі. Цей колір нагадує колір сонця і є природним для людини. Осліплення транспорту, який їде на зустріч, таким ксеноном мінімальне. Він однаково освітлює в різних погодних умовах.

Колірна температура 5000К не має жовтуватого відтінку 4300, адже він дуже часто викликає асоціації з галогеном. Вона має ті ж переваги, що і колірна температура 4300К 4. До того ж, суху дорогу це світло з вигляду робить більш контрастною.

Колірна температура 6000К зараз вже втрачає свої лідируючі позиції. Дана температура погано сприймається оком і не гарантує найкращий огляд дороги.

Колірну температуру в 8000К і більше називають також температурою зварювання. Лампи з даною температурою не забезпечують хороший огляд дороги, особливо при тумані або у дощ.

 

Температура яскравості T_b

1. Температура яскравості – це фотометрична величина, що характеризує інтенсивність випромінювання і не є температурою в звичному розумінні. Вона характеризує випромінювання, і залежно від механізму випромінювання може значно відрізнятися від фізичної температури випромінюючого тіла. Для чисто теплових джерел температура яскравості збігається з їх фізичної температурою.

2. Визначення. Температура яскравості – це температура T_b в діапазоні частот Δυ яка відповідає температурі абсолютно чорного тіла, що має такою ж інтенсивністю в даному діапазоні частот.

3. Це скалярна величина.

4. , де λ - довжина світла, с – швидкість світла k - постійна Больцмана, h – постійна Планка.

5. [Т_b] = К.

6. Прилад для вимірювання – пірометр яскравості.

87. Теорія М. Планка. Енергія, маса та імпульс фотона

Теорія М. Планка

Експериментально було встановлено криву випромінювання абсолютно чорного тіла при його нагріванні. Крива випромінювання - це графік залежності інтенсивності світла (І) від довжини світлової хвилі (l). Абсолютно чорне тіло - це тіло, яке не відбиває випромінювання, а повністю поглинає його (Моделлю такого тіла є невеликий отвір у непрозорій сфері). Цю криву не можна описати теорією Максвела, яка розглядає світло, як неперервну електромагнітну хвилю, тобто поки джерело світла випромінює – світлова хвиля не переривається.

У 1900 р. М. Планк підібрав формулу, яка описує цю криву. З формули витікав цікавий наслідок – нагріте тіло повинно випромінювати світло не неперервною хвилею, а квантами (певними порціями), енергія яких не може бути більшою або складати частину енергії визначеною формулою W=hν , де h - деяка постійна, однакова для електромагнітних хвиль будь-якої довжини. Ця теорія блискуче підтверджувалася явищем фотоефекту.

Сьогодні при розгляді природи світла говорять про корпускулярно - хвильовий дуалізм, який полягає у тому, що світло і не хвиля і не частинка, воно має електромагнітну природу і йому притаманні двоїсті квантово - хвильові властивості але одночасно квантові і хвильові властивості світла спостерігатися не можуть.

Фотони

М. Планк встановив, що світло випромінюється квантами. А. Ейнштейн довів. що світло не тільки випромінюється, а й поширюється і поглинається квантами. Кванти світла можна розглядати як елементарні частинки які дістали назву фотон.

Властивості фотонів

1. Для фотонів властивий корпускулярно хвильовий дуалізм. Тобтофотон має властивості хвилі і частинки але одночасно ці властивості не проявляються.

2. Фотон має масу, але не має маси спокою. Бо він існує лише тоді, коли рухається зі швидкістю світла. Так як фотон має масу, то він взаємодіє з гравітаційними полями.

3. Фотон завжди має імпульс.

4. Фотон не має заряду, тому не взаємодіє з електричними і магнітними полями.

5. Фотон – це стабільна частинка, тобто з часом він не може розпастися на якісь інші частинки.

Маса фотону

Масу фотона можна обчислити використовуючи формулу енергії фотону W=hν і формулу зв’язку енергії з масою W=mc². Прирівнявши їх маємо hν = mc² . Звідки . Так, як , то масу можна розраховувати за формулою .

Імпульс фотона р

Імпульс фотона можна отримати підставивши у формулу імпульсу замість маси формулу маси фотона, а замість швидкості швидкість поширення світла.

р=mv; .

88. Фотоелектричний ефект. Явище внутрішнього фотоефекту

Фотоелектричний ефект — це явище взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною, внаслідок чого електрони речовини переходять у новий енергетичний стан.

Розрізняють: зовнішній, внутрішній, вентильний фотоефекти та фотоіонізацію.

Вентильним фотоефектом називають виникнення під впливом світла ЕРС у системі, що має p-n перехід.

Фотоіонізація (фотоефект у газах) він полягає у виході електронів з атомів газу під дією світла.

*Електрони, які вилетіли з поверхні тіл під дією світла, називають фотоелектронами, процес їх вильоту називають фотоелектронною емісією.

Явище внутрішнього фотоефекту

1. Знайомство з явищем. Якщо освітити напівпровідник або діелектрик світлом, то всередині них з’являються вільні носії зарядів. Це явище використовують у приладах керування електричними ланцюгами і у джерелах електричного струму, що дістали назву фотоелементи.

2. Визначення. Явище вибивання електромагнітними квантами електронів з атомів, що знаходяться всередині речовини, називають внутрішнім фотоефектом.

3. Умови виникнення явища. Явище можна спостерігати тільки у напівпровідниках і діелектриках. Говорити про внутрішній фотоефект у металах не має змісту. Бо у металах, на відміну від діелектриків і напівпровідників, завжди існує велика кількість вільних електронів.

4. ..................

5. Пояснення явища у напівпровіднику. Попадаючи всередину напівпровідника (Рис. 6.5), кванти світла вибивають валентні електрони з атомів напівпровідника. (Саме валентні електрони утворюють ковалентні зв’язки всередині кристала). При цьому у напівпровіднику утворюються вільні носії зарядів – електрони і дірки. (Дірка це нестача електрона у ковалентному зв’язку атомів. Цю нестачу розглядають як вільну, позитивно

89. Явище зовнішнього фотоефекту

1. Знайомство з явищем. Якщо освітити негативно заряджену пластинку ультрафіолетовим випромінюванням, то заряд на пластинці швидко спадає, бо електрони під дією випромінювання покидають пластинку. Це явище на даний час використовується у деяких видах сканерів, ксероксах і приладах керування електричними схемами.

2. Визначення явища.Зовнішнім фотоефектом називають явище вибивання електронів з поверхні речовини електромагнітними квантами.

3. Умови виникнення явища. а.) Довжина світлової хвилі, що викликає фотоефект не повинна перебільшувати червону межу фотоефекту. б.) Явище зовнішнього фотоефекту найкраще спостерігається на металах, бо вони мають вільні електрони.

в) Експериментально було встановлено, що лише невелика частина енергії (приблизно 1 % поглинутої речовиною енергії електромагнітних квантів) затрачається на вибивання електронів, а решта йде на підвищення температури речовини, тобто перетворюється у внутрішню енергію.

4. Описується явище фотоефекту рівнянням А. Ейнштейна для фотоефекту і трьома законами фотоефекту.

Рівняння А. Ейнштейна для фотоефекта

1. Описує явище зовнішнього фотоефекту на основі закону збереження енергії.

2. Визначення.Енергія кванту світла іде на вибивання електрона з поверхні речовини і надання йому кінетичної енергії.

3. hν=A+W_max. Де h – постійна Планка; n - частота світла; А – робота виходу електрона з поверхні речовини; W_max - максимальна кінетична енергія електрона.

4. Межі застосування. Рівняння використовують для зовнішнього фотоефекту, описуючи взаємодію одного електромагнітного кванта з одним електроном. За рівнянням можна визначити тільки максимальну кінетичну енергію електрона.

Постійна Планка h