- •Часть 3
- •Оглавление
- •Предисловие
- •После изучения дисциплины необходимо знать
- •После изучения дисциплины необходимо уметь
- •Содержание дисциплины
- •Самостоятельная работа и контроль знаний студентов
- •После изучения главы необходимо знать следующее:
- •1.1. Геометрическая оптика
- •1.2. Интерференция света
- •1.3. Дифракция света
- •1.4. Поляризация света
- •1.5. Дисперсия и поглощение света
- •После изучения главы необходимо знать следующее:
- •2.1. Тепловое излучение
- •2.2. Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом
- •После изучения главы необходимо знать следующее:
- •3.1. Строение атомов
- •3.2. Спектр атома водорода
- •3.3. Волновые свойства частиц вещества
- •3.4. Элементы квантовой механики
- •3.5. Электронная оболочка атома
- •3.6. Атом водорода в квантовой механике
- •После изучения главы необходимо знать следующее:
- •4.1. Строение и свойства атомного ядра
- •4.2. Радиоактивность
- •4.3. Ядерные реакции
- •После изучения главы необходимо знать следующее:
- •5.1. Краткие исторические сведения
- •5.2. Классы элементарных частиц
- •5.3. Основные характеристики элементарных частиц
- •В опросы для самоконтроля По теме Волновая оптика
- •По теме Квантовая оптика
- •По теме Физика атома
- •По теме Физика атомного ядра
- •По теме Физика элементарных частиц
- •Т олковый словарь
- •З аключение
- •Библиографический список
- •Краткий курс физики
- •Часть 3
- •394026 Воронеж, Московский просп.,14
После изучения главы необходимо знать следующее:
Тепловое излучение, его характеристики и законы.
Природа теплового излучения. Формула Планка.
Внешний фотоэффект, его вольтамперная характеристика и законы. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.
Виды фотоэффекта.
Импульс фотона. Давление света.
Эффект Комптона. Единство корпускулярных и волновых свойств электромагнитного излучения.
2.1. Тепловое излучение
Тела излучают электромагнитные волны (светятся) в процессе теплового излучения и люминесценции.
Тепловое излучение – вид свечения, при котором испускание электромагнитных волн происходит за счет преобразования энергии теплового движения частиц тела (внутренней энергии тела) в энергию излучения.
Люминесценция – виды свечения, возбуждаемые различными видами энергии, кроме внутренней энергии тела (хемилюминесценция – свечение за счет химических превращений, электролюминесценция – свечение под воздействием электрического поля, катодолюминесценция – свечение при бомбардировке твердого тела электронами, фотолюминесценция – свечение в результате поглощения телом внешнего электромагнитного излучения).
Из всех видов излучения только тепловое является равновесным. Интенсивность теплового излучения возрастает с повышением температуры тела и понижается при ее уменьшении. Это обусловливает поддержание равновесия между излучаемой и поглощаемой телом энергий. Поэтому к тепловому излучению применимы законы термодинамики, описывающие равновесные состояния и процессы и позволяющие вывести для него некоторые закономерности.
Закон Кирхгофа показывает, что для произвольной частоты теплового излучения и абсолютной температуры Т непрозрачного тела отношение лучеиспускательной способности Е тела к его поглощательной способности А одинаково для всех тел и равно лучеиспускательной способности абсолютно черного тела.
Лучеиспускательная способность Е - спектральная характеристика теплового излучения тела, численно равная энергии теплового излучения с единицы площади поверхности тела за единицу времени (плотности мощности излучения) dW в единичном интервале частот. Если частота изменяется от до + d, то
Е = .
В СИ лучеиспускательная способность Е измеряется в Дж/м2.
Поглощательная способность А - безразмерная величина, показывающая, какая доля энергии dWпад, доставляемой за единицу времени на единицу площади поверхности тела падающими на нее электромагнитными волнами с частотой от до + d, поглощается телом:
А = .
Величины Е и А зависят помимо частоты излучения и температуры тела, от его материала, формы и состояния поверхности.
Тело называется абсолютно черным, если оно при любой температуре полностью поглощает все падающие на него электромагнитные волны А = 1.
Тело называют серым, если его поглощательная способность одинакова для всех частот и зависит только от температуры, материала и состояния поверхности тела А = А.
Закон Кирхгофа в дифференциальной форме записывается в виде соотношения:
= .
Из закона Кирхгофа следует, что если тело при данной температуре Т не поглощает излучения в интервале частот от до + d (т. е. А = 0), то оно не может при температуре Т и равновесно излучать в этом интервале частот, и имеем Е = А = 0.
Закон Кирхгофа в интегральной форме выражается отношением энергетической светимости серого тела Е, то есть энергии излучения всех возможных частот теплового излучения, испускаемого с единицы поверхности тела за единицу времени, к его поглощательной способности А, которое равно интегральной излучательной способности абсолютно черного тела:
= .
Поглощательная способность произвольного тела А может изменяться в пределах от 0 до 1, поэтому интегральная излучательная способность любого тела равна Е = , где - степень черноты тела, равная единице для абсолютно черного тела и нулю для зеркального тела (зеркальное тело не излучает и не поглощает электромагнитные волны).
Законы излучения абсолютно черного тела. Тепловое излучение имеет место при любой температуре Т 0. Нагретое тело состоит из колоссального количества атомов, каждый из которых ведет себя подобно независимому гармоническому осциллятору (вибратору) – источнику электромагнитного излучения. Разные атомы-излучатели колеблются с различными частотами. Поэтому излучение нагретого тела содержит волны всевозможных частот, а следовательно, и длин волн. При невысоких температурах излучаются практически лишь длинные (инфракрасные) электромагнитные волны.
Распределение энергии излучения абсолютно черного тела, моделью которого может служить небольшое отверстие в сферическом ящике (рис. 24), по частотам (длинам) волн было тщательно изучено на опыте.
На рис. 25 изображены кривые, характеризующие распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела, то есть зависимость его лучеиспускательной способности , от частоты при различных температурах.
Площадь, ограниченная каждой кривой и осью абсцисс, определяет интенсивность интегральной (полной) излучательной способности абсолютно черного тела и быстро растет с увеличением температуры, так как по закону Стефана-Больцмана она возрастает пропорционально четвертой степени температуры излучения:
= 4,
где величина - универсальная постоянная Стефана-Больцмана, равная по значению 5,67110-8 Вт/(м2К4).
Все кривые имеют максимумы, причем с увеличением температуры основная часть энергии приходится на более высокие частоты (более короткие волны). Для каждой температуры существует частота излучения m (длина волны излучения m), соответствующая максимальному значению лучеиспускательной способности абсолютно черного тела и, согласно закону смещения Вина, пропорциональная его абсолютной температуре:
m = b1T,
где b1 – постоянная величина. Длина волны m, соответствующая максимальному значению лучеиспускательной способности абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его абсолютной температуре:
m = ,
где b – постоянная Вина, равная 0,002898 мград. Лучеиспускательные способности и абсолютно черного тела связаны соотношением:
= .
Последовательное применение идей классической физики к исследованию спектрального состава излучения абсолютно черного тела привело к результатам, противоречащим закону сохранения энергии. Так, согласно классическому закону о равномерном распределении энергии по степеням свободы ср() = kТ, где k - постоянная Больцмана, и формуле Рэлея-Джинса:
= кТ
получается, что в области больших частот лучеиспускательная способность монотонно возрастает с ростом частоты, не имея максимума, а интегральная лучеиспускательная способность абсолютно черного тела обращается в бесконечность. Данный результат резко расходится с экспериментом и носит название «ультрафиолетовой катастрофы».
Квантовая природа теплового излучения. В классической физике испускание света источником рассматривается как непрерывный процесс. Считается, что излучающее тело непрерывно посылает в пространство электромагнитные волны и энергия источника света непрерывно изменяется. Аналогично рассматривается и процесс поглощения света. Планк пришел к выводу, что именно эти представления ведут к противоречиям в теории теплового излучения.
В 1900 году Макс Планк высказал гипотезу, согласно которой абсолютно черное тело испускает и поглощает свет не непрерывно, а определенными порциями энергии – квантами. По квантовой теории Планка энергия излучающего осциллятора с собственной частотой может принимать лишь определенные дискретные (квантованные) значения, отличающиеся на целое число элементарных порций – квантов энергии:
0 = h = ћ,
Где h = 6,62510-34 Джс – универсальная постоянная Планка (квант действия), а постоянная ћ = h/2 - приведенная постоянная Планка. ћ = 1,05510-34 Джс.
На основании квантовой теории Планк получил формулу для лучеиспускательной способности абсолютно черного тела:
= ,
где с – скорость света в вакууме, h – постоянная Планка, k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура тела, - частота излучения. Формула Планка прекрасно согласуется с экспериментальными данными, а сама идея о прерывном характере процессов испускания и поглощения света оказала влияние на все дальнейшее развитие физики.
Так было установлено, что свет имеет двойственную, корпускулярно-волновую природу: с одной стороны, он обладает волновыми свойствами, обусловливающими явления интерференции, дифракции, поляризации, с другой стороны, представляет собой поток частиц – квантов света, обладающих нулевой массой покоя и движущихся со скоростью, равной скорости света в вакууме. Эйнштейн пришел к выводу, что сама электромагнитная волна состоит из отдельных порций – фотонов. Энергия Е фотона и его импульс р для соответствующей ему электромагнитной волны с частотой и длиной волны в вакууме равны по величине:
Е = h = , р = = .
При малых частотах преобладающую роль играют волновые свойства, а при больших - корпускулярные свойства света.
Фотоны возникают (излучаются) в процессах перехода атомов, молекул, ионов и атомных ядер из возбужденных состояний в состояния с меньшей энергией, а также в результате ускорения и торможения заряженных частиц, при распадах и аннигиляции частиц.
Квантовая точка зрения на природу электромагнитного излучения позволяет иначе, чем в электромагнитной теории, подойти к объяснению процессов взаимодействия электромагнитного излучения с веществом.