ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.11.2019
Просмотров: 19000
Скачиваний: 11
РОЗДІЛ 7
Е Л Е М Е Н Т И К В А Н Т О В О Ї Ф І З И К И
Електромагнітному випромінюванню притаманні як хвильо-
ві, так і квантові властивості. Чим більша довжина хвилі випромінюван-
ня, тим більше воно проявляє хвильові властивості. Чим менша довжина
хвилі, тим чіткіше проявляються квантові властивості випромінювання.
Зв'язок між хвильовими і корпускулярними властивостями електромагні-
тного випромінювання визначається формулою Планка Б = /
їу
, або
є - к с і к , Такі явища, як теплове випромінювання, фотоелектричний
ефект, можна зрозуміти, виходячи лише з квантової теорії випроміню-
вання і поглинання електромагнітного випромінювання.
Новий етап у розвитку фізики пов'язаний з відкриттям у 1887 р. елек-
трона. Було з'ясовано, що атоми не є елементарними; вони - складні сис-
теми, до яких входять електрони»
Вирішальну роль для розуміння структури атома відіг рали досліди Ре-
зерфорда з розсіяння а -частинок. Ці досліди - фундаментальні не тільки
для атомної, а й для ядерної фізики.
За порівняно короткий строк питання атомної і ядерної фізики з теоре-
тичних і експериментальних стали практичними і промисловими. На їх
основі створено атомну, рентгенівську, радіоспектроскопію, квантові ге-
нератори, атомні реактори, побудовано електростанції і кораблі,
Одночасно з фізикою атомного ядра почала, швидко розвиватися фізи-
ка елементарних частинок., Перші успіхи в дій галузі пов'язані з випромі-
нюванням космічного проміння. Було відкрито велику кількість елемен-
тарних, частинок. Встановлено їх універсальну взаємоперетворюваність.
ГЛАВА 23
КВАНТОВА ОПТИКА
І 220, Теплове випромінювання,
його характеристики. Закон Кірхгофа
Теплове випромінювалня
Найбільш поширеним у природі видом електромагнітного
випромінювання є тешюве випромінювання.
530
Теплове випромінювання відбувається завдяки внутрішній енергії
речовини і тому властиве всім тілам при будь-якій температурі, від-
мінній
від 0 К.
Теплове випромінювання веде до зменшення внутрішньої енергії тіла
і, о тже, до зниження температури тіла, до охолодження. Щоб забезпечити
можливість тривалого випромінювання енергії, необхідно поповнювати її
зменшення. Але, випромінюючи, тіло саме поглинає частину енергії, ви-
промінюваної іншими тілами. Поглинання енергії веде до збільшення
внутрішньої енергії тіла і, отже, до підвищення температури. Постійне
ні і промінювання і поглинання енергії тілами призводить до того, що в
і юльованій термодинамічній системі кінець кінцем встановлюється така
температура, при якій зменшення енергії тілом при випромінюванні ком-
пенсується її збільшенням при поглинанні, спектр енергії, яка випромі-
нюється і поглинається, не змінюється з часом. Таке випромінювання на-
і11 вають
рівноважним.
Стан термодинамічної системи, при якому її параметри не змінюються
з часом, називають
термодинамічною рівновагою
. Для системи, яка пере-
буває в термодинамічній рівновазі, характерні такі властивості:
для теплового випромінювання стан термодинамічної рівноваги
ізольованої системи встановлюється з часом; якщо система досягла
термодинамічної рівноваги і зовнішні умови не змінюються, то сис»
і ема не може сама довільно вийти
з цього
стану.
Усі інші види випромінювань (їх об'єднують під загальною назвою
шомінесценція) цієї властивості не мають. Наприклад, при хемілюмінес-
ценції випромінювання виникає завдяки енергії, яка виділяється під час
хімічних перетворень. Процес випромінювання при хемілюмінесценції
гриває доти, поки йде хімічна реакція. Теплова рівновага встановлюється
тільки тоді, коли закінчиться хімічний процес, а з ним і хемілюмінесцен-
ція. Те саме буде при електро-, фото- і катодолюмінісценції. Отже,
з усіх видів випромінювання рівноважним може бути тільки теп-
лове.
Воно залежить від температури тіла, оскільки є наслідком хаотичного
і силового руху молекул і атомів.
Характеристики теплового випромінювання
Випромінювання характеризують його енергією
IV. Потік
(>нпромінювання
Ф
е
-
це відношення енергії випромінювання до часу і, за
який воно відбулося:
Ф
е
= 0 7 * .
531
Відношення потоку випромінювання, яке випускає тіло, до площі 8 по-
верхні випромінювача називають енергетичною світністю тіла:
Д
е
= Ф
е
/ 5 . (23.1)
Одиниця енергетичної світності - ват на квадратний метр (Вт/м
2
).
Наведені вище характеристики не враховують спектрального складу
випромінювання. У загальному випадку тіло може випромінювати (по-
глинати) електромагнітні хвилі різних довжин хвиль і хвилі кожної дов-
жини виносять (приносять) свою частку енергії. Ця частка енергії в разі
випромінювання характеризується
спектральною густиною енергетичної
світності г
х
- відношенням енергетичної світності АК
е
, що відповідає
вузькій ділянці спектра, до ширини цієї ділянки
АХ:
г
х
=АК
с
/АХ.
(23.2)
Вимірювання показують, що
г
х
для даного тіла залежить як від дов-
жини хвилі
X
, поблизу якої взято інтервал
АХ
, так і від температури
Т
тіла.
Коефіцієнтом поглинання а
називають величину, яка дорівнює від-
ношенню потоку випромінювання Ф^, поглинутого даним тілом, до по-
току випромінювання Ф
е
, яке падає на це тіло:
сх = Ф;/Ф
е
. (23.3)
Коефіцієнт поглинання можна розглядати і для даного інтервалу дов-
жин хвиль
АХ
. Нри цьому
а
х
=АФ'
еХ
/АФ
сХ
.
Закон Кірхгофа
Якщо система складається з кількох тіл, нагрітих до різних
температур, то через деякий час температури зрівняються навіть тоді, ко-
ли не буде передаватись тепло конвекцією і теплопровідністю. Гарячі ті-
ла, випромінюючи, передають холодним енергії більше, ніж одержують
від них, так триває доти, поки настане рівноважний стан. У стані термо-
динамічної рівноваги тіл, які обмінюються енергією тільки через випро-
мінювання і поглинання, відношення спектральної густини енергетичної
світності до коефіцієнта поглинання є величиною сталою, яка не зале-
жить від природи тіла. Для всіх тіл воно виражається однією і тією самою
функцією від довжини хвилі
X
і температури
Т:
532
= =
(23.4)
Це співвідношення називають
законом Кірхгофа
(див. § 220). З нього
випливає, що
тіло поглинає електромагнітні хвилі переважно в тому інтервалі, в
якому само їх випромінює.
Тіло, яке при будь-якій температурі поглинає всю енергію електрома-
гнітного випромінювання довільної довжини хвилі, що падає на нього,
називають
чорним.
Для нього
а
х
- І,
До чорного
і їла за своїми властивостями близькі сажа, чорний
оксамит, платинова чернь. Тіло, для якого а
х
<1,
називають
сірим.
Властивості чорного тіла добре відтворює тіло
І невеликим отвором
£
у замкненій порожнині,
пінки якої виготовлені з поглинаючого матеріалу
(рис. 23.1). Промінь світла, який падає всередину
цієї порожнини через отвір зазнає багаторазово-
го відбивання. При кожному відбиванні стінки порожнини поглинають
частину енергії. Тому інтенсивність променя світла, який виходить з от-
вору, в багато разів менша від інтенсивності променя, що входив. Чим
більше відношення площі порожнини до площі отвору, тим ближче таке
І ІЛО
до чорного.
§ 221. Закон Стефана - Больцмана. Закон Віна
Експериментальні криві розподілу енергії у спектрі випромі-
нювання чорного тіла, тобто залежність спектральної густини енергетич-
ної світності
г
х
чорного тіла від довжини хвилі
X
при сталій температу-
рі
Т,
зображені на рис. 23.2. З рисунка видно, що
спектр випромінювання чорного
тіла суцільний, тобто в спектрі зобра-
жений неперервний ряд довжин хвиль.
З підвищенням температури зростає
випромінювальна здатність чорного ті-
ла. Кількісно це виражається
законом
Стефана - Больцмана:
енергетична світність чорного
тіла пропорційна четвертому степеню
температури
Т:
ба область область
Рис. 23,2
533
і?
е
:=аГ
4
, (23.5)
де а = 5,67 • 1СГ
8
Вт • м~
2
-
К"
4
~ стала Стефана - Больцмана.
Розподіл енергії у спектрі випромінювання чорного тіла залежить від
довжини хвилі.
Із збільшенням довжини хвилі
г
х
зростає, досягаючи чітко виражено-
го максимуму гіри деякій довжині хвилі А
пшх
, а потім зменшується.
З підвищенням температури максимум випромінювання зміщується в
бік коротших хвиль.
Зменшення
г
х
у бік коротших хвиль виражене різкіше, ніж у бік довших.
Довжина хвилі Х
тах
обернено пропорційна температурі чорного тіла:
Х
тх
=С/Т.
(23.6)
Формула (23.6) виражає
закон зміщення Віна.
У ній
С
- 2,898х
хЮ м
К
- стала Віна.
Закони Стефана - Больцмана і Віна є емпіричними. Численні спроби
теоретично встановити закон випромінювання чорного тіла тривалий час
вели до результатів, які узгоджувалися з дослідом тільки в обмеженому
інтервалі температур і довжин хвиль. Це пояснювалось тим, що в основу
цих спроб було покладено уявлення електродинаміки і термодинаміки, за
якими тіло випромінює і поглинає енергію безперервно. Проте ці уявлен-
ня були неточними.
§ 222. Люмінесценція
Люмінесценція
(або, як її іноді не зовсім правильно назива-
ють, холодне світіння тіл) полягає в тому, що під дією світла деякі тверді,
рідкі або газоподібні речовини випромінюють характерне для них випро-
мінювання, яке називають
випромінюванням люмінесценції.
При люміне-
сценції світло, яке падає, поглинається, а потім випромінюється світло
люмінесценції, склад якого відрізняється від поглинутого. Деякі види фо-
толюмінесценції були відомі давно: наприклад,
флуоресценція -
коротко-
часне світіння, яке припиняється майже відразу після припинення опро-
мінення тіла, і
фосфоресценція -
світіння, яке триває ще деякий час після
опромінювання. Проте наукового означення самого поняття люмінесцен-
ції не було, тому не можна було відповісти на питання про те, що таке
люмінесценція, які її основні ознаки і чим вона відрізняється від інших
видів випромінювання. Тривалі пошуки законів люмінесценції спричи-
нювали лише встановлення деяких емпіричних правил, які не охоплювали
всіх основних дослідних фактів і допускали значні винятки. Прикладом
534