Теория. Тепловое излучение

• Название: Тепловое излучение
• Дата: 23.05.2022
• Размер: 1.04 Mb.
• Имя файла: Теория.docx
• Тип: Закон; #544465
• страница: 1 из 3

1.   Тепловое излучение – электромагнитное излучение, испускаемое веществом, возникающее за счет его внутренней энергии. Единственным видом излучения, которое может находиться в равновесии с излучающими телами, является тепловое излучение. Равновесное излучение устанавливается в адиабатически замкнутой системе. Допустим, что равновесие нарушено, и тело излучает больше, чем поглощает. Тогда внутренняя энергия будет убывать, это уменьшит температуру тела, что противоречит адиабатичности системы. Следовательно, и излучение не будет равновесным.

Излучательная способность тел ( спектральная плотность энергетической светимости) – энергия, излучаемая телом с единицы площади за единицу времени в единичном интервале длины волны



Поглощательная способность тел – безразмерная величина, показывающая какую долю падающего излучения тело поглощает.



Абсолютно черное тело (АЧТ) – тело, поглощающее все падающее на него излучение при любой температуре при всем диапазоне длин волн.



Серое тело -тело, для которого и меньше единицы для всех частот.

Закон Кирхгофа

    Отношение лучеиспускательной к поглощательной способности не зависит от природы тела, оно является для всех тел одной и той же (универсальной) функцией частоты и температуры. , где

Для абсолютно черного тела  , следовательно, для него   , т.е. универсальная функция Кирхгофа есть не что иное, как лучеиспускательная способность абсолютно черного тела.

2. Энергетическая светимость тела – энергия, излучающаяся телом с единицы площади поверхности за единицу времени во всем диапазоне длин волн.

Закон Стефана-Больцмана

Энергетическая светимость любого тела пропорциональна   : – постоянная Стефана- Больцмана.

Это справедливо только для абсолютно черного тела.

3. График зависимости излучательной способности АЧТ от длины волны и частоты.

Площадь, охватываемая кривой, дает энергетическую светимость абсолютно черного тела при соответствующей температуре.

1) от длины волны

Все кривые имеют максимум, который с увеличением Т смещается в сторону коротких длин волн.

2) от частоты

Максимум излучения (излучательной способности) с увеличением температуры смещается в сторону больших частот.

Закон Смещения Вина.

Длина волны, соответствующая максимуму излучательной способности, обратно пропорциональна абсолютной температуре :

4*. Формула Релея- Джинса : ( )

справедлива только в области малых частот и не согласуется с законом Вина. 

(Закон о равномерном распределении энергии между степенями свободы системы, находящейся в равновесии (на одну колебательную степень свободы приходится Е= kT))

Ультрафиолетовая катастрофа - невозможность описания спектра излучения твердого тела классическими методами.

 Было получено две формулы, описывающие излучение абсолютно черного тела: одна для коротковолновой части спектра (формула Вина: ( ) ), другая – для длинноволновой (формула Рэлея–Джинса)

Формула Планка для теплового излучения :



Гипотеза Планка : тела излучают не непрерывно, а порциями, энергию, которая пропорциональна частоте излучений.

5,6. Двойственная природа электромагнитного излучения: Излучение не является ни волной, ни потоком частиц. В разных условиях оно проявляет волновые и корпускулярные свойства.

Примеры явлений, в которых проявляются волновые свойства света: дифракция(огибание препятствий волнами), интерференция(увеличение или уменьшение результирующей амплитуды при наложении волн друг на друга) , дисперсия (разложение света) , поляризация (векторы напряженности электрического и магнитного полей ориентируются в плоскости, параллельной плоскости, в которой свет распространяется.)

6. Примеры явлений, в которых проявляются корпускулярные свойства света: фотоэффект(энергия фотонов передаётся электронам вещества), эффект Комптона(рассеивание на свободных электронах)

7.Фотоны. Энергия и импульс фотона и связь между ними . Выразите эти величины через длину волны л, частоту , циклическую частоту .

Фотон – частица, не обладающая массой покоя. Она может существовать, только двигаясь со скоростью света.

Фотон обладает энергией : и импульсом

Т. к. , то

Тогда

8. Фотон – частица, не обладающая массой покоя. Она может существовать, только двигаясь со скоростью света.

Фотон обладает энергией : и импульсом

Энергия фотонов видимой части спектра ( -см. формулу выше

9. Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация).

1.При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света(сила тока насыщения пропорциональна интенсивности падающего света ).

2.Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой ν (возрастает с частотой)

3.Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.(для длины волны- выше кот, невозможен)

Работа выхода — энергия, которую необходимо сообщить электрону для его «непосредственного» удаления из объёма твёрдого тела.

10.Формула Энштейна для внешнего фотоэффекта :





( )

Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта- минимальная частота света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен

11.Вакуумный фотоэлемент, его вольт-амперная характеристика. Фототок насыщения.
Ф отоэлемент обычно представляет собой стеклянный баллон, в котором создается вакуум при давлении не выше 10-7 мм рт. ст. Внутри баллона размещены два электрода. Освещаемый электрод принято называть фотокатодом (катодом), второй электрод (на который не попадают световые лучи) – анодом. Фотоэлемент подключают к источнику питания с регулируемым напряжением и переключаемой полярностью. При освещении фотокатода светом из него вырываются фотоэлектроны, и в цепи возникает фототок I. Включенный в цепь вольтметр регистрирует разность потенциалов (напряжение) между катодом и анодом ±U (знак «-» соответствует отрицательному потенциалу анода по отношению к катоду).

График зависимости фототока I от приложенного внешнего напряжения U между анодом и катодом называют вольт–амперной характеристикой фотоэлемента. Если в фотоэлементе исключено нежелательное попадание света на анод, то его вольт-амперная характеристика при освещении монохроматическим светом имеет вид:

При отсутствии разности потенциалов между катодом и анодом (U = 0), фототок I отличен от нуля – до анода долетают фотоэлектроны, обладающие достаточно высокими кинетическими энергиями (остальные фотоэлектроны возвращаются на катод, либо попадают на стенки вакуумного баллона). При положительном потенциале анода (U > 0) на фотоэлектроны действует ускоряющее электрическое поле, увеличивающее их кинетическую энергию. При этом фототок I возрастает с ростом напряжения U и достигает максимального значения , называемого током насыщения, которое остается неизменным при дальнейшем увеличении U. В этом случае все испускаемые из катода фотоэлектроны достигают анода. Ток насыщения (в Амперах) и количество испущенных за 1 секунду электронов n связаны соотношением , где e = 1,610-19 Кл – модуль заряда электрона.

12.Задерживающий потенциал . График зависимости от частоты падающего света . Определите по графику работу выхода и красную границу фотоэффекта.

При отрицательном потенциале анода (U < 0) на фотоэлектроны действует тормозящее электрическое поле, снижающее их кинетическую энергию и способствующее возвращению электронов обратно на катод. Поскольку начальные скорости электронов различны по величине и направлению, то с ростом абсолютной величины U ток уменьшается постепенно. При достижении абсолютной величины U = , называемой задерживающей разностью потенциалов (задерживающим напряжением, напряжением запирания), ток обращается в нуль. В этом случае на анод перестают попадать даже наиболее быстрые фотоэлектроны, обладающие максимальной кинетической энергией . Иными словами, работа сил тормозящего электрического поля становится равной величине максимальной кинетической энергии электронов: =







13. Задерживающий потенциал . График зависимости от длины волны падающего света . Определите по графику работу выхода и красную границу фотоэффекта.



14.Фотоэффект как взаимодействие фотона со связанным электроном. Используя законы сохранения энергии и импульса, покажите , что фотоэффект для свободного релятивийского электрона невозможен. e



Закон сохранения импульса :

Закон сохранения энергии : (энергия налетающего фотона + энергия покоя электрона = энергия е после удара)

15. Рентгеновское излучение при действии электронов на вещество (обратный фотоэффект). Коротковолновая граница сплошного рентгеновского спектра.



Источник – рентгеновская трубка

Сплошной рентгеновский спектр испускается бомбардирующими анод электронами в результате торможения при взаимодействии с атомами вещества анода . Не зависит от вещества анода и определяется только энергией электронов.

1)При возрастании напряжения максимум смещается в сторону коротких волн.

2)Существует коротковолновая граница спектра

Нулевые распределения интенсивности не идут к началу координат, а обрываются при конечных значениях – это и есть коротковолновая граница рентгеновского спектра.


Энергия излучаемого фотона максимальна, когда вся кинетическая энергия полностью перешла в энергию этого фотона.

16. Эффект Комптона. Изменение длины волны рентгеновского излучения, его максимальная и минимальная величина. Комптоновская длина волны частицы.

Эффект Комптона – упругое рассеивание коротковолнового излучения (рентгеновское и гамма- )на свободных ( или слабо связанных ) электронах вещества, сопровождающихся увеличением длины волны .

Фотон, столкнувшись с электроном, передает ему часть энергии и импульса и меняет направление движения . Уменьшение энергии фотона означает увеличение длины волны.























Максимальная при


17. Качественное объяснение эффекта Комптона на основе корпускулярных свойств излучения. Законы сохранения энергии и импульса в эффекте Комптона. Векторная диаграмма закона сохранения импульса.

























18. Опыты Резерфорда. «Планетарная» модель атома и причина невозможности ее реализации в классической физике.

 Узкий пучок α-частиц испускался радиоактивным веществом и попадал на фольгу. Проходя через фольгу α-частицы отклонялись на различные углы. Рассеянные частицы ударялись об экран, покрытый ZnS, и вызываемые им вспышки света. Весь прибор помещался в вакуум, чтобы α-частицы не рассеивались при столкновении с молекулами воздуха.

      

В опыте обнаружилось, что некоторые α-частицы отклонялись на большие углы, до 180º. Такое отклонение возможно лишь при встрече с положительно заряженной частицей большей массы. А малая вероятность отклонения на большие углы говорила, что эта положительная частица имеет малые размеры, порядка 10^–14 м. Электроны, по мнению Резерфорда, движутся вокруг ядра.

       Однако такая модель была в явном противоречии с классической электродинамикой, т.к. электрон, двигаясь по окружности, т.е. с нормальным ускорением, должен был излучать энергию, следовательно, замедлять скорость и падать на ядро. Таким образом, применение классической электродинамики к ядерной модели атома привело к полному противоречию с экспериментальными фактами.

Согласно классической теории, должны иметь место:

       ·     непрерывная потеря электроном энергии в виде излучения электромагнитных волн и неустойчивость атома;

       ·     существование только непрерывного спектра спектральных линий не должно быть.

  В действительности оказывается, что:

       ·     атом является устойчивой системой;

       ·     атом излучает энергию лишь при определенных условиях;

       ·     излучение атома имеет линейчатый спектр, связанный со строением и свойствами его электронной оболочки.
19. Постулаты Бора. Выражение для полной энергии электрона в атоме водорода на основе теории Бора.

 Первый постулат (постулат стационарных состояний): электроны движутся только по определенным (стационарным) орбитам. При этом, даже двигаясь с ускорением, они не излучают энергию.