Тепловое излучение и его характеристики

1.

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
И ЕГО
ХАРАКТЕРИСТИКИ

2.

Свечение тел, обусловленное
нагреванием называется ТЕПЛОВЫМ
ИЗЛУЧЕНИЕМ
Совершается за счет энергии
теплового движения атомов и молекул
Характеризуется сплошным спектром
При высоких температурах излучаются
короткие волны
При низких температурах - длинные

3.

Батарея центрального отопления 350 Кинфракрасная область
Солнце 6х103К – видимая часть спектра
Атомный взрыв 106К рентгеновское и
гамма излучение

4.

Люминенсценция – излучение не
обусловленное внутренней энергией
тел
Может возникать когда частицы
налетают на тело

5.

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ РАВНОВЕСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
( т.е сколько энергии в ед. времени
излучается столько же и
поглощается)

6.

СПЕКТРАЛЬНАЯ ПЛОТНОСТЬ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ
СВЕТИМОСТИ
- это мощность
ИЗЛ
излучения с единицы
dW , d
R ,T
площади
d
поверхности тела в
единичном
интервале частот

7.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ
СВЕТИСМОСТЬ
RT R ,T d
0

8.

R rλ,T dλ
0
Найдем связь между rω,T
c
λ 2π
ω
rω,T dω rλ,T dλ
dω
rλ,T rω,T
dλ
и rλ,T

9.

dω
2πc
2
dλ
λ
Знак «–» означает, что при увеличении
длины волны частота убывает
rλ,T
2πc
λ
r
2 ω,T

10.

Спектральная
поглощательная способность
показывает
какая доля
энергии,
приносимой в
единицу времени
на единицу
поверхности
ПОГЛОЩАЕТСЯ
A ,T
погл
dW , d
dW , d

11.

-
R ,T и A ,T
Зависят от природы тела,
его температуры и диапазона частот

12.

Абсолютно черное тело
При любой
температуре
полностью
поглощает
падающее
излучение в любом
диапазоне частот
A ,T 1

13.

Модель абсолютно черного
тела

14.

Серое тело
Поглощательная способность меньше 1,
но одинакова для всех частот и зависит
только от температуры
A ,T AT const 1
c

15.

A ,T
Черное тело
Серое тело
Реальное тело

16.

ЗАКОН КИРХГОФА
Отношение спектральной
плотности энергетической
светимости к спектральной
поглощательной способности не
зависит от природы тела, а
является универсальной
функцией частоты и температуры

17.

R ,T
A ,T
const r ,T
Для абсолютно черного тела
r ,T R ,T
A ,T 1
черн
Универсальная функция Кирхгофаспектральная плотность энергетической
светимости абсолютно черного тела

18.

Следствия закона Кирхгофа
1) т.к.
A ,T 1 то
R ,T R ,T
2) если A
,T 0
черн
то
R ,T 0
ЕСЛИ ТЕЛО НЕ ПОГЛОЩАЕТ, ТО ОНО И НЕ ИЗЛУЧАЕТ

19.

RT A ,T r ,T d
0
Для серого тела
0
0
RT AT r ,T d AT r ,T d
c
RЭ r ,T d
0
- Энергетическая светимость
черного тела
RT AT RЭ
c

20.

ЗАКОН СТЕФАНАБОЛЬЦМАНА

21.

Закон Стефана-Больцмана
Энергетическая светимость
черного тела пропорциональна
четвертой степени температуры
RЭ T
5,67 10
4
8
Вт/м2К4

22.

Закон смещения
Вина

23.

r ( , T ) max
b
max
T
b 2,9 10
3 м·К
r ( , T ) max cT
c 1,3 10
5
5
Вт
м3 К 5

24.

Формула Рэлея -Джинса
2
r ,T 2
c
kT - средняя энергия осциллятора
2
2
r ,T 2 kT
c
2

25.

RЭ r ,T d
0
2 kT 2
RЭ 2 d
c 0
ПРОТИВОРЕЧИЕ С ЗАКОНОМ СТЕФАНА - БОЛЬЦМАНА
УЛЬТРАФИОЛЕТОВАЯ КАТАСТРОФА

26.

27.

Гипотеза Планка
Атомные осцилляторы излучают
энергию определенными порциями –
квантами
Энергия одного кванта
h 6,63 10
34
Дж с
h
Энергия осциллятора
nh (n 0,1,2...)

28.

Средняя энергия
осциллятора
2 h
r ,T
2
c
3
h
h
kT
e 1
1
h
e kT 1

29.

При малых частотах, когда энергия
кванта меньше энергии теплового
движения формула Планка переходит
в формулу Рэлея-Джинса
hν
hν
kT
e 1
kT
3
2
h
1
2 h
1
r ,T
2
hν
2
h
c
c
e kT 1
kT
3
2 2
2 kT
c

30.

Формула Планка для
универсальной функции
Кирхгофа – начало
квантовой физики

31.

ФОТОЭФФЕКТ
Внешний фотоэффект – испускание
электронов веществом под действием
электромагнитного излучения

32.

33.

Зависимость силы фототока от
приложенного напряжения.

34.

35.

Основные закономерности
фотоэффекта
Максимальная кинетическая энергия
фотоэлектронов линейно возрастает с
увеличением частоты света и не зависит
от его интенсивности.
Для каждого вещества существует так
называемая красная граница
фотоэффекта, т. е. наименьшая
частота при которой еще возможен
внешний фотоэффект.

36.

Число фотоэлектронов,
вырываемых светом из катода
за 1 с, прямо
пропорционально
интенсивности света.
Фототок возникает мгновенно
после начала освещения
катода

37.

ФОТОЭФФЕКТ
НЕВОЗМОЖНО
ОБЪЯСНИТЬ С
КЛАССИЧЕСКОЙ ТОЧКИ
ЗРЕНИЯ

38.

УРАВНЕНИЕ ЭЙНШТЕЙНА
Свет не только испускается, но
распространяется и поглощается
отдельными порциями –
КВАНТАМИ
Кванты электромагнитного
излучения наз. ФОТОНАМИ
Энергия одного кванта
h

39.

h A T
Энергия фотона расходуется на
вырывание электрона из металла
(работа выхода –A=const)
и на сообщение вылетевшему
электрону кинетической энергии (Т)
T
2
mVmax
2

40.

h A 0
h 0 A
CУЩЕСТВУЕТ КРАСНАЯ ГРАНИЦА ФОТОЭФФЕКТА,
Т.е. МИНИМАЛЬНАЯ ЧАСТОТА ПАДАЮЩЕГО СВЕТА ,
ПРИ КОТОРОЙ ЕЩЕ ВОЗМОЖЕН ФОТОЭФФЕКТ

41.

Работы выхода для
некоторых металлов
Металл
Калий
Литий
Платина
Рубидий
Серебро
Цезий
Цинк
Работа выхода
(эВ)
2,2
2,3
6,3
2,1
4,7
2,0
4,0

42.

1эВ 1,6 10
19
Дж

43.

Чтобы фототок исчез
необходимо приложить
задерживающее напряжение
eU з
2
mVmax
2

44.

МАССА И ИМПУЛЬС
ФОТОНА

45.

h mc
h
m 2
c
Масса фотона
h
h
p
c
c
Импульс фотона
2

46.

Корпускулярные свойства
частицы(импульс, масса)
связываются с ее волновыми
свойствами ( частота)

47.

ЭФФЕКТ КОМПТОНА

48.

Упругое рассеяние коротковолнового
рентгеновского излучения на
свободных (или слабо связанных с
атомами) электронах вещества.
При этом наблюдается увеличение
длины волны рассеянного
излучения в зависимости от угла
рассеяния

49.

50.

Pγ
Pe
Pγ
Pγ´

51.

Pe – Импульс электрона после
столкновения
Pγ ´– Импульс фотона после
столкновения
Pγ – Импульс фотона до
столкновения

52.

Фотон, столкнувшись с электроном,
передает ему часть своей энергии и
импульса и изменяет направление своего
движения (рассеивается).
Электрон, получивший скорость после
столкновения с фотоном, называется
электроном отдачи.
Выполняются законы сохранения
энергии и импульса. Для расчетов
удобно выбирать систему отсчета, в
которой электрон первоначально
покоился.

53.

Закон сохранения импульса
P P Pe
h h
h
h
P
P
c
c
Pe mV

54.

По теореме косинусов
2
2
2
h h 2h
(mV )
cos
2

55.

Закон сохранения энергии
hc
hc
2
m0 c
mc
hc
2
- Энергия падающего фотона
hc - Энергия рассеянного фотона
2
m0c - Энергия покоящегося электрона
mc
2
- Энергия электрона отдачи

56.

Изменение длины волны
h
2
h
2
(1 cos )
sin
m0c
m0c
2
Θ – угол рассеяния
2h
c
2,426 пм – комптоновская длина волны
m0c