Caracteristicile radiației termice (flux, luminozitate radiantă, densitate spectrală radiantă). Densitate spectrală radiantă

Luminozitatea energetică a corpului - este o mărime fizică care este o funcție a temperaturii și este numerică egală cu energia emisă de corp pe unitate de timp dintr-o unitate de suprafață în toate direcțiile și pe întregul spectru de frecvențe. J / s · m² \u003d W / m²

Densitate spectrală radiantă - o funcție de frecvență și temperatură care caracterizează distribuția energiei radiației pe întregul spectru de frecvențe (sau lungimi de undă). , O funcție similară poate fi scrisă în termeni de lungime de undă

Se poate dovedi că densitatea spectrală a luminozității radiante, exprimată în termeni de frecvență și lungime de undă, este legată de relația:

Corp negru - idealizarea fizică utilizată în termodinamică, un corp care absoarbe toată radiația electromagnetică care cade pe el în toate intervalele și nu reflectă nimic. În ciuda numelui, un corp negru în sine poate emite radiații electromagnetice de orice frecvență și poate avea vizual o culoare. Spectrul de radiații al unui corp absolut negru este determinat doar de temperatura acestuia.

Importanța unui corp absolut negru în chestiunea spectrului radiației termice a oricărui corp (gri și colorat) în general, pe lângă faptul că este cel mai simplu caz non-trivial, rezidă și în faptul că întrebarea spectrului de echilibru radiația termică a corpurilor de orice culoare și coeficient de reflecție este redusă prin metodele termodinamicii clasice la emiterea radiației dintr-un corp absolut negru (și istoric acest lucru se făcea deja la sfârșitul secolului al XIX-lea, când a apărut problema radiației provenite de la un corp absolut negru).

Corpurile negre absolute nu există în natură, așa că un model este folosit pentru experimentele în fizică. Este o cavitate închisă cu o gaură mică. Lumina care intră prin această gaură va fi complet absorbită după reflexii multiple, iar gaura va apărea complet neagră din exterior. Dar când această cavitate este încălzită, va avea propria sa radiație vizibilă. Deoarece radiațiile emise de pereții interiori ai cavității, înainte de a pleca (la urma urmei, gaura este foarte mică), în majoritatea covârșitoare a cazurilor vor suferi un număr imens de noi absorbții și emisii, atunci putem spune cu încredere că radiațiile din interiorul cavității se află în echilibru termodinamic cu pereții. (De fapt, gaura pentru acest model nu este deloc importantă, este necesară doar pentru a sublinia observabilitatea fundamentală a radiației din interior; gaura poate fi, de exemplu, complet închisă și deschisă rapid numai atunci când echilibrul a fost deja stabilit iar măsurarea se efectuează).

2. Legea radiației lui Kirchhoff - o lege fizică stabilită de fizicianul german Kirchhoff în 1859. În formularea sa modernă, legea are următorul cuprins: Raportul emisivității oricărui corp la capacitatea sa de absorbție este același pentru toți corpurile la o temperatură dată pentru o frecvență dată și nu depinde de forma, compoziția lor chimică etc.

Se știe că atunci când radiația electromagnetică cade pe un anumit corp, o parte a acestuia este reflectată, o parte este absorbită și o parte poate fi traversată. Fracția de radiație absorbită la o anumită frecvență se numește capacitatea de absorbție corp. Pe de altă parte, fiecare corp încălzit emite energie în conformitate cu o anumită lege numită emisivitate corporală.

Cantitățile și pot varia foarte mult atunci când trec de la un corp la altul, totuși, conform legii Kirchhoff a radiației, raportul dintre capacitățile emisive și absorbante nu depinde de natura corpului și este o funcție universală a frecvenței (lungimea de undă ) și temperatura:

Prin definiție, un corp absolut negru absoarbe toate radiațiile incidente pe el, adică pentru el. Prin urmare, funcția coincide cu emisivitatea unui corp absolut negru, descrisă de legea Stefan-Boltzmann, ca urmare a căreia emisivitatea oricărui corp poate fi găsită procedând doar din absorbția sa.

Legea Stefan-Boltzmann - legea radiației unui corp absolut negru. Determină dependența puterii de radiație a unui corp absolut negru de temperatura acestuia. Formularea legii: Puterea de radiație a unui corp absolut negru este direct proporțională cu suprafața și a patra putere a temperaturii corpului: P = Sεσ T 4, unde ε este gradul de emisivitate (pentru toate substanțele ε< 1, для абсолютно черного тела ε = 1).

Folosind legea lui Planck pentru radiații, constanta σ poate fi definită ca unde este constanta lui Planck, k - Constanta Boltzmann, c este viteza luminii.

Valoare numerică J · s −1 · m −2 · K −4.

Fizicianul german V. Wien (1864-1928), bazându-se pe legile termo și electrodinamice, a stabilit dependența lungimii de undă l max, corespunzătoare maximului funcției r l, T,de la temperatura T.Conform legea deplasării Wien, l max \u003d b / T

adică lungimea de undă l max corespunzătoare densității spectrale maxime a luminozității radiante r l, Tcorp negru, este invers proporțional cu temperatura sa termodinamică, b -constanta lui Wien: valoarea sa experimentală este de 2,9 10 -3 m K. Expresia (199.2) este, prin urmare, numită lege deplasareDefecțiunea că arată deplasarea poziției maximului funcției r l, Tpe măsură ce temperatura crește în regiunea lungimilor de undă scurte. Legea lui Wien explică de ce, pe măsură ce temperatura corpurilor încălzite scade, radiațiile cu unde lungi domină din ce în ce mai mult în spectrul lor (de exemplu, tranziția căldurii albe la roșu atunci când metalul se răcește).

În ciuda faptului că legile Stefan-Boltzmann și Wien joacă un rol important în teoria radiației termice, acestea sunt legi particulare, deoarece nu oferă o imagine generală a distribuției energiei pe frecvențe la temperaturi diferite.

3. Lăsați pereții acestei cavități să reflecte pe deplin lumina incidentă asupra lor. Să așezăm un corp în cavitate care va emite energie luminoasă. Un câmp electromagnetic va apărea în interiorul cavității și, în cele din urmă, va fi umplut cu radiații, care se află într-o stare de echilibru termic cu corpul. Echilibrul va veni și în cazul în care, într-un fel, schimbul de căldură al corpului investigat cu mediul său înconjurător este complet eliminat (de exemplu, vom efectua acest experiment mental în vid, atunci când nu există fenomene de conducere a căldurii și convecție). Doar datorită proceselor de emisie și absorbție a luminii, echilibrul va veni în mod necesar: corpul emitent va avea o temperatură egală cu temperatura radiației electromagnetice care umple izotrop spațiul din interiorul cavității și fiecare parte selectată a suprafeței corpului va emite ca multă energie pe unitate de timp pe măsură ce absoarbe. În acest caz, echilibrul ar trebui să aibă loc indiferent de proprietățile unui corp plasat în interiorul unei cavități închise, care, totuși, afectează timpul necesar stabilirii echilibrului. Densitatea energetică a câmpului electromagnetic din cavitate, așa cum se va arăta mai jos, în starea de echilibru este determinată numai de temperatură.

Pentru a caracteriza radiația termică de echilibru, este importantă nu numai densitatea energetică în vrac, ci și distribuția acestei energii pe spectru. Prin urmare, vom caracteriza radiația de echilibru umplând izotrop spațiul din interiorul cavității folosind funcția tu ω - densitatea radiației spectrale, adică energia medie pe unitate de volum a câmpului electromagnetic, distribuită în intervalul de frecvență de la ω la ω + δω și referită la valoarea acestui interval. Evident, valoarea tu ω ar trebui să depindă în mod substanțial de temperatură; prin urmare, o denotăm tu(ω, T). Densitatea totală a energiei U(T) asociat cu tu(ω, T) după formula.

Strict vorbind, conceptul de temperatură este aplicabil numai pentru radiația termică de echilibru. În condiții de echilibru, temperatura ar trebui să rămână constantă. Cu toate acestea, conceptul de temperatură este adesea folosit pentru a caracteriza corpurile incandescente care nu sunt în echilibru cu radiațiile. Mai mult, cu o schimbare lentă a parametrilor sistemului, la fiecare interval de timp dat, acesta poate fi caracterizat prin temperatura sa, care se va schimba lent. De exemplu, dacă nu există flux de căldură și radiația se datorează unei scăderi a energiei unui corp luminos, atunci și temperatura acestuia va scădea.

Să stabilim o legătură între emisivitatea unui corp absolut negru și densitatea spectrală a radiației de echilibru. Pentru a face acest lucru, calculăm fluxul de energie care cade pe o zonă unitară situată în interiorul unei cavități închise umplute cu energie electromagnetică de densitate medie U ω. Lăsați radiația să cadă pe o zonă unitară în direcția determinată de unghiurile θ și ϕ (figura 6a) în unghiul solid dΩ:

Deoarece radiația de echilibru este izotropă, o fracțiune egală cu energia totală care umple cavitatea se propagă într-un unghi solid dat. Fluxul de energie electromagnetică care trece printr-o zonă unitară pe unitate de timp

Înlocuind dΩexprimarea și integrarea peste ϕ în (0, 2π) și peste θ în (0, π / 2), obținem fluxul total de energie care cade pe aria unității:

Evident, în condiții de echilibru, este necesar să echivalăm expresia (13) emisivității unui corp absolut negru r ω, caracterizând fluxul de energie emis de zonă, într-un interval de frecvență unitar apropiat de ω:

Astfel, s-a demonstrat că emisivitatea unui corp absolut negru, într-un factor de c / 4, coincide cu densitatea spectrală a radiației de echilibru. Egalitatea (14) trebuie îndeplinită pentru fiecare componentă spectrală a radiației; de aceea, rezultă din aceasta că f(ω, T)= tu(ω, T) (15)

În concluzie, subliniem că radiația unui corp negru absolut (de exemplu, lumina emisă de o mică gaură dintr-o cavitate) nu va mai fi în echilibru. În special, această radiație nu este izotropă, deoarece nu se propagă în toate direcțiile. Dar distribuția energiei peste spectru pentru o astfel de radiație va coincide cu densitatea spectrală a radiației de echilibru care umple izotrop spațiul din interiorul cavității. Acest lucru face posibilă utilizarea relației (14), care este valabilă la orice temperatură. Nicio altă sursă de lumină nu are o distribuție similară a energiei în spectru. De exemplu, o descărcare electrică în gaze sau strălucire sub influența reacțiilor chimice are spectre care sunt semnificativ diferite de strălucirea unui corp absolut negru. Distribuția energiei pe spectrul corpurilor incandescente este, de asemenea, semnificativ diferită de strălucirea unui corp absolut negru, care era mai presus de o comparație a spectrelor unei surse de lumină comune (o lampă incandescentă cu filament de tungsten) și un corp absolut negru. .

4. Pe baza legii echipației de energie peste gradele de libertate: pentru fiecare oscilație electromagnetică, în medie, există o energie adăugată din două părți kT. O jumătate este adusă de componenta electrică a undei, iar cealaltă de componenta magnetică. În sine, radiația de echilibru dintr-o cavitate poate fi reprezentată ca un sistem de unde staționare. Numărul undelor staționare din spațiul tridimensional este dat de:

În cazul nostru, viteza v ar trebui să fie setat egal cîn plus, două unde electromagnetice cu aceeași frecvență se pot deplasa într-o singură direcție, dar cu polarizări reciproc perpendiculare, atunci (1) în plus, ar trebui să fie înmulțit cu două:

Deci, Rayleigh și Jeans, fiecărui oscilație i s-a atribuit energie. Înmulțind (2) cu, obținem densitatea energiei, care cade pe intervalul de frecvență dω:

Cunoașterea relației emisivității unui corp absolut negru f(ω, T) cu densitate de energie a radiației termice de echilibru, pt f(ω, T) găsim: Expresiile (3) și (4) se numesc după formula Rayleigh-Jeans.

Formulele (3) și (4) sunt în acord satisfăcător cu datele experimentale numai pentru lungimi de undă lungi; la lungimi de undă mai scurte, acordul cu experimentul este foarte diferit. Mai mult, integrarea lui (3) peste ω în intervalul de la 0 la densitatea energiei de echilibru tu(T) dă o valoare infinit de mare. Acest rezultat, numit dezastru ultravioletîn mod evident contrazice experimentul: echilibrul dintre radiație și corpul radiant ar trebui stabilit la valori finite tu(T).

Dezastru ultraviolet - un termen fizic care descrie paradoxul fizicii clasice, care este acela că puterea totală a radiației termice a oricărui corp încălzit trebuie să fie infinită. Paradoxul și-a luat numele datorită faptului că densitatea spectrală a puterii de radiație a trebuit să crească la nesfârșit pe măsură ce lungimea de undă a scăzut. În esență, acest paradox a arătat, dacă nu chiar contradicția internă a fizicii clasice, atunci, în orice caz, o discrepanță extrem de ascuțită (absurdă) cu observațiile și experimentele elementare.

5. Ipoteza lui Planck - ipoteza prezentată la 14 decembrie 1900 de Max Planck și care constă în faptul că, cu radiații termice, energia este emisă și absorbită nu continuu, ci în cote separate (porțiuni). Fiecare astfel de porție cuantică are energie proporțional cu frecvența ν radiații:

unde h sau - coeficientul de proporționalitate, numit ulterior constanta lui Planck. Pe baza acestei ipoteze, el a propus o derivare teoretică a relației dintre temperatura unui corp și radiația emisă de acest corp - formula lui Planck.

Formula lui Planck - expresia densității puterii spectrale a radiației unui corp absolut negru, care a fost obținută de Max Planck. Pentru densitatea energiei radiațiilor tu(ω, T):

Formula lui Planck a fost obținută după ce a devenit clar că formula Rayleigh-Jeans descrie în mod satisfăcător radiația doar în regiunea cu unde lungi. Pentru a obține formula, Planck a făcut în 1900 presupunerea că radiația electromagnetică este emisă sub formă de porțiuni separate de energie (cante), a căror valoare este legată de frecvența radiației prin expresia:

Coeficientul de proporționalitate a fost numit ulterior constanta lui Planck, \u003d 1,054 · 10 −27 erg · s.

Pentru a explica proprietățile radiației termice, a fost necesar să se introducă conceptul de emisie a radiației electromagnetice în porțiuni (cuante). Natura cuantică a radiațiilor este confirmată și de existența unei limite cu lungime de undă scurtă a spectrului de raze X bremsstrahlung.

Radiația cu raze X apare atunci când țintele solide sunt bombardate cu electroni rapidi. Aici, anodul este format din W, Mo, Cu, Pt - metale refractare grele sau metale cu conductivitate termică ridicată. Doar 1-3% din energia electronilor se îndreaptă către radiații, restul este eliberat la anod sub formă de căldură, astfel încât anodii sunt răciti cu apă. Odată ajunși în materialul anodului, electronii experimentează o puternică inhibare și devin o sursă de unde electromagnetice (raze X).

Viteza inițială a unui electron când lovește anodul este determinată de formula:

unde U - tensiunea de accelerare.

\u003e O emisie vizibilă este observată numai cu o decelerare accentuată a electronilor rapizi, începând de la U ~ 50 kV, în timp ce ( din Este viteza luminii). În acceleratorii de electroni de inducție - betatroni, electronii dobândesc energie de până la 50 MeV, \u003d 0,99995 din... Direcționând astfel de electroni către o țintă solidă, obținem radiații cu raze X cu o lungime de undă scurtă. Această radiație are o putere de penetrare ridicată. Conform electrodinamicii clasice, decelerarea unui electron ar trebui să genereze radiații de toate lungimile de undă de la zero la infinit. Lungimea de undă la care scade puterea maximă de radiație ar trebui să scadă odată cu creșterea vitezei electronilor. Cu toate acestea, există o diferență fundamentală față de teoria clasică: distribuțiile zero ale puterii nu merg la origine, ci sunt tăiate la valori finite - aceasta este margine de raze X cu unde scurte.

S-a stabilit experimental că

Existența unei limite cu lungime de undă scurtă rezultă direct din natura cuantică a radiației. Într-adevăr, dacă radiația apare din cauza energiei pierdute de un electron în timpul decelerării, atunci energia unui cuant nu poate depăși energia unui electron uE, adică , de aici sau.

În acest experiment, puteți determina constanta Planck h... Dintre toate metodele de determinare a constantei Planck, metoda bazată pe măsurarea limitei lungimii de undă scurtă a spectrului de raze X bremsstrahlung este cea mai precisă.

7. Efect foto - Aceasta este emisia de electroni de materie sub influența luminii (și, în general vorbind, a oricărei radiații electromagnetice). În substanțele condensate (solide și lichide), se emit efect fotoelectric extern și intern.

Legile efectelor foto:

Cuvântare Prima lege a efectului fotoelectric: numărul de electroni expulzați de lumină de pe suprafața unui metal pe unitate de timp la o anumită frecvență este direct proporțional cu fluxul luminos care luminează metalul.

Conform A doua lege a efectului fotoelectric, energia cinetică maximă a electronilor ejectați de lumină crește liniar cu frecvența luminii și nu depinde de intensitatea acesteia.

A treia lege a efectului fotoelectric: pentru fiecare substanță există o margine roșie a fotoefectului, adică frecvența minimă a luminii ν 0 (sau lungimea de undă maximă λ 0) la care fotoefectul este încă posibil și, dacă ν 0, atunci efectul foto nu mai apare.

O explicație teoretică a acestor legi a fost dată în 1905 de Einstein. Potrivit acestuia, radiația electromagnetică este un flux de cuante individuale (fotoni) cu energie hν fiecare, unde h este constanta lui Planck. În cazul fotoefectului, o parte a radiației electromagnetice incidente de pe suprafața metalică este reflectată, iar o parte pătrunde în stratul de suprafață metalică și este absorbită acolo. După ce a absorbit un foton, electronul primește energie din acesta și, îndeplinind funcția de lucru, părăsește metalul: hν = A out + NoiUnde Noi este energia cinetică maximă pe care o poate avea un electron când părăsește metalul.

Din legea conservării energiei, când lumina este reprezentată sub formă de particule (fotoni), urmează formula lui Einstein pentru efectul fotoelectric: hν = A out + Ek

unde A out - asa numitul. funcția de lucru (energia minimă necesară pentru a elimina un electron dintr-o substanță), Ek este energia cinetică a unui electron emis (în funcție de viteză, fie energia cinetică a unei particule relativiste poate fi calculată sau nu), ν este frecvența a unui foton incident cu energie hν, h este constanta lui Planck.

Rezultatul de lucru - diferența dintre energia minimă (de obicei măsurată în electroni-volți), care trebuie transmisă unui electron pentru îndepărtarea „directă” a acestuia din volumul unui solid și energia Fermi.

Bordura „roșie” a efectului foto - frecvența minimă sau lungimea de undă maximă λ max lumină, la care fotoefectul extern este încă posibil, adică energia cinetică inițială a fotoelectronilor este mai mare decât zero. Frecvența depinde doar de munca de ieșire A out electron :, unde A out - funcția de lucru pentru un anumit fotocatod, h este constanta lui Planck și din este viteza luminii. Rezultatul de lucru A out depinde de materialul fotocatodului și de starea suprafeței acestuia. Emisia fotoelectronilor începe imediat ce lumina cu frecvență sau lungime de undă este incidentă pe fotocatod.

.

EMISIA ȘI ABSORBȚIA ENERGETICĂ

ATOMI ȘI MOLECULE

ÎNTREBĂRI PENTRU LECȚIA PE TEMATICĂ:

1. Radiații termice. Principalele sale caracteristici sunt: \u200b\u200bfluxul de radiații Ф, luminozitatea (intensitatea) energiei R, densitatea spectrală a luminozității radiante r λ; coeficient de absorbție α, coeficient de absorbție monocromatic α λ. Corp absolut negru. Legea lui Kirchhoff.

2. Spectre de radiații termice ale a.ch.t. (programa). Natura cuantică a radiației termice (ipoteza lui Planck; formula pentru ε λ nu trebuie memorată). Dependența spectrului a.ch.t. pe temperatura (grafic). Legea vinului. Legea Stefan-Boltzmann pentru a.ch.t. (fără ieșire) și pentru alte corpuri.

3. Structura cochiliei de electroni a atomilor. Nivelurile de energie. Emisia de energie în timpul tranzițiilor între nivelurile de energie. Formula lui Bohr ( pentru frecvență și pentru lungimea de undă). Spectre de atomi. Spectrul atomului de hidrogen. Seria spectrală. Conceptul general al spectrelor de molecule și medii condensate (lichide, solide). Conceptul de analiză spectrală și utilizarea sa în medicină.

4. Luminescența. Tipuri de luminescență. Fluorescență și fosforescență. Rolul nivelurilor metastabile. Spectre de luminescență. Regula Stokes. Analiza luminiscenței și utilizarea acesteia în medicină.

5. Legea absorbției luminii (legea lui Bouguer; concluzie). Transmitanța τ și densitate optica D. Determinarea concentrației soluțiilor prin absorbția luminii.

Lucrări de laborator: „fotografierea spectrului de absorbție și determinarea concentrației soluției folosind un colorimetru fotoelectric”.

LITERATURĂ:

Obligatoriu: A.N. Remizov. „Fizică medicală și biologică”, M., „Școala superioară”, 1996, cap. 27, §§ 1-3; Capitolul 29, §§ 1,2

• suplimentar: Emisia și absorbția energiei de către atomi și molecule, prelegere, risograf, ed. departament, 2002

DEFINIȚII ȘI FORMULE DE BAZĂ

1. Radiații termice

Toate corpurile emit unde electromagnetice chiar și fără nici o influență externă. Sursa de energie pentru această radiație este mișcarea termică a particulelor care alcătuiesc corpul, de aceea se numește radiație termala. La temperaturi ridicate (de ordinul a 1000 K și mai mult), această radiație se încadrează parțial în intervalul luminii vizibile; la temperaturi mai scăzute, sunt emise raze infraroșii și, la temperaturi foarte scăzute, unde radio.

Fluxul de radiații Ф - aceasta este puterea radiației emise de sursă, sau energie radiațională emisă pe unitate de timp: F \u003d P \u003d;unitate de debit - watt.

Luminozitatea energiei R - aceasta este fluxul de radiații care este emis de la o unitate a suprafeței corpului :;unitate de luminozitate radiantă - W. m –2 .

Densitate spectrală radiantă r λ - aceasta este raportul dintre luminozitatea radiantă a corpului într-un interval mic de lungime de undă (ΔR λ ) la valoarea acestui interval Δ λ:

Dimensiunea r λ - W. m - 3

Corp absolut negru (a.h.t.) numit t am mâncat astaintru totul absoarbe radiațiile incidente.Nu există astfel de corpuri în natură, ci un bun model de a.ch.t. este o mică gaură într-o cavitate închisă.

Capacitatea corpurilor de a absorbi radiațiile incidente se caracterizează coeficient de absorbție α , adică raportul dintre fluxul de radiație absorbit și fluxul de radiații incidente:.

Coeficient de absorbție monocromatic este valoarea coeficientului de absorbție, măsurată într-un interval spectral îngust în jurul unei anumite valori de λ.

Legea lui Kirchhoff: la temperatura constantă, raportul dintre densitatea spectrală a luminozității radiante la o lungime de undă dată și coeficientul de absorbție monocromatic la aceeași lungime de undă la fel pentru toate corpurile și este egal cu densitatea spectrală a luminozității radiante a AMP. la această lungime de undă:

(uneori r λ A.Ch.T este notat cu ε λ)

Un corp negru absoarbe și emite radiații toate lungimile de undă,asa de spectrul a.ch.t. întotdeauna solid. Viziunea acestui spectru depinde de temperatura corpului. Pe măsură ce temperatura crește, în primul rând, luminozitatea energiei crește semnificativ; În al doilea rând, lungimea de undă maximă(λ max ) , se deplasează spre lungimi de undă mai mici :, unde b ≈ 29090 μm. К -1 ( legea lui Wien).

Legea Stefan-Boltzmann: luminozitatea energetică a.ch.t proporțional cu al patrulea grad de temperatură corporalăpe scara Kelvin: R = σT 4

2. Emisia de energie de către atomi și molecule

După cum știți, în învelișul de electroni al unui atom, energia unui electron poate lua doar valori strict definite caracteristice unui atom dat. Ei spun într-un mod diferit că un electron poate fi doar pe anumitenivelurile de energie. Când un electron se află la un anumit nivel de energie, nu își schimbă energia, adică nu absoarbe și nu emite lumină. Când vă deplasați de la un nivel la altulenergia electronilor se schimbă și, în același timp absorbit sau emiscuantica luminii (foton).Energia cuantică este egală cu diferența de energie a nivelurilor între care se produce tranziția: E QUANTUM \u003d hν \u003d E n - E m unde n și m sunt numere de nivel (Formula lui Bohr).

Tranzițiile electronilor între diferite niveluriapar cu probabilitate variabilă. În unele cazuri, probabilitatea de tranziție este foarte aproape de zero; liniile spectrale corespunzătoare nu sunt observate în condiții normale. Astfel de tranziții sunt numite interzis.

În multe cazuri, energia unui electron poate să nu fie transformată în energia unei cuantice, ci să treacă în energia mișcării termice a atomilor sau moleculelor. Astfel de tranziții sunt numite neradiativ.

În plus față de probabilitatea de tranziție, luminozitatea liniilor spectrale este direct proporțională cu numărul de atomi ai substanței emitente. Această dependență se află în centrul analiza spectrală cantitativă.
3. Luminescența

Luminescență suna oricare nu radiații termice. Sursele de energie pentru această radiație pot fi diferite, respectiv, despre care se vorbește diferite tipuri de luminescență.Cele mai importante sunt: chemiluminescență- strălucirea care apare în timpul unor reacții chimice; bioluminescență - aceasta este chemiluminescența în organismele vii; catodoluminiscență -strălucire sub acțiunea unui curent de electroni, care este utilizat în tuburi de televiziune, tuburi cu raze catodice, lămpi cu gaz, etc .; electroluminiscență - o strălucire care apare într-un câmp electric (cel mai adesea în semiconductori). Cel mai interesant tip de luminiscență este fotoluminescență. Acesta este un proces în care atomii sau moleculele absorb lumina (sau radiația UV) într-o gamă de lungimi de undă și emit în alta (de exemplu, absorb razele albastre și emit cele galbene). În acest caz, substanța absoarbe cuantele cu o energie relativ mare hν 0 (cu o lungime de undă scurtă). Mai mult, este posibil ca electronul să nu revină imediat la nivelul principal, ci mai întâi să treacă la un nivel intermediar și apoi la cel principal (pot exista mai multe niveluri intermediare). În majoritatea cazurilor, unele dintre tranziții sunt neradiative, adică energia electronului este convertită în energia mișcării termice. Prin urmare, energia cuantelor emise în timpul luminiscenței va fi mai mică decât energia cuantică absorbită. Lungimile de undă ale luminii emise trebuie să fie mai mari decât lungimea de undă a luminii absorbite. Dacă formulăm ceea ce s-a spus în formă generală, obținem lege Stokes : spectrul de luminescență este deplasat spre lungimi de undă mai mari față de spectrul de emisie provocând luminescență.

Substanțele luminescente sunt de două tipuri. În unele, strălucirea încetează aproape instantaneu după ce lumina de excitație este stinsă. Astfel de pe termen scurt strălucirea se numește fluorescenţă.

În substanțele de alt tip, după oprirea luminii interesante, strălucirea se estompează. treptat (conform legii exponențiale). Astfel de lung strălucirea se numește fosforescenţă.Motivul strălucirii lungi este că atomii sau moleculele acestor substanțe conțin niveluri metastabile.Metastabil un astfel de nivel de energie se numește, la care electronii pot sta mult mai mult decât la nivelurile obișnuite.Prin urmare, durata fosforescenței poate fi de minute, ore sau chiar zile.
4. Legea absorbției luminii (legea lui Bouguer)

Când fluxul de radiații trece prin substanță, acesta își pierde o parte din energie (energia absorbită este transformată în căldură). Legea absorbției luminii se numește legea lui Bouguer: F \u003d F 0 ∙ e – κ λ · L ,

unde Ф 0 este fluxul incident, Ф este fluxul care a trecut printr-un strat de materie cu grosimea L; se numește coeficientul is λ natural rata de absorbție (valoarea sa depinde de lungimea de undă) . Pentru calcule practice, ei preferă să utilizeze zecimale în loc de logaritmi naturali. Atunci legea lui Bouguer ia forma: Ф \u003d Ф 0 ∙ 10 - k λ ∙ L,

unde k λ - zecimal rata de absorbție.

Transmiterea apelați valoarea

Densitate optică D - aceasta este valoarea determinată de egalitate: . Se poate spune într-un alt mod: densitatea optică D este valoarea din exponent în formula legii lui Bouguer: D \u003d k λ ∙ L

Pentru soluții ale majorității substanțelor densitatea optică este direct proporțională cu concentrația solutului:D = χ λ ∙ C∙ L ;

coeficient χ λ se numește indicele de absorbție molară(dacă concentrația este indicată în moli) sau rata de absorbție specifică (dacă concentrația este indicată în grame). Din ultima formulă obținem: Ф \u003d Ф 0 ∙ 10 - χ λ ∙ C ∙ L (lege Bougera - Bera)

Aceste formule stau la baza celor mai frecvente în laboratoarele clinice și biochimice metodă pentru determinarea concentrației substanțelor dizolvate prin absorbția luminii.

PROBLEME DE TIP DE ÎNVĂȚARE CU SOLUȚII

(În cele ce urmează, din motive de scurtă durată, scriem pur și simplu „sarcini de învățare”)

Sarcina educațională numărul 1

Un radiator electric (radiator) emite un fascicul infraroșu de 500W. Suprafața radiatorului 3300 cm 2. Găsiți energia emisă de radiator în 1 oră și luminozitatea radiantă a radiatorului.

Dat: A găsi

F \u003d 500 W W și R

t \u003d 1 oră \u003d 3600 s

S \u003d 3300 cm 2 \u003d 0,33 m 2

Decizie:

Fluxul de radiație Ф este puterea de radiație sau energia emisă pe unitate de timp :. De aici

W \u003d Ph t \u003d 500 W 3600 s \u003d 18 10 5 J \u003d 1800 kJ

Sarcina educațională numărul 2

La ce lungime de undă este radiația termică maximă de la pielea umană (adică r λ \u003d max)? Temperatura pielii de pe părțile expuse ale corpului (față, mâini) este de aproximativ 30 o C.

Dat: A găsi:

Т \u003d 30 о С \u003d 303 К λ max

Decizie:

Înlocuim datele în formula Wine :,

adică aproape toată radiația se află în domeniul infraroșu al spectrului.

Sarcina educațională numărul 3

Un electron este la un nivel de energie cu o energie de 4.7.10 -19 J

Când este iradiat cu lumină cu o lungime de undă de 600 nm, s-a deplasat la un nivel de energie mai ridicat. Găsiți energia acestui nivel.

Decizie:

Sarcina educațională numărul 4

Indicele zecimal de absorbție a apei pentru lumina soarelui este de 0,09 m –1. Ce fracție din radiație va ajunge la adâncimea L \u003d 100 m?

Dat A găsi:

k \u003d 0,09 m - 1

Decizie:

Să notăm legea lui Bouguer :. Fracția de radiație care atinge adâncimea L este, evident,

adică o miliardime din lumina soarelui va ajunge la o adâncime de 100 m.
Sarcina educațională numărul 5

Lumina trece prin două filtre în serie. Primul are o densitate optică D 1 \u003d 0,6; al doilea are D 2 \u003d 0,4. Ce procent din fluxul de radiații va trece prin acest sistem?

Date: Găsiți:

D 1 \u003d 0,6 (în %%)

Decizie:

Începem soluția cu un desen al acestui sistem.

SF-1 SF-2

Găsim Ф 1: Ф 1 \u003d Ф 0 10 - D 1

În mod similar, fluxul trecut prin al doilea filtru este:

Ф 2 \u003d Ф 1 10 - D 2 \u003d Ф 0 10 - D 1 10 - D 2 \u003d Ф 0 10 - (D 1 + D 2)

Rezultatul este general: dacă lumina trece secvențial printr-un sistem de mai multe obiecte,densitatea optică totală va fi egală cu suma densităților optice ale acestor obiecte .

În condițiile problemei noastre, un flux de F 2 \u003d 100% ∙ 10 - (0,6 + 0,4) \u003d 100% ∙ 10 - 1 \u003d 10% va trece prin sistemul a două filtre de lumină

Sarcina educațională numărul 6

Conform legii Bouguer-Baer, \u200b\u200beste posibil, în special, să se determine concentrația ADN-ului. În regiunea vizibilă, soluțiile de acizi nucleici sunt transparente, dar absorb puternic în partea UV a spectrului; absorbția maximă este de aproximativ 260 nm. Evident, în această regiune a spectrului trebuie măsurată absorbția radiației; sensibilitatea și precizia măsurătorii vor fi cele mai bune.

Condițiile problemei: la măsurarea absorbției razelor UV cu lungimea de undă de 260 nm de către o soluție de ADN, fluxul de radiație transmis a fost atenuat cu 15%. Lungimea traiectoriei fasciculului în cuvetă cu soluția „x” este de 2 cm. Indicele de absorbție molară (zecimal) pentru ADN la o lungime de undă de 260 nm este 1,3.10 5 mol - 1 cm 2 Găsiți concentrația de ADN în soluția.

Dat:

Ф 0 \u003d 100%; Ф \u003d 100% - 15% \u003d 85% A găsi: Cu ADN

x \u003d 2 cm; λ \u003d 260 nm

χ 260 \u003d 1.3.10 5 mol –1 cm 2

Decizie:

(am „răsturnat” fracția pentru a scăpa de exponentul negativ). . Acum să logaritmăm :, și; substitui:

0,07 și C \u003d 2,7.10 - 7 mol / cm 3

Acordați atenție sensibilității ridicate a metodei!

SARCINI PENTRU SOLUTIE INDEPENDENTA
Când rezolvați probleme, luați valorile constantelor:

b \u003d 2900 μm.K; σ \u003d 5.7.10 - 8 W. Până la 4; h \u003d 6,6,10 - 34 J.; c \u003d 3,10 8 ms –1

1. Care este luminozitatea energetică a suprafeței corpului uman, dacă radiația maximă cade pe o lungime de undă de 9,67 microni? Pielea poate fi considerată un corp complet negru.

2. Cele două becuri au exact același design, cu excepția faptului că un filament este realizat din tungsten pur (α \u003d 0,3), iar celălalt este acoperit cu negru de platină (α \u003d 0,93). Care bec are cel mai mare flux de radiații? De câte ori?

3. În ce regiuni ale spectrului sunt lungimile de undă corespunzătoare densității spectrale maxime a luminozității radiante, dacă sursa de radiație este: a) o spirală a unui bec electric (T \u003d 2 300 K); b) suprafața Soarelui (T \u003d 5800 K); c) suprafața mingii de foc a unei explozii nucleare în momentul în care temperatura acesteia este de aproximativ 30.000 K? Diferența în proprietățile surselor de radiații indicate de AMP. neglijat.

4. Un corp metalic roșu, a cărui suprafață este de 2,10 - 3 m 2, emite un flux de 45,6 la o temperatură de suprafață de 1000 K. Marți Care este coeficientul de absorbție al suprafeței acestui corp?

5. Becul are o putere de 100 W. Suprafața filamentului este de 0,5.10 - 4 m 2. Temperatura filamentului este de 2.400 K. Care este coeficientul de absorbție al suprafeței filamentului?

6. La o temperatură a pielii de 27 0 С, se emit 0,454 W din fiecare centimetru pătrat al suprafeței corpului. Este posibil (cu o precizie de cel puțin 2%) să considerăm pielea ca un corp absolut negru?

7. În spectrul unei stele albastre, radiația maximă corespunde unei lungimi de undă de 0,3 microni. Care este temperatura suprafeței acestei stele?

8. Ce energie emite un corp cu o suprafață de 4000 cm 2 într-o oră?

la o temperatură de 400 K, dacă coeficientul de absorbție al corpului este de 0,6?

9. Placa (A) are o suprafață de 400 cm 2; coeficientul său de absorbție este de 0,4. O altă placă (B) cu o suprafață de 200 cm 2 are un coeficient de absorbție de 0,2. Temperatura plăcilor este aceeași. Care placă emite mai multă energie și de câte ori?

10 – 16. Analiza spectrală calitativă.Pe baza spectrului de absorbție a unuia dintre compușii organici, spectrul căruia

sunt prezentate în figură, determinați ce grupe funcționale fac parte dintr-o anumită substanță. Utilizați datele din tabel:

Grup; tipul de comunicare	Lungimi de undă absorbite, μm	Grup, tip de comunicare	Absorbit lungimi de undă, μm
-ESTE EL	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 \u003d N	5,94	-NU	12,3
-N \u003d N	6,35	-SO 2	19,2
-CN 2	6,77	-C \u003d O	23,9

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

14 - graficul e); 15 - graficul e); 16 - graficul g).

Fii atent la ce valoare din graficul tău este reprezentată de-a lungul axei verticale!

17. Lumina trece secvențial prin două filtre de lumină cu transmisii de 0,2 și 0,5. Ce procent de radiații va ieși dintr-un astfel de sistem?

18. Lumina trece secvențial prin două filtre de lumină cu densități optice de 0,7 și 0,4. Ce procent de radiații va trece printr-un astfel de sistem?

19. Pentru a proteja împotriva radiației luminoase a unei explozii nucleare, sunt necesare ochelari care atenuează lumina de cel puțin un milion de ori. Sticla din care vor să facă astfel de ochelari cu grosimea de 1 mm are o densitate optică de 3. Cât de groasă ar trebui luată sticla pentru a obține rezultatul cerut?

20 Pentru a proteja ochii atunci când lucrați cu un laser, este necesar ca un flux de radiații care nu depășește 0,0001% din fluxul creat de laser să poată pătrunde în ochi. Ce densitate optică ar trebui să aibă ochelarii pentru a asigura siguranța?

Sarcină generală pentru sarcinile 21 - 28 (analiza cantitativa):

Figura prezintă spectrele de absorbție a soluțiilor colorate ale unor substanțe. În plus, problemele indică valorile lui D (densitatea optică a soluției la lungimea de undă corespunzătoare absorbției maxime a luminii) și x (grosimea cuvei). Găsiți concentrația soluției.

Acordați atenție unităților în care valoarea absorbanței este indicată pe graficul dvs.

21. Graficul a). D \u003d 0,8 x \u003d 2 cm

22. Graficul b). D \u003d 1,2 x \u003d 1 cm

… 23. Programul c). D \u003d 0,5 x \u003d 4 cm

24. Graficul d). D \u003d 0,25 x \u003d 2 cm

25 Graficul e). D \u003d 0,4 x \u003d 3 cm

26. Graficul f) D \u003d 0,9 x \u003d 1 cm

27. Graficul g). D \u003d 0,2 x \u003d 2 cm

Radiația termică a corpurilor se numește radiație electromagnetică care apare datorită acelei părți a energiei interne a corpului, care este asociat cu mișcarea termică a particulelor sale.

Principalele caracteristici ale radiației termice a corpurilor încălzite la o temperatură Tsunteți:

1. Energie luminozitateR (T ) -cantitatea de energie emisă pe unitate de timp dintr-o unitate de suprafață a corpului pe întreaga gamă de lungimi de undă.Depinde de temperatura, natura și starea suprafeței corpului radiant. SI R ( T ) are dimensiunea [W / m 2].

2. Densitate spectrală radiantăr (  , T) =dW/ d - cantitatea de energie emisă de o unitate de suprafață corporală pe unitate de timp într-un interval de lungime de undă unitară (aproape de lungimea de undă considerată ). Acestea. această cantitate este numerică egală cu raportul energetic dWemisă pe unitate de suprafață pe unitate de timp într-un interval îngust de lungime de undă de la  inainte de  + d , la lățimea acestui interval. Depinde de temperatura corpului, de lungimea de undă, precum și de natura și starea suprafeței corpului emitent. SI r( , T) are dimensiunea [W / m 3].

Luminozitatea energiei R(T) este legat de densitatea luminozității spectrale r( , T) în felul următor:

(1) [W / m2]

3. Toate corpurile nu numai că emit, dar absorb și unde electromagnetice incidente pe suprafața lor. Pentru a determina absorbția corpurilor în raport cu undele electromagnetice de o anumită lungime de undă, se introduce conceptul coeficientul de absorbție monocromatic-raportul dintre magnitudinea energiei undei monocromatice absorbite de suprafața corpului și magnitudinea energiei undei monocromatice incidente:

Coeficientul de absorbție monocromatică este o cantitate adimensională care depinde de temperatură și de lungimea de undă. Arată ce fracțiune din energia undei monocromatice incidente este absorbită de suprafața corpului. Cantitatea  ( , T) poate lua valori de la 0 la 1.

Radiația într-un sistem închis adiabatic (care nu schimbă căldura cu mediul extern) se numește echilibru... Dacă creați o mică gaură în peretele cavității, starea de echilibru se va schimba ușor și radiația care iese din cavitate va corespunde radiației de echilibru.

Dacă o grindă este direcționată într-o astfel de gaură, atunci după reflexii multiple și absorbție pe pereții cavității, nu va mai putea reveni afară. Aceasta înseamnă că pentru o astfel de gaură coeficientul de absorbție  ( , T) = 1.

Cavitatea închisă considerată cu o gaură mică servește ca unul dintre modele corp absolut negru.

Corp complet negruse numește un corp care absoarbe toate radiațiile incidente pe el, indiferent de direcția radiației incidente, de compoziția sa spectrală și de polarizare (fără a reflecta sau a transmite nimic).

Pentru un corp negru, densitatea spectrală a luminozității radiante este o funcție universală a lungimii de undă și a temperaturii f( , T) și nu depinde de natura sa.

Toate corpurile din natură reflectă parțial radiația incidentă pe suprafața lor și, prin urmare, nu aparțin corpurilor absolut negre. Dacă coeficientul de absorbție monocromatic al corpului este același pentru toate lungimile de undă și mai puținunități(( , T) \u003d  Т \u003d const<1),atunci se numește un astfel de corp gri... Coeficientul de absorbție monocromatic al unui corp gri depinde doar de temperatura corpului, de natura acestuia și de starea suprafeței sale.

Kirchhoff a arătat că pentru toate corpurile, indiferent de natura lor, raportul dintre densitatea spectrală a luminozității energetice și coeficientul de absorbție monocromatic este aceeași funcție universală a lungimii de undă și a temperaturii. f( , T) ca densitate spectrală a luminozității radiante a unui corp absolut negru :

Ecuația (3) este legea lui Kirchhoff.

Legea lui Kirchhoff poate fi formulat după cum urmează: pentru toate corpurile sistemului în echilibru termodinamic, raportul dintre densitatea spectrală a luminozității radiante și coeficientul absorbția monocromatică nu depinde de natura corpului, este aceeași funcție pentru toate corpurile, în funcție de lungimea de undă și temperatura T.

Din cele de mai sus și din formula (3), este clar că la o anumită temperatură acele corpuri cenușii care au un coeficient ridicat de absorbție radiază mai puternic și că corpurile negre radiază cel mai puternic. Deoarece pentru un corp absolut negru (  , T) \u003d 1, apoi rezultă din formula (3) că funcția universală f( , T) este densitatea spectrală a luminozității radiante a unui corp absolut negru

Luminozitatea energetică a corpului R T, este egal numeric cu energia Wemise de corp pe întreaga gamă de lungimi de undă (0 pe unitate de suprafață corporală, pe unitate de timp, la temperatura corpului T, adică

Emisivitatea corpului rl, T numeric egal cu energia corpului dWlemis de un corp dintr-o unitate de suprafață corporală per unitate de timp la temperatura corpului T, în lungimea de undă de la l la l + dl, acestea.

Această valoare se mai numește și densitatea spectrală a luminozității energetice a corpului.

Luminozitatea energetică este legată de emisivitate prin formulă

Capacitatea de absorbție corp al, T - un număr care arată ce fracțiune din energia radiației care cade pe suprafața corpului este absorbită de acesta în lungimea de undă de la l la l + dl, acestea.

Corpul pentru care al , T \u003d 1pe întreaga gamă de lungimi de undă, se numește corp negru (corp negru).

Corpul pentru care al , T \u003d const<1 pe întreaga gamă de lungimi de undă se numește gri.

unde- densitatea spectrală luminozitatea energetică sau emisivitate corporală .

Experiența arată că emisivitatea unui corp depinde de temperatura corpului (pentru fiecare temperatură, radiația maximă se află în propria sa gamă de frecvență). Dimensiune .

Cunoscând emisivitatea, puteți calcula luminozitatea energiei:

numit capacitatea de absorbție a corpului ... De asemenea, este foarte dependent de temperatură.

Prin definiție, nu pot exista mai multe decât una. Pentru un corp care absoarbe complet radiațiile de toate frecvențele ,. Un astfel de corp este numit absolut negru (aceasta este o idealizare).

Un corp pentru care și mai puțin de unul pentru toate frecvențele, numit corpul gri (aceasta este și o idealizare).

Există o legătură clară între capacitatea emisivă și de absorbție a corpului. Să realizăm mental următorul experiment (Fig. 1.1).

Figura: 1.1

Să existe trei corpuri în interiorul unei cochilii închise. Corpurile sunt în vid, prin urmare schimbul de energie poate avea loc numai din cauza radiațiilor. Experiența arată că un astfel de sistem, după un timp, va ajunge la o stare de echilibru termic (toate corpurile și carcasa vor avea aceeași temperatură).

În această stare, un corp cu o capacitate radiantă mai mare pierde mai multă energie pe unitate de timp, dar, prin urmare, acest corp trebuie să aibă și o capacitate de absorbție mai mare:

Gustav Kirchhoff în 1856 a formulat lege și a sugerat model de corp negru .

Raportul dintre emisivitate și absorbție nu depinde de natura corpului, este același pentru toate corpurile(universal) funcția de frecvență și temperatură.

,

(1.2.3)

unde - funcția universală Kirchhoff.

Această funcție este universală sau absolută.

Cantitățile și, luate separat, se pot schimba extrem de puternic la trecerea de la un corp la altul, dar raportul lor constant pentru toate corpurile (la o frecvență și temperatură date).

Prin urmare, pentru un corp absolut negru, pentru el, adică funcția universală a lui Kirchhoff nu este altceva decât emisivitatea unui corp absolut negru.

Corpurile absolut negre nu există în natură. Negrul de fum sau negru de platină are o capacitate de absorbție, dar numai într-un interval de frecvență limitat. Cu toate acestea, o cavitate cu o gaură mică este foarte apropiată în proprietățile sale de un corp absolut negru. O rază care a pătruns în interior, după reflexii multiple, este neapărat absorbită și o rază de orice frecvență (Fig. 1.2).

Figura: 1.2

Emisivitatea unui astfel de dispozitiv (cavitate) este foarte aproape de f(ν, , T). Astfel, dacă pereții cavității sunt menținuți la o temperatură T, apoi radiația iese din gaura care este foarte apropiată în compoziția spectrală de radiația unui corp absolut negru la aceeași temperatură.

Prin descompunerea acestei radiații într-un spectru, se poate găsi forma experimentală a funcției f(ν, , T) (Fig. 1.3), la temperaturi diferite T 3 > T 2 > T 1 .

Figura: 1.3

Zona acoperită de curbă dă luminozitatea radiantă a unui corp negru la temperatura adecvată.

Aceste curbe sunt aceleași pentru toate corpurile.

Curbele sunt similare cu funcția de distribuție a vitezei moleculelor. Dar acolo zonele acoperite de curbe sunt constante, în timp ce aici zona crește semnificativ odată cu creșterea temperaturii. Acest lucru sugerează că compatibilitatea energetică este foarte dependentă de temperatură. Radiație maximă (emisivitate) cu creșterea temperaturii schimburi spre frecvențe mai mari.

Legile radiației termice

Orice corp încălzit emite unde electromagnetice. Cu cât temperatura corpului este mai mare, cu atât sunt mai scurte undele pe care le emite. Un corp în echilibru termodinamic cu radiația sa se numește absolut negru (Corp negru). Radiația unui corp negru depinde doar de temperatura acestuia. În 1900, Max Planck a derivat o formulă conform căreia, la o anumită temperatură a unui corp absolut negru, se poate calcula intensitatea radiației sale.

Fizicienii austrieci Stefan și Boltzmann au stabilit o lege care exprimă relația cantitativă dintre emisivitatea totală și temperatura corpului negru:

Această lege se numește legea Stefan-Boltzmann ... S-a numit constanta σ \u003d 5,67 ∙ 10 -8 W / (m 2 ∙ K 4) constanta Stefan - Boltzmann .

Toate curbele Planck au un maxim pronunțat la lungimea de undă

Această lege a fost numită legea vinului ... Deci, pentru Soare T 0 \u003d 5800 K, iar maximul cade pe lungimea de undă λmax ≈ 500 nm, care corespunde verde în domeniul optic.

Odată cu creșterea temperaturii, radiația maximă a corpului negru se deplasează către partea cu lungime de undă scurtă a spectrului. O stea mai fierbinte emite cea mai mare parte a energiei sale în gama ultraviolete, în timp ce o stea mai puțin fierbinte emite mai multă energie în infraroșu.

Efect foto. Fotoni

Efect fotoelectric a fost descoperit în 1887 de fizicianul german G. Hertz și investigat experimental de AG Stoletov în 1888-1890. Cel mai complet studiu al fenomenului efectului fotoelectric a fost realizat de F. Lenard în 1900. În acest moment electronul fusese deja descoperit (1897, J. Thomson) și a devenit clar că efectul foto (sau, mai precis) , fotoefectul extern) constă în extragerea electronilor din substanță sub influența luminii care cade pe ea.

O figură a configurației experimentale pentru studierea efectului fotoelectric este prezentată în Fig. 5.2.1.

În experimente, a fost utilizat un balon de vid din sticlă cu doi electrozi metalici, a cărui suprafață a fost curățată temeinic. O anumită tensiune a fost aplicată electrozilor U, a cărei polaritate ar putea fi modificată folosind o cheie dublă. Unul dintre electrozi (catodul K) a fost iluminat printr-o fereastră de cuarț cu lumină monocromatică cu o anumită lungime de undă λ. Cu un flux de lumină constant, dependența puterii fotocurentului Eu de la tensiunea aplicată. În fig. 5.2.2 prezintă curbe tipice ale unei astfel de dependențe obținute la două valori ale intensității fluxului luminos incident pe catod.

Curbele arată că la tensiuni pozitive suficient de ridicate la anodul A, fotocurentul ajunge la saturație, deoarece toți electronii smulși de catod de lumină ajung la anod. Măsurători atente au arătat că curentul de saturație Eu n este direct proporțional cu intensitatea luminii incidente. Când tensiunea anodică este negativă, câmpul electric dintre catod și anod inhibă electronii. Anodul poate fi atins doar de acei electroni a căror energie cinetică depășește | uE|. Dacă tensiunea anodică este mai mică de - U s, fotocurentul se oprește. Măsurare U s, puteți determina energia cinetică maximă a fotoelectronilor:

Numeroși experimentatori au stabilit următoarele legi de bază ale efectului fotoelectric:

1. Energia cinetică maximă a fotoelectronilor crește liniar odată cu creșterea frecvenței luminii ν și nu depinde de intensitatea acesteia.
2. Pentru fiecare substanță există un așa-numit efect de fotografie de margine roșie , adică, cea mai mică frecvență ν min la care este încă posibil efectul fotoefect extern.
3. Numărul de fotoelectroni expulzați din catod de lumină în 1 s este direct proporțional cu intensitatea luminii.
4. Efectul fotoelectric este practic inerțial, fotocurentul apare instantaneu după începerea iluminării catodului, cu condiția ca frecvența luminii ν\u003e ν min.

Toate aceste regularități ale efectului fotoelectric au contrazis fundamental ideile fizicii clasice despre interacțiunea luminii cu materia. Conform conceptelor de undă, atunci când interacționează cu o undă de lumină electromagnetică, un electron ar trebui să acumuleze treptat energie și ar dura un timp considerabil, în funcție de intensitatea luminii, pentru ca electronul să acumuleze suficientă energie pentru a scăpa din catod. . Calculele arată că acest timp ar fi trebuit calculat în minute sau ore. Cu toate acestea, experiența arată că fotoelectronii apar imediat după începerea iluminării catodului. În acest model, a fost, de asemenea, imposibil să se înțeleagă existența marginii roșii a efectului fotoelectric. Teoria undelor luminii nu ar putea explica independența energiei fotoelectronilor față de intensitatea fluxului de lumină și proporționalitatea energiei cinetice maxime cu frecvența luminii.

Astfel, teoria electromagnetică a luminii s-a dovedit a fi incapabilă să explice aceste legi.

O ieșire a fost găsită de A. Einstein în 1905. O explicație teoretică a regularităților observate ale efectului fotoelectric a fost dată de Einstein pe baza ipotezei lui M. Planck că lumina este emisă și absorbită de anumite porțiuni și energia fiecăruia o astfel de porțiune este determinată de formulă E = hν, unde h Este constanta lui Planck. Einstein a făcut următorul pas în dezvoltarea conceptelor cuantice. El a concluzionat că lumina are o structură discontinuă (discretă). O undă electromagnetică constă din porțiuni separate - cântecenumit ulterior fotoni... Atunci când interacționează cu materia, un foton își transferă complet toată energia hν un electron. O parte din această energie poate fi disipată de un electron în coliziuni cu atomii de materie. În plus, o parte din energia electronilor este cheltuită pentru depășirea barierei potențiale la interfața metal-vid. Pentru aceasta, electronul trebuie să efectueze o lucrare de ieșire A, în funcție de proprietățile materialului catodic. Cea mai mare energie cinetică pe care o poate avea un fotoelectron expulzat din catod este determinată de legea conservării energiei:

Această formulă se numește de obicei ecuația lui Einstein pentru efectul fotoelectric .

Cu ajutorul ecuației lui Einstein, este posibil să se explice toate regularitățile efectului fotoelectric extern. Ecuația Einstein implică o dependență liniară a energiei cinetice maxime de frecvență și independență față de intensitatea luminii, existența unei margini roșii și inerțialitatea efectului fotoelectric. Numărul total de fotoelectroni care părăsesc suprafața catodului în 1 s trebuie să fie proporțional cu numărul de fotoni incidenți pe suprafață în același timp. Din aceasta rezultă că curentul de saturație ar trebui să fie direct proporțional cu intensitatea fluxului luminos.

După cum urmează din ecuația lui Einstein, panta liniei drepte care exprimă dependența potențialului de blocare U s din frecvența ν (figura 5.2.2), este egal cu raportul constantei Planck h la sarcina electronică e:

unde c Este viteza luminii, λ cr este lungimea de undă corespunzătoare marginii roșii a efectului fotoelectric. Majoritatea metalelor au o funcție de lucru A este mai mulți electroni volți (1 eV \u003d 1,602 · 10 -19 J). În fizica cuantică, electronul volt este adesea folosit ca unitate de măsură a energiei. Valoarea constantei lui Planck, exprimată în electroni-volți pe secundă, este

Dintre metale, elementele alcaline au cea mai mică funcție de lucru. De exemplu, sodiul A \u003d 1,9 eV, care corespunde marginii roșii a efectului fotoelectric λ cr ≈ 680 nm. Prin urmare, compușii metalelor alcaline sunt folosiți pentru a crea catoduri în fotocelule conceput pentru a înregistra lumina vizibilă.

Deci, legile efectului fotoelectric indică faptul că lumina, atunci când este emisă și absorbită, se comportă ca un flux de particule, numit fotoni sau cuante ușoare .

Energia fotonică este

rezultă că fotonul are impuls

Astfel, teoria luminii, după ce a încheiat o revoluție de două secole, a revenit din nou la conceptul de particule de lumină - corpusculi.

Dar aceasta nu a fost o revenire mecanică la teoria corpusculară a lui Newton. La începutul secolului al XX-lea, a devenit clar că lumina are o natură duală. Când lumina se propagă, proprietățile sale de undă (interferență, difracție, polarizare) se manifestă și atunci când interacționează cu materia - corpusculară (efect fotoelectric). Această natură duală a luminii este numită dualismul undă-particulă ... Mai târziu, natura duală a fost descoperită pentru electroni și alte particule elementare. Fizica clasică nu poate oferi un model vizual al combinației de unde și proprietăți corpusculare în micro-obiecte. Mișcarea micro-obiectelor este guvernată nu de legile mecanicii clasice din Newton, ci de legile mecanicii cuantice. Teoria radiației corpului negru, dezvoltată de M. Planck, și teoria cuantică a efectului fotoelectric al lui Einstein stau la baza acestei științe moderne.

1. Caracteristicile radiației termice.

2. Legea lui Kirchhoff.

3. Legile radiației corpului negru.

4. Radiația de la Soare.

5. Bazele fizice ale termografiei.

6. Fototerapie. Utilizarea terapeutică a radiațiilor ultraviolete.

7. Concepte și formule de bază.

8. Sarcini.

Din toată varietatea de radiații electromagnetice, vizibile sau invizibile pentru ochiul uman, se poate distinge, care este inerentă tuturor corpurilor - aceasta este radiația termică.

Radiații termice- radiația electromagnetică emisă de o substanță și care rezultă din energia sa internă.

Radiația termică este cauzată de excitația particulelor unei substanțe în timpul coliziunilor în procesul de mișcare termică sau mișcarea accelerată a sarcinilor (oscilații ale ionilor din rețeaua cristalină, mișcarea termică a electronilor liberi etc.). Apare la orice temperatură și este inerentă tuturor corpurilor. O trăsătură caracteristică a radiației termice este spectru continuu.

Intensitatea radiației și compoziția spectrală depind de temperatura corpului, prin urmare, radiația termică nu este întotdeauna percepută de ochi ca o strălucire. De exemplu, corpurile încălzite la temperaturi ridicate emit o mare parte din energia lor în intervalul vizibil, iar la temperatura camerei, aproape toată energia este emisă în infraroșu.

26.1. Caracteristicile radiației termice

Energia pe care un corp o pierde din cauza radiației termice se caracterizează prin următoarele valori.

Fluxul de radiații(Ф) - energie emisă pe unitate de timp de pe întreaga suprafață a corpului.

De fapt, aceasta este puterea radiației termice. Dimensiunea fluxului de radiații este [J / s \u003d W].

Luminozitatea energiei(Re) este energia radiației termice emise pe unitate de timp de pe o suprafață unitară a unui corp încălzit:

Dimensiunea acestei caracteristici este [W / m 2].

Atât fluxul de radiații, cât și luminozitatea energiei depind de structura substanței și de temperatura acesteia: Ф \u003d Ф (Т), Re \u003d Re (T).

Distribuția luminozității energiei peste spectrul radiației termice o caracterizează densitatea spectrală.Să denotăm energia radiației termice emise de o suprafață unitară în 1 s într-un interval îngust de lungime de undă de la λ inainte de λ + d λ, prin dRe.

Luminozitate spectrală radiantă(r) sau emisivitateeste raportul dintre luminozitatea radiantă dintr-o parte îngustă a spectrului (dRe) și lățimea acestei părți (dλ):

O vedere aproximativă a densității spectrale și a luminozității radiante (dRe) în lungimea de undă de la λ inainte de λ + d λ, sunt prezentate în Fig. 26.1.

Figura: 26.1.Densitate spectrală radiantă

Se numește dependența densității spectrale a luminozității radiante de lungimea de undă spectrul de radiații al corpului.Cunoașterea acestei relații vă permite să calculați luminozitatea energetică a corpului în orice interval de lungime de undă:

Corpurile nu numai că emit, dar absorb și radiații termice. Capacitatea unui corp de a absorbi energia radiației depinde de substanța, temperatura și lungimea de undă a radiației. Capacitatea de absorbție a corpului se caracterizează prin coeficientul de absorbție monocromaticα.

Lăsați un curent să cadă pe suprafața corpului monocromaticăradiații Φ λ cu lungimea de undă λ. O parte din acest flux este reflectată, iar o parte este absorbită de corp. Să desemnăm valoarea fluxului absorbit Φ λ absorb.

Coeficient de absorbție monocromatic α λ este raportul dintre fluxul de radiații absorbit de un corp dat și valoarea fluxului monocromatic incident:

Coeficientul de absorbție monocromatică este o cantitate adimensională. Valorile sale se situează între zero și unu: 0 ≤ α ≤ 1.

Funcția α \u003d α (λ, Τ), care exprimă dependența coeficientului de absorbție monocromatică de lungimea de undă și temperatură, se numește capacitatea de absorbțiecorp. Aspectul său poate fi destul de complex. Cele mai simple tipuri de absorbție sunt discutate mai jos.

Corp negru- un astfel de corp, al cărui coeficient de absorbție este egal cu unitatea pentru toate lungimile de undă: α \u003d 1. Absoarbe toate radiațiile incidente asupra acestuia.

În ceea ce privește proprietățile sale de absorbție, funinginea, catifeaua neagră, negru de platină sunt aproape de un corp absolut negru. Un model foarte bun de corp negru este o cavitate închisă cu o gaură mică (O). Pereții cavității sunt înnegriți în Fig. 26.2.

Grinda care lovește această gaură este aproape complet absorbită după multiple reflexii de pe pereți. Dispozitive similare

Figura: 26.2.Model de corp negru

folosit ca standarde de lumină, utilizat la măsurători de temperatură ridicată etc.

Densitatea spectrală a luminozității radiante a unui corp absolut negru este notată cu ε (λ, Τ). Această funcție joacă un rol esențial în teoria radiațiilor termice. Forma sa a fost stabilită mai întâi experimental și apoi obținută teoretic (formula lui Planck).

Corp alb absolut- un astfel de corp, al cărui coeficient de absorbție este zero pentru toate lungimile de undă: α \u003d 0.

Nu există corpuri cu adevărat albe în natură, dar există corpuri care sunt aproape de ele în proprietăți într-o gamă destul de largă de temperaturi și lungimi de undă. De exemplu, o oglindă din partea optică a spectrului reflectă aproape toată lumina incidentă.

Corpul grieste un corp pentru care coeficientul de absorbție nu depinde de lungimea de undă: α \u003d const< 1.

Unele corpuri reale au această proprietate într-un anumit interval de lungimi de undă și temperaturi. De exemplu, „gri” (α \u003d 0,9) poate fi considerat piele umană în regiunea infraroșie.

26.2. Legea lui Kirchhoff

Relația cantitativă dintre radiații și absorbție a fost stabilită de G. Kirchhoff (1859).

Legea lui Kirchhoff- atitudine emisivitatecorpul lui capacitatea de absorbțieeste același pentru toate corpurile și este egal cu densitatea spectrală a luminozității radiante a unui corp absolut negru:

Să observăm câteva dintre consecințele acestei legi.

1. Dacă corpul la o anumită temperatură nu absoarbe nicio radiație, atunci nu o emite. Într-adevăr, dacă pentru

26.3. Legile radiațiilor corpului negru

Legile radiației corpului negru au fost stabilite în următoarea succesiune.

În 1879 J. Stefan experimental, iar în 1884 L. Boltzmann a determinat teoretic luminozitatea energeticăcorp absolut negru.

Legea Stefan-Boltzmann -luminozitatea energetică a unui corp absolut negru este proporțională cu a patra putere a temperaturii sale absolute:

Valorile coeficienților de absorbție pentru unele materiale sunt date în tabel. 26.1.

Tabelul 26.1.Coeficienți de absorbție

Fizicianul german W. Wien (1893) a stabilit o formulă pentru lungimea de undă la care maximul emisivitatecorp absolut negru. Raportul pe care l-a primit a fost numit după el.

Odată cu creșterea temperaturii, emisivitatea maximă schimburispre stânga (fig.26.3).

Figura: 26.3.Legea Wien a ilustrației deplasării

Masa 26.2 arată culorile din partea vizibilă a spectrului, corespunzătoare radiației corpurilor la diferite temperaturi.

Tabelul 26.2. Culorile corpurilor încălzite

Folosind legile lui Stefan-Boltzmann și Wien, este posibil să se determine temperaturile corpurilor prin măsurarea radiației acestor corpuri. De exemplu, așa se determină temperatura suprafeței Soarelui (~ 6000 K), temperatura de la epicentrul exploziei (~ 10 6 K) etc. Denumirea comună pentru aceste metode este - pirometrie.

În 1900 M. Planck a obținut formula de calcul emisivitatecorp negru teoretic. Pentru a face acest lucru, a trebuit să abandoneze conceptele clasice de continuitateprocesul de radiație al undelor electromagnetice. Conform ideilor lui Planck, fluxul de radiație constă din porțiuni separate - quanta,ale căror energii sunt proporționale cu frecvențele luminii:

Din formula (26.11) se pot obține teoretic legile Stefan-Boltzmann și Wien.

26.4. Radiații de la Soare

În cadrul sistemului solar, soarele este cea mai puternică sursă de radiație termică care provoacă viață pe pământ. Radiația solară are proprietăți de vindecare (helioterapie) și este utilizată ca agent de întărire. Poate avea și un efect negativ asupra corpului (arsuri, căldură

Spectrele radiației solare la limita atmosferei Pământului și la suprafața Pământului sunt diferite (Fig. 26.4).

Figura: 26.4.Spectrul radiației solare: 1 - la marginea atmosferei, 2 - la suprafața Pământului

La marginea atmosferei, spectrul Soarelui este aproape de spectrul unui corp negru. Emisivitatea maximă cade λ 1max\u003d 470 nm (albastru).

Aproape de suprafața Pământului, spectrul radiației solare are o formă mai complexă, care este asociată cu absorbția în atmosferă. În special, îi lipsește partea de înaltă frecvență a radiațiilor ultraviolete, care este în detrimentul organismelor vii. Aceste raze sunt aproape complet absorbite de stratul de ozon. Emisivitatea maximă cade λ 2max\u003d 555 nm (verde-galben), care corespunde celei mai bune sensibilități oculare.

Fluxul de radiație solară termică la limita atmosferei terestre determină constanta solaraI.

Fluxul care ajunge la suprafața pământului este mult mai mic datorită absorbției în atmosferă. În cele mai favorabile condiții (soarele este la apogeu), nu depășește 1120 W / m 2. La Moscova la vremea solstițiului de vară (iunie) - 930 W / m2.

Atât puterea radiației solare în apropierea suprafeței pământului, cât și compoziția sa spectrală depind în cel mai semnificativ mod de înălțimea Soarelui deasupra orizontului. În fig. 26.5 prezintă curbele netezite ale distribuției energiei soarelui: I - în afara atmosferei; II - la poziția Soarelui la zenit; III - la o înălțime de 30 ° deasupra orizontului; IV - în condiții apropiate de răsărit și apus (10 ° deasupra orizontului).

Figura: 26.5.Distribuția energiei în spectrul solar la diferite înălțimi deasupra orizontului

Diferitele componente ale spectrului solar trec prin atmosfera terestră în moduri diferite. Figura 26.6 arată transparența atmosferei la o altitudine solară mare.

26.5. Bazele fizice ale termografiei

Radiația termică a unei persoane reprezintă o proporție semnificativă din pierderile sale de căldură. Pierderile de radiații umane sunt egale cu diferența emiscurgere și absorbitfluxul de radiații al mediului. Puterea de pierdere radiativă este calculată prin formula

unde S este suprafața; δ este coeficientul de absorbție redus al pielii (îmbrăcămintei), considerat ca corp cenușiu;T 1 - temperatura suprafeței corpului (îmbrăcăminte); T 0 - temperatura ambiantă.

Luați în considerare următorul exemplu.

Să calculăm puterea pierderilor de radiații ale unei persoane goale la o temperatură ambiantă de 18 ° C (291 K). Să luăm: suprafața corpului S \u003d 1,5 m 2; temperatura pielii T 1 \u003d 306 K (33 ° C). Coeficientul de absorbție redus al pielii se găsește din tabel. 26.1 (δ \u003d 5,1 * 10 -8 W / m 2 K 4). Înlocuind aceste valori în formula (26.11), obținem

P \u003d 1,5 * 5,1 * 10 -8 * (306 4 - 291 4) ≈122 W.

Figura: 26.6.Transparența atmosferei Pământului (în procente) pentru diferite părți ale spectrului la o altitudine mare a Soarelui.

Radiația termică umană poate fi utilizată ca parametru de diagnosticare.

Termografie -o metodă de diagnostic bazată pe măsurarea și înregistrarea radiației termice de la suprafața corpului uman sau a părților sale individuale.

Distribuția temperaturii pe o suprafață mică a suprafeței corpului poate fi determinată folosind pelicule speciale cu cristale lichide. Astfel de filme sunt sensibile la mici modificări de temperatură (schimbă culoarea). Prin urmare, pe film apare un „portret” termic colorat al părții corpului pe care este suprapus.

O modalitate mai bună este utilizarea imaginilor termice care transformă radiația infraroșie în lumină vizibilă. Radiația corpului este proiectată pe matricea termică a imaginii folosind un obiectiv special. După conversie, pe ecran se formează un portret termic detaliat. Zonele cu temperaturi diferite diferă prin culoare sau intensitate. Metodele moderne permit înregistrarea diferenței de temperatură de până la 0,2 grade.

Portretele termice sunt utilizate în diagnosticarea funcțională. Diferite patologii ale organelor interne pot forma zone de piele cu temperaturi modificate la suprafață. Detectarea unor astfel de zone indică prezența patologiei. Metoda termografică facilitează diagnosticul diferențial între tumorile benigne și maligne. Această metodă este un mijloc obiectiv de monitorizare a eficienței metodelor terapeutice de tratament. Deci, în timpul unei examinări termografice a pacienților cu psoriazis, sa constatat că, în prezența infiltrării severe și a hiperemiei în plăci, se observă o creștere a temperaturii. O scădere a temperaturii la nivelul zonelor înconjurătoare, în cele mai multe cazuri, indică regresiiproces pe piele.

Febra este adesea un indicator al infecției. Pentru a determina temperatura unei persoane, trebuie doar să te uiți printr-un dispozitiv cu infraroșu la fața și gâtul acesteia. Pentru persoanele sănătoase, raportul dintre temperatura frunții și temperatura arterei carotide variază de la 0,98 la 1,03. Această relație poate fi utilizată în diagnosticarea expresă în timpul epidemiilor pentru a efectua măsuri de carantină.

26.6. Fototerapie. Utilizarea terapeutică a radiațiilor ultraviolete

Radiațiile infraroșii, lumina vizibilă și radiațiile ultraviolete sunt utilizate pe scară largă în medicină. Să ne amintim intervalele lungimilor lor de undă:

Fototerapienumită utilizarea radiațiilor infraroșii și vizibile în scopuri terapeutice.

Pătrunzând în țesuturi, razele infraroșii (precum și cele vizibile) în locul absorbției lor provoacă eliberarea de căldură. Adâncimea de penetrare a razelor infraroșii și vizibile în piele este prezentată în Fig. 26.7.

Figura: 26.7.Adâncimea de penetrare a radiațiilor în piele

În practica medicală, iradiatoarele speciale sunt utilizate ca surse de radiații infraroșii (Fig. 26.8).

Lampă Minineste o lampă cu incandescență cu reflector care localizează radiația în direcția necesară. Sursa de radiație este o lampă incandescentă de 20-60 W realizată din sticlă incoloră sau albastră.

Baie termalăreprezintă un cadru semicilindric, format din două jumătăți, conectate mobil unul de celălalt. Lămpile cu incandescență de 40 W sunt atașate la suprafața interioară a cadrului orientat spre pacient. În astfel de băi, radiațiile infraroșii și vizibile, precum și aerul încălzit, a cărui temperatură poate ajunge la 70 ° C, acționează asupra unui obiect biologic.

Lampă Solluxeste o lampă puternică cu incandescență plasată într-un reflector special pe un trepied. Sursa de radiație este o lampă incandescentă de 500 W (temperatura filamentului de tungsten este de 2 800 ° C, radiația maximă este la o lungime de undă de 2 μm).

Figura: 26.8. Radiatoare: lampă Minin (a), baie termală (b), lampă Sollux (c)

Utilizarea terapeutică a radiațiilor ultraviolete

Radiațiile ultraviolete utilizate în scopuri medicale sunt împărțite în trei game:

Când radiațiile ultraviolete sunt absorbite în țesuturi (piele), apar diverse reacții fotochimice și fotobiologice.

Folosit ca surse de radiații lămpi de înaltă presiune(arc, mercur, tubular), luminescentlămpi, descărcare de gaz lămpi de joasă presiune,una dintre soiurile cărora sunt lămpile germicide.

Radiații Aare efect eritemal și arsuri solare. Este utilizat în tratamentul multor afecțiuni dermatologice. Unii compuși chimici din seria furocumarinei (de exemplu, psoralen) sunt capabili să sensibilizeze pielea acestor pacienți la radiațiile ultraviolete cu unde lungi și să stimuleze formarea pigmentului de melanină în melanocite. Utilizarea combinată a acestor medicamente cu radiații A este baza unei metode de tratament numită fotochimioterapiesau Terapia PUVA(PUVA: P - psoralen; UVA - radiații ultraviolete din zona A). O parte sau tot corpul este expus la radiații.

Radiația Bare un efect antirachitic care formează vatim.

Radiația Care efect bactericid. Iradierea distruge structura microorganismelor și a ciupercilor. Radiația C este creată de lămpi bactericide speciale (Fig. 26.9).

Unele tehnici terapeutice folosesc radiația C pentru iradierea sângelui.

Post ultraviolet.Radiațiile ultraviolete sunt esențiale pentru dezvoltarea și funcționarea normală a corpului. Deficitul său duce la o serie de boli grave. Locuitorii extremelor

Figura: 26.9.Iradiator bactericid (a), iradiator pentru nazofaringe (b)

Nord, muncitori ai industriei miniere, metrou, rezidenți ai marilor orașe. În orașe, lipsa radiațiilor ultraviolete este asociată cu poluarea aerului cu praf, fum, gaze care prind partea UV a spectrului solar. Ferestrele interioare nu transmit raze UV \u200b\u200bcu lungimea de undă 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).

Nocivitatea radiațiilor ultraviolete

Expunerea la excesdozele de radiații ultraviolete asupra corpului în ansamblu și asupra organelor sale individuale duc la apariția unui număr de patologii. Acest lucru se aplică în primul rând consecințelor arsurilor solare necontrolate: arsuri, pete de vârstă, leziuni oculare - dezvoltarea fotoftalmiei. Efectul radiațiilor ultraviolete asupra ochiului este similar cu eritemul, deoarece este asociat cu descompunerea proteinelor din celulele corneei și ale membranelor mucoase ale ochiului. Celulele vii ale pielii umane sunt protejate de efectul distructiv al razelor UV

mi "celule ale stratului cornos. Ochii sunt lipsiți de această protecție, prin urmare, cu o doză semnificativă de iradiere a ochilor, după o perioadă latentă, se dezvoltă inflamația mucoaselor (keratită) și a mucoaselor (conjunctivită) a membranelor ochiului. Acest efect se datorează razelor cu o lungime de undă mai mică de 310 nm. Este necesar să protejați ochiul de astfel de raze. Efectul blastomogen al radiațiilor UV care duce la dezvoltarea cancerului de piele trebuie luat în considerare în special.

26.7. Concepte și formule de bază

Continuarea tabelului

Sfârșitul mesei

26.8. Sarcini

2. Determinați de câte ori diferă luminozitățile energetice ale zonelor suprafeței corpului uman cu temperaturi de 34 și, respectiv, 33 ° C?

3. La diagnosticarea unei tumori mamare prin termografie, pacientului i se administrează o soluție de glucoză pentru a bea. După un timp, se înregistrează radiația termică a suprafeței corpului. Celulele țesutului tumoral absorb intens glucoza, în urma căreia crește producția lor de căldură. Cu câte grade se schimbă temperatura zonei pielii deasupra tumorii dacă radiația de la suprafață crește cu 1% (1,01 ori)? Temperatura inițială a unei părți a corpului este de 37 ° C.

6. Cât a crescut temperatura corpului uman dacă fluxul de radiații de pe suprafața corpului a crescut cu 4%? Temperatura inițială a corpului este de 35 ° C.

7. Există două ceainice identice în cameră, care conțin mase egale de apă la 90 ° C. Una dintre ele este placată cu nichel, iar cealaltă este întunecată. Ce ceainic se va răci mai repede? De ce?

Decizie

Conform legii lui Kirchhoff, raportul emisivității și absorbției este același pentru toate corpurile. Ceainicul nichelat reflectă aproape toată lumina. În consecință, capacitatea sa de absorbție este mică. Emisivitatea este în consecință mică.

Răspuns:ceainicul întunecat se va răci mai repede.

8. Pentru distrugerea dăunătorilor, boabele sunt expuse radiațiilor infraroșii. De ce mor bug-urile, dar boabele nu?

Răspuns:bug-urile au negrulprin urmare, absorb intens radiațiile infraroșii și pier.

9. Încălzind o bucată de oțel, la o temperatură de 800 ° C, vom observa o strălucire roșie vișinie strălucitoare, dar o tijă transparentă de cuarț topit la aceeași temperatură nu strălucește deloc. De ce?

Decizie

A se vedea problema 7. Un corp transparent absoarbe o mică parte a luminii. Prin urmare, emisivitatea sa este, de asemenea, scăzută.

Răspuns:un corp transparent practic nu radiază, chiar și atunci când este foarte încălzit.

10. De ce multe animale dorm ghemuit într-o minge pe vreme rece?

Răspuns:în acest caz, suprafața deschisă a corpului scade și, în consecință, pierderile de radiații scad.