Файл: Лекции по физике.pdf

на которую падает электромагнитная волна, сама будет излучать электромагнитную волну во все стороны (происходит поляризация частиц, причем их дипольный момент периодически меняется). Интенсивность этой рассеянной волны пропорциональна 1/λ4.

Почему небо голубое? Все дело в рассеянии света на молекулах воздуха. Так как интенсивность рассеянного света пропорциональна 1/λ4, то в рассеянном свете большей интенсивностью обладает часть спектра, близкая к его фиолетовому концу. В результате спектр рассеянного света оказывается как бы сдвинутым в сторону более коротких волн, и вместо белого света получается голубой. Глядя на небо, мы видим рассеянный атмосферой свет, и небо – голубое. Когда же мы смотрим на заходящее солнце или просто в его направлении, то воспринимаем в основном не рассеянный свет, а прямые солнечные лучи, прошедшие через толстый слой атмосферы. Спектр такого света смещен в сторону более длинных волн, так как бóльшая часть коротковолнового излучения теряется на рассеяние. Вот почему при восходе и заходе солнце красное, а небо вблизи него окрашено в оранжевый и красные тона. По мере подъема солнце желтеет, что связано с уменьшением пути, проходимого солнечными лучами в земной атмосфере, а, значит, и ослаблением рассеяния.

19.2. Тепловое излучение

Любое нагретое тело излучает электромагнитные волны. Общий механизм светового излучения изложен в начале IV главы. Для теплового излучения он следующий. В результате теплового движения (колебания, столкновения) атомы и молекулы могут переходить в возбужденное состояние (состояние с большей энергией). При обратном переходе атома или молекулы из состояния с большей в состояние с меньшей энергией и происходит тепловое излучение.

Итак, тепловое излучение присуще всем телам при любой температуре, отличной от абсолютного нуля (0 К). Оно имеет сплошной спектр, однако длина волны, соответствующая максимуму излучения, существенно зависит от температуры. При низких температурах тепловое излучение преимущественно инфракрасное, при высоких излучение представляет видимый свет, при очень высоких излучение ультрафиолетовое. Наглядным примером, подтверждающим уменьшение длины волны излучения с ростом температуры тела, является изменение цвета свечения нагреваемого металла. Сначала металл темный (невидимое инфракрасное излучение), затем красный, потом оранжевый, желтый и, наконец, голубовато-белый1.

Длина волны λm, на которую приходится максимум теплового излучения абсолютно черного тела2, обратно пропорциональна его абсолютной темпера-

туре Т (закон Вина):

1В современных осветительных электролампах температуранити накаливанияоколо 3000 К.

2Тело называется абсолютно черным, если оно поглощает всю падающую на него энергию излучения. В природе таких тел нет, однако, к примеру, сажа и уголь почти такие. Кроме того, установлено, что всякое тело при данной температуре излучает преимущественно лучи таких длин волн, которые при той же температуре сильнее всего поглощает.

128

Величину j(λ) называют спектральной плотностью энергии излучения. По существу, это энергия, излучаемая в единицу времени с единицы площади поверхности тела волнами с длинами в узком диапазоне от λ до λ + dλ. Чтобы найти энергию, излучаемую в единицу времени с единицы площади поверхности тела во всем спектральном диапазоне (интенсивность теплового излучения или излучательная способность, измеряемая в Вт/м2), нужно взять интеграл

J = ∞∫ j(λ)dλ .

0

Оказывается, что для абсолютно черного тела этот интеграл зависит только от температуры.

Интенсивность теплового излучения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры (закон Стефана – Больцмана):

где σ ≈ 5,67·10–8 Вт/(м2·К4) – постоянная Стефана – Больцмана.

Основным источником теплового излучения в природе является солнце. Максимум в спектре солнечного излучения, достигающего земной поверхности, соответствует длине волны ~ 500 нм. Этому соответствует температура абсолютно черного тела около 6000 К, формула (19.9). Излучение при такой температуре и называется белым светом. Белым светом можно считать излучение ламп накаливания, снабженных соответствующими светофильтрами (матовыми).

Из искусственных источников теплового излучения в сельском хозяйстве применяются лампы накаливания и инфракрасные излучатели.

Инфракрасные излучатели используют для обогрева молодняка, особенно в первые дни после рождения. Кроме того, обработка молока ИК-излучением быстро и практически полностью уничтожает микрофлору в молоке с очень незначительным изменением его вкусовых качеств.

129

Органы теплокровных животных и человека излучают в ИК диапазоне. Созданы специальные приборы, регистрирующие это излучение – тепловизоры. Очаг воспаления имеет повышенную температуру и на экране тепловизора выглядит ярче, что помогает диагностировать многие опухолевые заболевания на ранних стадиях.

Созданы и активно применяются приборы ночного видения, работающие в ИК диапазоне. В полной темноте они регистрируют ИК-излучение, исходящее от нагретых тел, к примеру, от людей, теплокровных животных, работающих двигателей транспортных средств или электронагревательных приборов. Летящий самолет на экране такого прибора выглядит как движущееся красное пятно.

Заканчивая параграф, отметим, что точная теория теплового излучения может быть построена только на принципах квантовой физики из представлений о квантовом характере светового излучения.

А в заключение всей лекции подчеркнем, что различные спектральные диапазоны света по-разному влияют на растения, что учитывается при разработке ламп для освещения теплиц, см. приложение к главе IV.

Вопросы к лекции 19

1.Укажите оптический спектр световых волн.

2.Перечислите явления, связанные с волновыми свойствами света, дайте их краткую характеристику и приведите примеры.

3.Напишите формулу для разрешающей способности дифракционной решетки. Какой физический смысл имеет эта величина?

4.Напишите формулу для разрешающей способности микроскопа. С каким явлением связана эта величина, и какой физический смысл она имеет?

5.Вода освещена светом красного фонаря. Известно, что в воде длина волны будет меньше. Какой свет будет видеть ныряльщик под водой?

6.Как возникает тепловое излучение?

7.Сформулируйте закон Вина. Приведите пример.

8.Что такое излучательная способность? Сформулируйте закон Стефана – Больцмана.

9.Приведите примеры использования теплового излучения в сельском хозяйстве.

10.Пользуясь приложением к главе IV, скажите, какие спектральные диапазоны белого света дают максимальный и минимальный вклад в процесс фотосинтеза.

11.Нарисуйте приближенную оптимальную спектральную характеристику лампы для освещения теплиц.

130

Глава V. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

Квантовая физика устанавливает способ описания и законы движения

микрочастиц.

К микрочастицам относят элементарные частицы (фотон, электрон, протон, нейтрон и т.д.), а также более сложные частицы, состоящие из сравнительно небольшого числа элементарных частиц (ядра, атомы, молекулы).

Основные принципы квантовой физики.

1. Все микрочастицы имеют двойственную (корпускулярно-волновую)

природу1. В зависимости от условий они могут вести себя либо как частица (корпускула), либо как волна. Например, свет в явлениях дисперсии, поляризации, интерференции и дифракции ведет себя как волна, а в фотоэффекте – как поток частиц. Электрон при столкновениях ведет себя как частица, а при дифракции на кристаллической решетке – как волна (при этом картина распределения интенсивности пучка электронов на экране похожа на дифракционную картину света).

Каждой движущейся частице с импульсом р соответствует длина волны

λд = hp ,

где h = 6,62·10–34 Дж·с – постоянная Планка. Эта волна называется волной де Бройля.

2. Для микрочастицы невозможно одновременно точно измерить координату и импульс. Чем точнее мы измеряем импульс частицы, тем больше неопределенность в координате и наоборот. В этом заключается суть соотношения неопределенностей, установленного немецким физиком В. Гейзенбергом в 1927 г.

x p ≥ ħ/2,

где x – неопределенность (погрешность измерения) координаты, р – неопределенность импульса; ħ = h/(2π). Это соотношение определяет теоретический предел точности реальных приборов, который, понятно, достигается далеко не всегда.

На принципе неопределенности Гейзенберга основано квантовомеханическое представление явлений микромира. Этот принцип является частным случаем сформулированного примерно в то же время Н. Бором принципа дополнительности. Согласно принципу дополнительности получение экспериментальной информации об одних физических величинах, характеризующих микрочастицу, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым. То есть микрочастица «не дает» увидеть себя полностью.

Хотя принцип дополнительности и не позволяет точно определить все физические параметры частицы, это совсем не означает, что поведение микрочастиц вовсе не поддается описанию.

1 Так называемый корпускулярно-волновой дуализм (двойственность) характерен только для микрочастиц. Макроскопические тела (даже очень маленькие) таким свойством не обладают.

131