«Тепловое излучение тел и фотоэффект» Введение. Открыта сила притяжения за счет теплового излучения В каком случае тело нагревается вследствие излучения

Наконец, есть еще один способ охарактеризовать электромагнитное излучение - указав его температуру. Строго говоря, этот способ годится только для так называемого чернотельного или теплового излучения. Абсолютно черным телом в физике называют объект, поглощающий всё падающее на него излучение. Однако идеальные поглощающие свойства не мешают телу самому испускать излучение. Наоборот, для такого идеализированного тела можно точно рассчитать вид спектра излучения. Это так называемая кривая Планка, форма которой определяется единственным параметром - температурой. Знаменитый горб этой кривой показывает, что нагретое тело мало излучает как на очень длинных, так и на очень коротких волнах. Максимум излучения приходится на вполне определенную длину волны, значение которой прямо пропорционально температуре.

Указывая эту температуру, нужно иметь в виду, что это не свойство самого излучения, а лишь температура идеализированного абсолютно черного тела, которое на данной волне имеет максимум излучения. Если есть основание считать, что излучение испущено нагретым телом, то, найдя максимум в его спектре, можно приближенно определить температуру источника. Например, температура поверхности Солнца составляет 6 тысяч градусов. Это как раз соответствует середине видимого диапазона излучения. Вряд ли это случайно - скорее всего, глаз за время эволюции приспособился максимально эффективно использовать солнечный свет.

Неоднозначность температуры

Точка спектра, на которую приходится максимум чернотельного излучения, зависит от того, на какой оси мы строим график. Если по оси абсцисс равномерно откладывать длину волны в метрах, то максимум будет приходиться на

λ max = b /T = (2,9·10 –3 м ·К )/T ,

где b = 2,9·10 –3 м ·К . Это так называемый закон смещения Вина. Если построить тот же спектр, равномерно отложив на оси ординат частоту излучения, местоположение максимума вычисляется по формуле:

ν max = (αk/h ) · T = (5,9·10 10 Гц /К ) · Т ,

где α = 2,8, k = 1.4·10 –23 Дж /К - постоянная Больцмана, h - постоянная Планка.

Все было бы хорошо, но, как выясняется λ max и ν max ·соответствуют разным точкам спектра. Это становится очевидно, если вычислить длину волны, соответствующую ν max , то получится:

λ" max = с /ν max = (сh /αk )/T = (5,1·10 –3 м·К)/Т .

Таким образом, максимум спектра, определенный по частоте, в λ" max /ν max = 1,8 раза отличается по длине волны (а значит и по частоте) от максимума того же спектра, определенного по длинам волн. Иными словами, частота и длина волны максимума чернотельного излучения не соответствуют друг другу: λ max ≠ с /ν max .

В видимом диапазоне принято указывать максимум спектра теплового излучения по длине волны. В спектре Солнца, как уже говорились, он приходится на видимый диапазон. Однако по частоте максимум солнечного излучения лежит в ближнем инфракрасном диапазоне.

А вот максимум космического микроволнового излучения с температурой 2,7 К принято указывать по частоте - 160 МГц , что соответствует длине волны 1,9 мм . Между тем, в графике по длинам волн максимум реликтового излучения приходится на 1,1 мм .

Всё это показывает, что температуру надо с большой осторожностью использовать для описания электромагнитного излучения. Ее можно применять только в случае излучения, близкого по спектру к тепловому, либо для очень грубой (с точностью до порядка) характеристики диапазона. Например, видимому излучению соответствует температура в тысячи градусов, рентгену - миллионы, микроволновому - около 1 кельвина.

Излучение электромагнитных волн веществом происходит благодаря

внутриатомным и внутримолекулярным процессам. Источники энергии и, следовательно, вид свечения могут быть разными: экран телевизора, лампа дневного света, лампа накаливания, гниющее дерево, светлячок и т.д.

Из всего многообразия электромагнитных излучений, види­мых или не видимых человеческим глазом, можно выделить одно, которое присуще всем телам. Это излучение нагретых тел, или тепловое излучение.

Тепловое излучение свойственно всем телам при абсолютной температуре Т>0, и его источником является внутренняя энергия излучающих тел, а точнее, энергия хаотического теплового движения их атомов и молекул. В за­висимости от температуры тела изменяются интенсивность излучения и спектральный состав, поэтому далеко не всегда тепловое излучение воспринимается глазом как свечение.

Рассмотрим некоторые основные характеристики теплового излучения. Среднюю мощность излучения за время, значительно большее периода световых колебаний, принимают за поток излучения Ф. В СИ он выражается в ваттах (Вт).

Поток излучения, испускаемый 1 м 2 поверхности, называют энергетической светимостью R е . Она выражается в ваттах на квадратный метр (Вт/м 2).

Нагретое тело излучает электромагнитные волны различной дли­ны волны. Выделим небольшой интервал длин волн от λ до λ + Δλ. Энергетическая светимость, соответствующая этому интервалу, про­порциональна ширине интервала:

где - спектральная плотность энергетической светимости тела , равная отношению энергетической светимости узкого участка спектра к ширине этого участка, Вт/м 3 .

Зависимость спектральной плотности энергетической свети­мости от длины волны называют спектром излучения тела.

Проинтегрировав (13), получим выражение для энергетиче­ской светимости тела:

Способность тела поглощать энергию излучения характеризу­ют коэффициентом поглощения, равным отношению потока из­лучения, поглощенного данным телом, к потоку излучения, упав­шего на него:

α = Фпогл /Фпад (15)

Так как коэффициент поглощения зави­сит от длины волны, то (15) записывают для потоков монохроматического излучения, и тогда это отношение определяет монохроматический коэффициент поглощения:

αλ = Фпогл (λ) /Фпад (λ)

Из (15) следует, что коэффициенты поглощения могут при­нимать значения от 0 до 1. Особенно хорошо поглощают излуче­ние тела черного цвета: черная бумага, ткани, бархат, сажа, пла­тиновая чернь и т. п.; плохо поглощают тела с белой поверхно­стью и зеркала.

Тело, коэффициент поглощения которого равен единице для всех длин волн (частот), называют черным. Оно погло­щает все падающее на него излучение при любой темпера­туре.

Черных тел в природе нет, это понятие - физическая абстрак­ция. Моделью черного тела является маленькое отверстие в зам­кнутой непрозрачной полости. Луч, попавший в это от­верстие, многократно отразившись от стенок, почти полностью будет поглощен. В дальнейшем именно эту модель будем прини­мать за черное тело (рис.26).

Тело, коэффициент поглощения которого меньше единицы и не зависит от длины волны света, падающего на него, на­зывают серым.

Серых тел в природе нет, однако некоторые тела в определен­ном интервале длин волн излучают и поглощают как серые. Так, например, тело человека иногда считают серым, имеющим коэф­фициент поглощения приблизительно 0,9 для инфракрасной об­ласти спектра.

Количественная связь между излучением и поглощением была установлена Г. Кирхгофом в 1859 г.: при одинаковой температу­ре отношение спектральной плотности энергетической свети­мости к монохроматическому коэффициенту поглощения одина­ково для любых тел, в том числе и для черных (закон Кирх­гофа ):

где - спектральная плотность энергетической светимости чер­ного тела (индексы у скобок означают тела1, 2 и т. д.).

Закон Кирхгофа может быть записан и в таком виде:

Отношение спектральной плотности энергетической светимос­ти любого тела к его соответствующему монохроматическому ко­эффициенту поглощения равно спектральной плотности энергети­ческой светимости черного тела при той же температуре.

Из (17) находим еще одно выражение:

Так как для любого тела (нечерного) < 1, то, как следует из (18), спектральная плотность энергетической светимости любо­го тела меньше спектральной плотности энергетической свети­мости черного тела при той же температуре. Черное тело при про­чих равных условиях является наиболее интенсивным источником теплового излучения.

Из (18) видно, что если тело не поглощает какое-либо излуче­ние (= 0), то оно его и не излучает(= 0).

Излучение черного тела имеет сплошной спектр. Графики спектров излучения для разных температур приведены на рис 27.

Из этих экспериментальных кривых можно сделать ряд выводов.

Существует максимум спектральной плотности энергетиче­ской светимости, который с повышением температуры смещается в сторону коротких волн.

На основании (14) энергетическую светимость черного тела можно найти как площадь, ограниченную кривой и осью абс­цисс.

Из рис. 27 видно, что энергетическая светимость увеличива­ется по мере нагревания черного тела.

Долгое время не могли получить теоретически зависимость спектральной плотности энергетической светимости черного тела от длины волны и температуры, которая отвечала бы эксперимен­ту. В 1900 г. это было сделано М. Планком.

В классической физике испускание и поглощение излучения те­лом рассматривались как непрерывный волновой процесс. Планк пришел к выводу, что именно эти основные положения не позволя­ют получить правильную зависимость. Он высказал гипотезу, из которой следовало, что черное тело излучает и поглощает энергию не непрерывно, а определенными дискретными порциями - кван­тами.

Для энергетической светимости черного тела получим:

где - постоянная Больцмана.

Это закон Стефана-Больцмана: энергетическая светимость черного тела пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры.

Закон смещения Вина:

где - длина волны, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости черного тела,b = 0.28978.10 -2 м.К – постоянная Вина. Этот закон выполняется и для серых тел.

Проявление закона Вина известно из обыденных наблюдений. При комнатной температуре тепловое излучение тел в основном приходится на инфракрасную область и человеческим глазом не воспринимается, а при очень высокой температуре – белым с голубым оттенком, возрастает ощущение нагретости тела.

Законы Стефана-Больцмана и Вина позволяют, регистрируя излучение тел, определять их температуры (оптическая пирометрия).

Наиболее мощным источником теплового излучения является Солнце.

Ослабление радиации атмосферой сопровождается изменением ее спектрального состава. На рис. 28 показан спектр солнечного излучения на границе земной атмосферы (кривая 1) и на поверхности Земли (кривая 2) при наивысшем стоянии Солнца. Кривая 1 близка к спектру черного тела, ее максимум соответствует длине волны 470 нм, что, по закону Вина, позволяет определить температуру поверхности Солнца – около 6100 К. Кривая 2 имеет несколько линий поглощения, ее максимум расположен около 555 нм. Интенсивность прямой солнечной радиации измеряют актинометром.

Принцип действия его основан на использовании нагревания зачерненных поверхностей тел, происходящего от солнечной радиации.

Дозированную солнечную радиацию применяют как солнцелечение (гелиотерапия) , а также как средство закаливания организма. Для лечебных целей используют искусственные источники теплового излучения: лампы накаливания (соллюкс) и инфракрасные излучатели (инфраруж ), укрепленные в специальном рефлекторе на штативе. Инфракрасные излучатели устроены подобно бытовым электрическим нагревателям с круглым рефлектором. Спираль нагревательного элемента накаливается током до температуры порядка 400-500 °С. Электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красной границей видимого света (λ=0.76 мкм) и коротковолновым радиоизлучением [λ=(1-2) мм], называют инфракрасным (ИК). Инфракрасную область спектра обычно условно разделяют на ближнюю (от 0,74 до 2,5 мкм), среднюю (2,5 - 50 мкм) и далёкую (50-2000 мкм).

СПЕКТР инфракрасного излучения, так же как и спектр видимого и ультрафиолетового излучений, может состоять из отдельных линий, полос или быть непрерывным в зависимости от природы источника инфракрасного

излучения (рис.29).

Возбуждённые атомы или ионы испускают линейчатые инфракрасные спектры. Возбуждённые молекулы испускают полосатые инфракрасные спектры, обусловленные их колебаниями и вращениями. Колебательные и колебательно-вращательные спектры расположены главным образом в средней, а чисто вращательные - в далёкой инфракрасной области.

Нагретые твердые и жидкие тела испускают непрерывный инфракрасный спектр. Если в законе смещения Вина вместо подставить пределы ИК-излучения, то получим соответственно температуры 3800-1,5 К. Это означает, что все жидкие и твердые тела в обычных условиях (при обычных температурах) практически не только являются источниками ИК-излучения, но и имеют максимум излучения в ИК-области спектра. Отклонение реальных тел от серых не изменяет существа вывода.

Нагретое твёрдое тело излучает в очень широком интервале длин волн. При низких температурах (ниже 800 К) излучение нагретого твёрдого тела почти целиком расположено в инфракрасной области, и такое тело кажется тёмным. При повышении температуры доля излучения в видимой области увеличивается, и тело вначале кажется тёмно-красным, затем красным, жёлтым и, наконец, при высоких температурах (выше 5000 К) - белым; при этом возрастает как полная энергия излучения, так и энергия инфракрасного излучения.

СВОЙСТВА инфракрасного излучения:

оптические свойства – многие вещества, прозрачные в видимой области, оказываются непрозрачными в некоторых областях инфракрасного излучения и наоборот. Например: слой воды в несколько см непрозрачен, а черная бумага прозрачна в далекой области ИК-излучения.

При невысокой температуре энергетическая светимость тел мала. Поэтому далеко не все тела могут быть использованы в качестве источников ИК- излучения. В связи с этим наряду с тепловыми источниками ИК-излучения используют еще ртутные лампы высокого давления и лазеры, которые, в отличие от других источников, не дают сплошного спектра. Мощным источником ИК-излучения является Солнце, около 50% его излучения лежит в ИК-области спектра.

Методы обнаружения и измерения ИК-излучения основаны на преобразовании энергии ИК-излучения в другие виды энергии, которые могут быть измерены обычными методыми. Их делят в основном на две группы: тепловые и фотоэлектрические. Примером теплового приемника служит термоэлемент, нагревание которого вызывает электрический ток. К фотоэлектрическим приемникам относят фотоэлементы и фотосопротивления.

Обнаружить и зарегистрировать инфракрасное излучение можно также фотопластинками и фотопленками со специальным покрытием.

Лечебное применение инфракрасного излучения основано на его тепловом действии. Наибольший эффект достигается коротковолновым ИК-излучением, близким к видимому свету. Для лечения используют специальные лампы.

Инфракрасное излучение проникает в тело на глубину около 20 мм, поэтому в большей степени прогреваются поверхностные слои. Терапевтический эффект как раз и обусловлен возникающим температурным градиентом, что активизирует деятельность терморегулирующей системы. Усиление кровоснабжения облученного места приводит к благоприятным лечебным последствиям.

Плюсы и минусы ИК-излучения:

ИК-лучи для лечения болезней начали использовать с античных времен, когда врачи применяли горящие угли, очаги, нагретое железо, песок, соль, глину и т.п. для излечения обмораживания, язв, ушибов, кровоподтеков и т.д. Гиппократ описывал способ их применения для обработки ран, язв, повреждений от холода и т.д.

Доказано, что ИК-лучи оказывают одновременно болеутоляющее (за счет вызванной ИК-лучами гиперемии), антиспазматическое, противовоспалительное, стимулирующее, отвлекающее действия; улучшают циркуляцию крови; хирургическое вмешательство, проведенное при ИК-излучении, переносится легче и быстрее происходит регенерация клеток.

ИК-излучение используется для предупреждения развития фиброза и пневмосклероза в легочной ткани (для усиления регенерации в пораженном органе).

Проводят магнитолазеротерапию в инфракрасном спектре излучения для лечения патологии печени (например, с целью коррекции токсического действия химиопрепаратов при лечении туберкулеза).

2. - В яркие солнечные дни, на воде, в высокогорье, на снегу ИК- излучения может быть избыток. И хотя последствия от УФ звучат более угрожающе, излишки ИК для глаз так же нежелательны. Энергия этих лучей поглощается роговицей и хрусталиком и превращается в тепло. Избыток этого совсем незаметного тепла может привести к необратимым нарушениям. В отличие от УФ ИК-излучение прекрасно проходит через стеклянные линзы. В специальных очках для летчиков, альпинистов, горнолыжников обязательно учитывается фактор повышенного ИК-излучения. Излучения с длиной волны 1-1.9 мкм особенно нагревают хрусталик и водянистую влагу. Это вызывает различные нарушения, главным из которых является фотофобия (светобоязнь) – сверхчувствительное состояние глаза, когда нормальное световое воздействие порождает болезненные ощущения. Фотофобия часто не зависит от обширности повреждения: при небольшом повреждении глаза больной может чувствовать себя тяжело пораженным.

Электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между фиолетовой границей видимого света (λ=400 нм) и длинноволновой частью рентгеновского излучения (λ=10 нм), называют ультрафиолетовым (УФ).

В области длин волн ниже 200 нм УФ-излучение сильно погло­щается всеми телами, в том числе и тонкими слоями воздуха, по­этому особого интереса для медицины не представляет. Осталь­ную часть УФ-спектра условно делят на три области (см. § 24.9): А (400-315 нм-), В (315-280 нм-эритемная) и С (280-200 нм- бактерицидная).

Накаленные твердые тела при высокой температуре излучают заметную долю УФ-излучения. Однако максимум спектральной плотности энергетической светимости в соответствие с законом смещения Вина даже для наиболее длинной волны УФ-диапазона (0,4 мкм) приходится на 7000 К. Практически это означает, что в обычных условиях тепловое излучение тел не может служить эф­фективным источником мощного УФ-излучения. Наиболее мощ­ным источником теплового УФ-излучения является Солнце, 9% излучения которого на границе земной атмосферы приходится на УФ-диапазон.

В лабораторных условиях в качестве источников УФ-излуче­ния используют электрический разряд в газах и парах металлов. Такое излучение уже не является тепловым и имеет линейчатый спектр.

Измерение УФ-излучения в основном осуществляется фото­электрическими приемниками. Индикаторами являются люминесцирующие вещества и фотопластинки.

УФ-излучение необходимо для работы ультрафиолетовых мик­роскопов, люминесцентных микроскопов, для люми­несцентного анализа. Главное применение УФ-излуче­ния в медицине связано с его специфическим биологическим воз­действием, которое обусловлено фотохимическими процессами.

Ультрафиолетовые лучи имеют наибольшую энергию, поэтому при их поглощении происходят значительные изменения в электронной структуре атомов и молекул. Поглощенная энергия ультрафиолетовых лучей может мигрировать и использоваться для разрыва слабых связей в молекулах белка.

Коротковолновые ультрафиолетовые лучи вызывают денатурацию белковых полимеров, которые выпадают в осадок, теряя свою биологическую активность.

Особое влияние ультрафиолетовых лучей отмечено на молекулы ДНК: нарушается удвоение ДНК и деление клеток, идет окислительное разрушение белковых структур, которое приводит к гибели клетки. Облученная клетка сначала теряет способность к делению, а затем, два-три раза разделившись, погибает.

Немаловажно и витаминообразующее действие ультрафиолетовых лучей. Провитамины, находящиеся в коже, под влиянием средневолнового ультрафиолетового излучения превращаются в витамин D.

Ультрафиолетовые лучи проникают всего на 0,1 мм, но несут большую энергию по сравнению с другими электромагнитными колебаниями видимого и инфракрасного спектра.

Продукты распада белков вызывают расширение сосудов, отек кожи, миграцию лейкоцитов с раздражением рецепторов кожи, внутренних органов с развитием нейрорефлекторных реакций. Продукты разрушения белков разносятся по току крови, оказывая гуморальное воздействие.

В косметологии ультрафиолетовое облучение широко применяется в соляриях для получения ровного красивого загара. В соляриях, в отличие от естественных условий, применяются фильтры, которые поглощают коротковолновые и средневолновые лучи. Облучение в соляриях начинается с минимального времени - одной минуты, а затем постепенно продолжительность инсоляции увеличивается. Передозировка ультрафиолетовыми лучами приводит к преждевременному старению, снижению эластичности кожи, развитию кожных и онкологических заболеваний.

Все современные защитные кремы по уходу за кожей содержат комплексы, осуществляющие ультрафиолетовую протекцию.

Дефицит ультрафиолетовых лучей ведет к авитаминозу, снижению иммунитета, слабой работе нервной системы, появлению психической неустойчивости.

Ультрафиолетовое излучение оказывает существенное воздействие на фосфорно-кальциевый обмен, стимулирует образование витамина D и улучшает все метаболические процессы.

Ультрафиолетовые лучи полезны, более того, необходимы для человека хотя бы потому, что витамин D образуется в организме при облучении в диапазоне 280-320 нм. Впрочем, это общеизвестно. Реже можно встретить упоминания о том, что ультрафиолет в разумных дозах помогает организму подавлять простудные, инфекционные и аллергические заболевания, усиливает обменные процессы и улучшает кроветворение. А также повышает устойчивость ко многим вредным веществам, включая свинец, ртуть, кадмий, бензол, четыреххлористый углерод и сероуглерод.

Однако ультрафиолет полезен не всем. Он противопоказан при активных формах туберкулеза, при выраженном атеросклерозе, гипертонической болезни II и Ш степени, болезнях почек и некоторых других заболеваниях. Есть сомнения - советуйтесь с врачом. Чтобы получить профилактическую дозу ультрафиолета, надо достаточное время находиться на свежем воздухе, не заботясь особенно о том, попадает на кожу солнечный свет или не попадает.

Однако и для того, чтобы хорошо загореть, совсем не обязательно лезть в пекло, под прямые лучи. Напротив. Загорать в тени - в этом, согласитесь, что-то есть... Вполне достаточно, если значительная часть небесной сферы не загорожена от вас, скажем, домами или густым лесом. Идеальные условия - тень от одиноко стоящего дерева в ясный день. Или тень от большого зонта (либо маленького тента) на солнечном пляже. Загорайте на здоровье!

Тело человека имеет определенную температуру благодаря

терморегуляции, существенной частью которой является теплообмен организма с окружающей средой. Рассмотрим некоторые особен­ности такого теплообмена, предполагая, что температура окру­жающей среды ниже температуры тела человека.

Теплообмен происходит посредством теплопроводности, кон­векции, испарения и излучения (поглощения).

Трудно или даже невозможно точно указать распределение от­даваемого количества теплоты между перечисленными процесса­ми, так как оно зависит от многих факторов: состояния организ­ма (температура, эмоциональное состояние, подвижность и т. д.), состояния окружающей среды (температура, влажность, движе­ние воздуха и т. п.), одежды (материал, форма, цвет, толщина).

Однако можно сделать приближенную и усредненную оценки для лиц, не имеющих особой физической нагрузки и проживаю­щих в условиях умеренного климата.

Так как теплопроводность воздуха мала, то этот вид теплоотда­чи очень незначителен. Более существенна конвекция, она может быть не только обычной, естественной, но и вынужденной, при которой воздух обдувает нагретое тело. Большую роль для умень­шения конвекции играет одежда. В условиях умеренного климата 15-20% теплоотдачи человека осуществляется конвекцией.

Испарение происходит с поверхности кожи и легких, при этом имеет место около 30% теплопотерь.

Наибольшая доля теплопотерь (около 50%) приходится на из­лучение во внешнюю среду от открытых частей тела и одежды. Основная часть этого излучения относится к инфракрасному диа­пазону с длиной волны от 4 до 50 мкм.

Максимум спектральной плотности энергетической светимости тела

человека в соответствии с законом Вина попадает на длину волны приблизительно 9.5 мкм при температуре поверхности кожи 32 гр.С.

Вследствие сильной температурной зависимости энергетической светимости (четвертая степень термодинамической температуры) даже небольшое повышение температуры поверхности может вызвать такое изменение излучаемой мощности, которое надежно зафиксируется приборами.

У здоровых людей распределение температуры по различных точкам поверхности тела достаточно характерно. Однако воспалительные процессы, опухоли могут изменить местную температуру.

Температура вен зависит от состояния кровообращения, а также от охлаждения или нагревания конечностей. Таким образом, регистрация излучения разных участков поверхности тела чело­века и определение их температуры являются диагностических методом. Такой метод, называемый термографией, находит все более широкое применение в клинической практике.

Термография абсолютно безвредна и в перспективе может стать методом массового профилактического обследования нас населения.

Определение различия температуры поверхности тела при тер­мографии в основном осуществляется двумя методами . В одном случае используются жидкокристаллические индикаторы, опти­ческие свойства которых очень чувствительны к небольшим изме­нениям температуры. Помещая эти индикаторы на тело больного, можно визуально по изменению их цвета определить местное раз­личие температуры. Другой метод, более распространенный, - технический, он основан на использовании тепловизоров . Тепло­визор - это техническая система, подобная телевизору, которая способна воспринимать инфракрасное излучение, идущее от тела, преобразовывать это излучение в оптический диапазон и воспро­изводить изображение тела на экране. Части тела, имеющие раз­ные температуры, изображают на экране разным цветом.

18.1. Найти температуру T печи, если известно, что излучение из отверстия в ней площадью S = 6,1 см 2 имеет мощность N = 34,6 Вт. Излучение считать близким к излучению абсолютно черного тела.

18.2. Какую мощность N излучения имеет Солнце? Излучение Солнца считать близким к излучению абсолютно черного тела. Температура поверхности Солнца T = 5800 К.

18.3. Какую энергетическую светимость R" Э имеет затвердевший свинец? Отношение энергетических светимостей свинца и абсолютно черного тела для данной температуры k =0.6.

18.4. Мощность излучения абсолютно черного тела N = 34 кВт. Найти температуру Т этого тела, если известно, что его поверхность S = 0,6 м 2 .

18.5. Мощность излучения раскаленной металлической поверхности N = 0,67 кВт. Температура поверхности T = 2500K, ее плошадь S = 10 см 2 . Какую мощность излучения N имела бы эта поверхность, если бы она была абсолютно черной? Найти отношение k энергетических светимостей этой поверхности и абсолютно черного тела при данной температуре.

18.6. Диаметр вольфрамовой спирали в электрической лампочке d = 0,3 мм, длина спирали l = 5 см. При включении лампочки в сеть напряжением U 127 В через лампочку течет ток I = 0,31 А. Найти температуру Т спирали. Считать, что по установлении равновесия все выделяющееся в нити тепло теряется в результате излучения. Отношение энергетических светимостей вольфрама и абсолютно черного тела для данной температуры k = 0,31.

18.7. Температура вольфрамовой спирали в 25-ваттной электрической лампочке T = 2450 К. Отношение ее энергетической светимости к энергетической светимости абсолютно черного тела при данной температуре k = 0,3 . Найти площадь S излучающей поверхности спирали.

18.8. Найти солнечную постоянную K , т. е. количество лучистой энергии, посылаемой Солнцем в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную к солнечным лучам и находящуюся на таком же расстоянии от него, как и Земля. Температура поверхности Солнца T = 5800К. Излучение Coлнца считать близким к излучению абсолютно черного тела.

18.9. Считая, что атмосфера поглощает 10% лучистой энергии,. посылаемой Солнцем, найти мощность излучения N, получаемую от Солнца горизонтальным участком Земди площадью S = 0.5 га. Высота Солнца над горизонтом φ = 30°. Излучение Солнца считать близким к излучению абсолютно черного тела.

18.10. Зная значение солнечной постоянной для Земли (см. задачу 18.8), найти значение солнечной постоянной для Марса.

18.11. Какую энергетическую светимость R э имеет абсолютно черное тело, если максимум спектральной плотности его энергетической светимости приходится на длину волны λ = 484нм?

18.12. Мощность излучения абсолютно черного тела N = 10 кВт Найти площадь S излучающей поверхности тела, если максимум спектральной плотности его энергетической светимости приходится на длину волны λ = 700 нм.

18.13. В каких областях спектра лежат длины волн, соответствующие максимуму спектральной плотности энергетической светимости, если источником света служит: а) спираль электрической лампочки (T = 3000 К); б) поверхность Солнца (T = 6000 К); в) атомная бомба, в которой в момент взрыва развивается температура Т = 10 7 К? Излучение считать близким к излучению абсолютно черного тела.

18.14. На рисунке дана кривая зависимости спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела r λ от длины волны λ при некоторой температуре. К какой температуре Т относится эта кривая? Какой процент излучаемой энергии приходится на долю видимого спектра при этой температуре?

18.15. При нагревании абсолютно черного тела длина волны λ на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости, изменилась от 690 до 500 нм. Во сколько раз увеличилась при этом энергетическаясвегимость тела?

18.16. На какую длину волны λ приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела, имеющего температуру, равную температуре t = 37° человеческого тела, т. е. T = 310К?

18.17. Температура T абсолютно черного тела изменилась при нагревании от 1000 до 3000 К. Во сколько раз увеличилась при этом его энергетическая светимость R э? На сколько изменилась длина волны λ, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости? Во сколько раз увеличилась его максимальная спектральная плотность энергетической светимости r λ ?

18.18. Абсолютно черное тело имеет температуру T 1 = 2900 К. В результате остывания тела длина волны, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости, изменилась на Δλ = 9мкм. До какой температуры T 2 охладилось тело?

18.19. Поверхность тела нагрета до температуры T = 1000K. Затем одна половина этой поверхности нагревается на ΔT = 100К, другая охлаждается иа ΔT = 100К. Во сколько раз изменится энергетическая светимость R э поверхности этого тела?

18.20. Какую мощность N надо подводить к зачерненному металлическому шарику радиусом r = 2 см, чтобы поддерживать температуру на ΔT = 27К выше температуры окружающей среды? Температура окружающей среды T = 293 К. Считать, что тепло теряется только вследствие излучения.

18.21. Зачерненный шарик остывает от температуры T 1 = 300 К до T 2 = 293 К. На сколько изменилась длина волны λ , соответствующая максимуму спектральной плотности его энергетической светимости?

18.22. На сколько уменьшится масса Солнца за год вследствие излучения? За какое время τ масса Солнца уменьшится вдвое? Температура поверхности Солнца Т = 5800К. Излучение Солнца считать постоянным.

Поляризация

1) Магнитное вращение плоскости поляризации определяется по следующей формуле. 4

2) Определите толщину кварцевой пластинки, для которой угол поворота плоскости поляризации 180. Удельное вращение в кварце для данной длины волны 0,52 рад/мм. 3

3) Плоскополяризованный свет, длина волны которого в вакууме 600 нм, падает на пластинку исландского шпата, перпендикулярно его оптической оси. Показатели преломления для обыкновенных и необыкновенных лучей соответственно 1,66 и 1,49. Определить длину волны обыкновенного луча в кристалле. 3

4) Некоторое вещество поместили в продольное магнитное поле соленоида, расположенного между двумя поляризаторами. Длина трубки с веществом l. Найти постоянную Верде, если при напряженности поля Н угол поворота плоскости поляризации для одного направления поля и для противоположного направления поля. 4

5) Монохроматический плоскополяризованный свет с круговой частотой проходит через вещество вдоль одродного магнитного поля с напряженностью Н. Найти разность показателей преломления для право- и левополяризованных по кругу компонент светового пучка, если постоянная Верде равна V. 1

6) Найти угол между главными плоскостями поляризатора и анализатора, если интенсивность естественного света, проходящего через поляризатор и анализатор, уменьшается в 4 раза. 45

7) На анализатор падает линейно-поляризованный свет интенсивности I0, вектор E0 которого составляет угол 30 с плоскостью пропускания. Какую долю падающего света пропускает анализатор? 0,75

8) Если пропустить естественный свет через два поляризатора, главные плоскости которых образуют угол, то интенсивность этого света I=1/2 *Iест*cos^2(a). Чему равна интенсивность плоскополяризованного света, который выйдет из первого поляризатора? 1

9) Естественный свет проходит через два поляризатора, главные плоскости которых образуют угол а между собой. Чему равна интенсивность плоскополяризованного света, который выйдет из второго поляризатора? 4

10) Угол между главными плоскостями поляризатора и анализатора составляет 60. Определите изменение интенсивности света, прошедшего через них, если угол между главными плоскостями станет равным 45. 2

11) Пучок естественного света падает на систему из 6 поляризаторов, плоскость пропускания каждого из которых повернута на угол 30 относительно плоскости пропускания предыдущего поляризатора. Какая часть светового потока проходит через эту систему? 12

12) Пластинка кварца толщиной 2 мм, вырезана перпендикулярно оптической оси кристалла, поворачивает плоскость поляризации монохроматического света определенной длины волны на угол 30. Определить толщину кварцевой пластины помещенной между параллельными николями, чтобы данный монохроматический свет гасился. 3

13) Естественный свет проходит через поляризатор и анализатор, поставленные так, что угол между их главными плоскостями равен фи. Как поляризатор, так и анализатор поглощают и отражают 8% падающего на них света. Оказалось, что интенсивность луча, вышедшего из анализатора, равна 9% интенсивности естественного света, падающего на поляризатор. 62

14) При сложении двух линейно поляризованных световых волн, колеблющихся в перпендикулярных направления со сдвигом фаз... 3

15) В каких случаях при прохождении света через анализатор применим закон Малюса? 2

16) Какие типы волн обладают свойством поляризации? 3

17) К какому типу волн относятся электромагнитные? 2

18) Определить интенсивность отраженного света, если колебания светового вектора падающего света перпендикулярны плоскости падения. 1

19) Свет падает на границу раздела двух сред с показателями преломления n1 и n2 соответсвенно. Угол падения обозначим a и пусть n1>n2. Полное отражение света возникает при... 2

20) Определить интенсивность отраженного света, у которого колебания светового вектора лежат в плоскости падения. 5

21) Кристаллическая пластинка, создающая разность фаз между обыкновенными и необыкновенными лучами, помещена между двумя поляризаторами. Угол между плоскостью пропускания поляризаторов и оптической осью пластинки 45. При этом интенсивность света, прошедшего через поляризатор, окажется максимальной при следующих условиях... 1

22) Какие утверждения о частично поляризованном свете являются верными? 3

23) Какие утверждения о плоскополяризованном свете являются верными? 3

24) На пути пучка естественного света поставлены два поляризатора, оси поляризаторов ориентированы параллельно. Как ориентированы векторы Е и В в пучке света, выходящем из второго поляризатора? 1

25) Какие из приведенных ниже утверждений справедливы только для плоско поляризованных электромагнитных волн? 3

26) Какие из приведенных ниже утверждений справедливы как для плоско поляризованных электромагнитных волн, так и для неполяризованных? 4

27) Определить разность хода для пластинки в четверть волны, вырезанной параллельно оптической оси? 1

28) Чему равна разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в направлении, перпендикулярном оптической оси в случае деформации. 1

29) Параллельный пучок света падает нормально на пластинку из исладского шпата толщиной 50 мм, вырезанную параллельно оптической оси. Принимая показатели преломления исландского шпата для обыкновенных и необыкновенных лучей соответственно 1,66 и 1,49, определите разность хода этих лучей, прошедших через эту пластинку. 1

30) Линейно поляризованный световой пучок падает на поляризатор, вращающийся вокруг оси пучка с угловой скоростью 27 рад/с. Поток энергии в падающем пучке 4 мВт. Найти световую энергию, проходящую через поляризатор за один оборот. 2

31) Пучок поляризованного света (лямбда=589нм) падает на пластинку исландского шпата. Найти длину волны обыкновенного луча в кристалле, если его показатель преломления 1,66. 355

32) Линейно-поляризованный световой пучок падает на поляризатор, плоскость пропускания которого вращается вокруг оси пучка с угловой скоростью w. Найти световую энергию W, проходящую через поляризатор за один оборот, если поток энергии в падающем пучке равен фи. 1

33) Пучок плоскополяризованного света (лямбла=640нм) падает на пластинку исландского шпата перпендикулярно к его оптической оси. Найти длины волн обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле, если показатель преломления исландского шпата для обыкновенного и необыкновенного лучей равны 1,66 и 1,49. 1

34) Плоскополяризованный свет падает на анализатор, вращающийся вокруг оси луча с угловой скоростью 21 рад/с. Найти световую энергию, проходящую через анализатор за один оборот. Интенсивность поляризованного света равна 4 Вт. 4

35) Определите разность показателя преломления обыкновенного и необыкновенного лучей вещества, если наименьшая толщина кристаллической пластинки в полволны, сделанной из этого вещества, для лямбда0=560 нм составляет 28 мкм. 0,01

36) Плоскополяризованный свет, с длиной волны лямбда=589 нм в вакууме, падает на пластинку кристалла перпендикулярно его оптической оси. Найтив нм (по модулю) разность длин волн в кристалле, если показатель преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в нем соответственно 1,66 и 1,49. 40

37) Определить наименьшую толщину кристаллической пластинки в полволны для лямбда=589 нм, если разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей для данной длины волны 0,17. 1,73

38) Параллельный пучок света падает нормально на пластинку из исландского шпата толщиной 50 мм, вырезанную параллельно оптической оси. Принимая показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей соответственно 1,66 и 1,49, определите разность хода лучей, прошедших через платсинку. 8,5

39) Определить разность хода для пластинки в полволны, вырезанной параллельно оптической оси? 2

40) Линейно поляризованный световой пучок падает на поляризатор, плоскость пропускания которого вращается вокруг оси пучка с угловой скоростью 20. Найти световую энергию W, проходящую через поляризатор за один оборот, если мощность падающего пучка равна 3 Вт. 4

41) Пучок естественного света падает на стеклянную призму с углом при основании 32 (см. рисунок). Определите показатель преломления стекла, если отраженный луч является плоскополяризованным. 2

42) Определите, под каким углом к горизонту должно находиться Солнце, чтобы лучи, отраженные от поврехности озера (n=1.33), были максимально поляризованы. 2

43) Естественный свет падает на стекло с показателем преломления n=1,73. Определите угол преломления с точностью до градуса, при котором отраженный от стекла свет полностью поляризован. 30

44) Найти показатель преломления n стекла, если при отражении от него света отраженный луч будет полностью поляризован при угле преломления 35. 1,43

45) Найти угол полной поляризации при отражении света от стекла, показатель преломления которого n=1,57 57,5

46) Отраженный от диэлектрика с показателем преломления n пучок света поляризуется полностью, когда отраженный луч с преломленным лучом образует угол 90. При каком угле падения достигается полная поляризация отраженного света? 3

47) Луч света падает на поверхность воды (n=1.33). Определить угол преломления с точностью до градуса, если отраженный луч полностью поляризован. 37

48) В каком случае возможно неточное выполнение закона Брюстера? 4

49) На поверхность стеклянной пластинки с показателей преломления n1=1,52, помещенной в жидкость, падает естественный луч света. Отраженный луч составляет угол 100 с падающим и полностью поляризован. Определить показатель преломления жидкости. 1,27

50) Определить скорость распространения света в стекле, если при падении света из воздуха на стекло угол падения, соответствующий полной поляризации отраженного луча 58. 1

51) Угол полного внутреннего отражения на границе раздела "стекло-воздух" 42. Найти угол падения луча света из воздуха на поверхность стекла, при котором луч полностью поляризован с точностью до градуса. 56

52) Определить показатель преломления среды с точностью до второго знака, при отражении от которой под углом 57 свет будет полностью поляризованным. 1,54

53) Найти показатель преломления стекла, если при отражении от него света отраженный луч полностью поляризован при угле преломления 35. 1,43

54) Пучок естественного света падает на стеклянную призму, как показано на рисунке. Угол при основании призмы 30. Определите показатель преломления стекла, если отраженный луч является плоскополяризованным. 1,73

55) Определите, под каким углом к горизонту должно находиться Солнце, чтобы лучи, отраженные от поверхности озера (n=1,33), были максимально поляризованы. 37

56) Пучок естественного света падает на стеклянную призму с углом при основании а (см. рисунок). Показатель преломления стекла n=1,28. Найти угол а с точностью до градуса, если отраженный луч является плоскополяризованным. 38

57) Определите показатель преломления стекла, если при отражении от него света отраженный луч полностью поляризован при угле преломления. 4

58) На поверхности воды под углом Брюстера падает пучок плоскополяризованного света. Его плоскость поляризации составляет угол 45 с плокостью падения. Найти коэффициент отражения. 3

59) Определите показатель преломления стекла, если при отражении от него света отраженный луч полностью поляризован при угле паденич 55. 4

60) Степень поляризации частично поляризованного света составляет 0,2. Определите отношение максимальной интенсивности пропускаемого анализатором света к минимальной. 1,5

61) Чему равны Imax, Imin, P для плоскополяризованного света, где... 1

62) Определите стпень поляризации частично поляризованного света, если амплитуда светового вектора, соответствующая максимальной интенсивности света, в два раза больше амплитуды, соответствующей минимальной интенсивности. 0,6

63) Определите стпень поляризации частично поляризованного света, если амплитуда светового вектора, соответствующая максимальной интенсивности света, в три раза больше амплитуды, соответствующей максимальной интенсивности. 1

64) Степень поляризации частично поляризованного света составляетт 0,75. Определите отношение максимальной интенсивности пропусаемого анализатором света к минимальной. 1

65) Определите степень поляризации P света, который представляет собой смесь естественного света с плоскополяризованным, если интенсивность поляризованного света в 3 раза больше интенсивности естественного. 3

66) Определите степень поляризации P света, который представляет собой смесь естественного света с плоскополяризованным, если интенсивность поляризованного света в 4 раза больше интенсивности естественного. 2

67) Естественный свет падает под углом Брюстера на поверхность воды. При этом часть падающего света отражается. Найти степень поляризации преломленного света. 1

68) Естественный свет падает под углом Брюстера на поверхность стекла (n=1,5). Определить коэффициент отражения в процентах. 7

69) Естественный свет падает под углом Брюстера на поверхность стекла (n=1,6). Определить с помощью формул Френеля коэффициент отражения в процентах. 10

70) Определить с помощью формул Френеля коэффициент отражения естественного света при нормальном падении на поверхность стекла (n=1,50). 3

71) Коэффициент отражения естественного света при нормальном падении на поверхность стеклянной пластинки равен 4%. Чему равен показатель преломления пластинки? 3

72) Степень поляризации частично поляризованного света P=0,25. Найти отношение интенсивности поляризованной составляющей этого света к интенсивности естественной составляющей. 0,33

73) Определите степень поляризации P света, который представляет собой смесь естественного света с плоскополяризованным, если интенсивность поляризованного света равна интенсивности естественного. 4

74) Степень поляризации частично поляризованного света P=0,75. Найти отношение интенсивности поляризованной составляющей этого света к интенсивности естественной составляющей. 3

75) Определите степень поляризации P света, который представляет собой смесь естественного света с плоскополяризованным, если интенсивность поляризованного света равна половине интенсивности естественного. 0,33

76) Узкий пучок естественного света проходит через газ из оптически изотропных молекул. Найти степень поляризации света, рассеянного под углом а к пучку. 1

3) Серое тело - это... 2

5) На рис. приведены графики зависимости спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела от длины волны излучения при разных температурах Т1 и Т2, причем T1>

Квантовая механика

квантовая механика

8) Частица с зарядом Q и массой покоя m0 разгоняется в электрическом поле, пройдя разность потенциалов U. Может ли длина волны де Бройля частицы быть меньше ее длины волны Комптона. (Может, если QU>0,41m0*c^2)

10) Определить, при каком числовом значении скорости длина волны де Бройля для электрона равна его комптоновской длине волны. (2,12е8. лямбда(с)=2pi*h/m0*c; лямбда=2pi*h*sqrt(1-v^2/c^2)/m0*v; лямбда(с)=лямбда; 1/c=sqrt(1-v^2/c^2)/v; v^2=c^2*(1-v^2/c^2); v^2=c^2-v^2; v=c/sqrt(2); v=2,12e8 м/с)

<=x<=1. Используя условие нормировки, определите нормировочный множитель. (A=sqrt(2/l))

>Dпр)

32) Соотношение неопределенностей для энергии и времени означает, что (время жизни состояния системы (частицы) и неопределенность энергии этого состояния отношений >=h)

35) Какое из приведенных ниже соотношений не является соотношением Гейзенберга. (VEV(x)>=h)

квантовая механика

1) Кинетическая энергия движущегося электрона равна 0,6 МэВ. Определить длину волны де Бройля электрона. (1.44 пм; 0,6 МэВ = 9,613*10^-14 Дж; лямбда=2pi*h/(sqrt(2mT))=1.44 пм)

2) Найти длину волны де Бройля для протона, обладающего кинетической энергией 100 эВ. (2,86 пм. фи=h/sqrt(2m*E(k))=2.86 пм)

3) Кинетическая энергия нейтрона равна 1 кэВ. Определите длину волны де Бройля. (0,91 пм. 1кэВ=1600*10^-19 Дж. лямбда=2pi*h/sqrt(2m*T))=0,91пм)

4) а) Можно ли предтавить волну Де Бройля как волновой пакет? б) Как при этом будут связаны групповая скорость волнового пакета U и скорость частицы V? (нет, u=v)

5) Найти отношение комптоновской длины волны протона к длине волны Де Бройля для протона, движущегося со скоростью 3*10^6 м/с. (0,01. лямбда(c)=2pi*h/mc=h/mc; лямбда=2pi*h/sqrt(2m*T); лямбда(с)/фи=0,01)

6) Кинетические энергии двух электронов равны соответственно 3 КэВ и 4 КэВ. Определить отношение соответствующих им длин Де Бройля. (1,15. лямбда=2pi*h/sqrt(2mT); фи1/фи2=1,15)

7) Вычислите дебройлевскую длину волны мяча массой 0,2 кг, летящего со скоростью 15 м/с. (2,2*10^-34; лямбда=h/mv=2,2*10^-34)

8) Частица с зарядом Q и массой покоя m0 разгоняется в электрическом поле, пройдя разность потенциалов U. Может ли длина волны де Бройля частицы быть меньше ее длины волны Комптона. (Может, если QU>0,41m0*c^2)

9) Определить какую ускоряющую разность потенциалов должен пройти протон, чтобы длина волны де Бройля для него была 1 нм. (0,822 мВ. лямбда=2pi*h/sqrt(2m0*T); лямбда^2*2m0*T=4*pi^2*h^2; T=2*pi^2*h^2/лямбда^2*m0=2.39e-19; T=eU; U=T/e=2pi^2*h^2/лямбда^2*m0*e=0,822 мВ)

10) Определить, при каком числовом значении скорости длина волны де Бройля для электрона равна его комптоновской длине волны. (2,12е8. лямбда(с)=2pi*h/m0*c; лямбда=2pi*h*sqrt(1-v^2/c^2)/m0*v; лямбда(с)=лямбда; 1/c=sqrt(1-v^2/c^2)/v; v^2=c^2*(1-v^2/c^2); v^2=c^2-v^2; v=c/sqrt(2); v=2,12e8 м/с)

11) Определить минимально вероятную энергию для квантовой частицы, находящейся в бесконечно глубокой потенциальной яме шириной а. (E=h^2/8ma^2)

12) Частица массы m находится в одномерной потенциальной прямоугольной яме с бесконечно высокими стенками. Найти число dN энергетических уровней в интервале энергией (E, E+dE), если уровни расположены весьма густо. (dN=l/pi*n*sqrt(m/2E)dE)

13) Квантовая частица находится в бесконечно глубокой потенциальной яме шириной L. В каких точках нахождения электрона на первом (n=1) энергетическом уровне функция максимальна. (x=L/2)

14) Квантовая частица находится в бесконечно глубокой потенциальной яме шириной а. В каких точках третьего энергетического уровня частица находиться не может. (a, b, d, e)

15) Частица находится в бесконечно глубокой яме. На каком энергетическом уровне ее энергия определена как 2h^2/ml^2? (4)

16) Волновая функция пси(x)=Asin(2pi*x/l) определена только в области 0<=x<=1. Используя условие нормировки, определите норировочный множитель. (A=sqrt(2/l))

17) Частица находится в основном в состоянии (n=1) в одномерной бесконечной глубокой потенциальной яме шириной лямбда с абсолютно непроницаемыми стенками (0

18) Частица находится в одномерной прямоугольной потенциальной яме с бесконечно высокими стенками. Найти квантовое число энергетического уровня частицы, если интервалы энергии до соседних с ними уровней (верхнего и нижнего) относятся как n:1, где n=1,4. (2.)

19) Определите длину волны фотона, испускаемого при переходе электрона в одномерной прямоугольной потенциальной яме с бесконечно высокими стенками шириной 1 из состояния 2 в состояние с наименьшей энергией. (лямбда=8cml^2/3h.)

20) Электрон наталкивается на потенциальный барьер конечной высоты. При каком значении энергии электрона он не пройдет через потенциальный барьер высотой U0. (нет верных ответов)

21) Закончите определение: Туннельный эффект - это явление, при котором квантовая частица проходит через потенциальный барьер при (E

22) Коэффициент прозрачности потенциального барьера - (отношение плотности потока прошедших частиц к плотности потока падающих)

23) Чему будет равен коэффициент прозрачности потенциального барьера, если увеличить его ширину в два раза? (D^2)

24) Частица массы m падает на прямоугольный потенциальный барьер, причем ее энергия E>Dпр)

25) Протон и электрон, обладая одинаковой энергией, движутся в положительном направлении оси Х и встречают на своем пути прямоугольный потенциальный барьер. Определите во сколько раз надо сузить потенциальный барьер, чтобы вероятность прохождения его протоном была такая же, как для электрона. (42,8)

26) Прямоугольный потенциальный барьер имеет ширину 0,3 нм. Определить разность энергий, при которой вероятность прохождения электрона сквозь барьер составляет 0,8. (5,13)

27) Электрон с энергией 25 эВ встречает на своемм пути низкую потенциальную ступень выссотой 9 эВ. Определить коэффициент преломления волн де Бройля на границе ступени. (0,8)

28) Протон с энергией 100 эВ изменения при проходжении потенциальной ступени длину волны де Бройля на 1%. Определить высоту потенциального барьера. (2)

29) Соотношение неопределенностей для координаты и импульса означает, что (можно одновременно измерить координаты и импульс частицы только с определенной точностью, причем произведение неопределенностей координаты и импульса должно быть не меньше h/2)

30) Оценить неопределенность скорости электрона в атоме водорода, полагая размер атома водорода 0,10 нм. (1,16*10^6)

31) Соотношение неопределенностей для координаты и импульса означает, что (можно одновременно измерить координаты и импульс частицы только с определенной точностью, причем произведение неопределенностей координаты и импульса должна быть не меньше h/2)

32) Соотношение неопределенностей для энергии и времени означает, что (время жизни состояния системы (частицы) и неопределенность энергии этого состояния отношений >=h)

33) Соотношение неопределенностей вытекает из (волновых свойств микрочастиц)

34) Средняя кинетическая энергия электрона в атоме равна 10 эВ. Каков порядок наименьшей погрешности, с которой можно вычислить координату электрона в атоме. (10^-10)

35) Какое из приведенных ниже соотношений не является соотношением Гейзенберга. (VEV(x)>=h)

36) Соотношение неопределенностей для координаты и импульса частицы означает, что (можно одновременно измерить координаты и импульс частицы только с определенной точностью, причем неопределенностей координаты и импульса должно быть не меньше h/2)

37) Выберите НЕВЕРНОЕ утверждение (при n=1 атом может находиться лишь очень малое количество времени n=1 первый энергетический уровень)

38) Определите отношение неопределенностей скорости электрона и пылинки массой 10^-12 кг, если их координаты установлены с точностью до 10^-5 м. (1,1*10^18)

39) Определить скорость электрона на третьей орбите атома водорода. (v=e^2/(12*pi*E0*h))

40) Вывести связь между радиусом круговой электронной орбиты и длиной волны де Бройля, где n - номер стационарной орбиты. (2pi*r=n*лямбда)

41) Определите энергию фотона, испускаемого при переходе электрона в атоме водорода с третьего энергетического уровня на второй. (1,89 эВ)

42)Определите скорость электрона на третьей боровской орбите атома водорода. (0,731 мм/с)

43) Используя теорию Бора для водорода, определить скорость движения электрона в возбужденном состоянии при n=2. (1,14 мм/с)

44) Определить период обращения электрона, находящегося в атоме водорода в стационарном состоянии (0,15*10^-15)

45) Электрон выбит из атома водорода, находящегося в стационарном состоянии, фотоном, энергия которого 17,7. Определить скорость электрона за пределами атома. (1,2 мм/с)

46) Определить максимальную и минимальную энергии фотона в видимой серии спектра водорода (серии Больмера). (5/36hR, 1/4hR)

47) Вычислить для атома водорода радиус второй боровской орбиты и скорость электрона на ней. (2,12*10^-10, 1,09*10^6)

48) Используя теорию Бора, определить орбитальный магнитный момент электрона, движущегося по третьей орбите атома водорода. (2,8*10^-23)

49) Определить для иона He+ энергию связи электрона в основном состоянии. (54,5)

50) Основываясь на том, что энергия ионизации атома водорода равна 13,6 эВ, определить первый потенциал возбуждения этого атома. (10,2)

51) Электрон выбит из атома водорода, находящегося в основном состоянии, фотоном энергии e. Определить скорость электрона за пределами атома. (sqrt(2(E-Ei)/m))

52) Какую максимальную скорость должны иметь электроны, чтобы перевести ударом атом водорода из первого состояния в третье. (2,06)

53) Определите энергию фотона, испускаемого при переходе электрона в атоме водорода с третьего энергетического уровня на второй. (1,89)

54) На какую орбиту с основной перейдет электрон в атоме водорода при поглощении фотона с энергией 1,93*10^-18 Дж. (3)

55) В результате поглощения фотона электрон в атоме водорода перешел с первой боровской орбиты на вторую. Чему равна частота этого фотона? (2,5*10^15)

56) Электрон в атоме водорода переходит с одного энергетического уровня на другой. Какие переходы соответствуют поглощению энергии. (1,2,5)

57) Определить минимальную скорость электрона, необходимую для ионизации атома водорода, если потенциал ионизация атома водорода 13,6. (2,2*10^6)

58) При какой температуре атомы ртути имеют кинетическую энергию поступательного движения, достаточную для ионизации? Потенциал ионизации атома ртути 10,4 В. Молярная масса ртути 200,5 г/моль, универсальня газовая постоянная 8,31. (8*10^4)

59) Энергия связи электрона в основном состоянии атома Не равна 24,6 эВ. Найти энергию, необходимую для удаления обоих электронов из этого атома. (79)

60) С какой минимальной кинетической энергией должен двигаться атом водорода, чтобы при неупругом лобовом соударении с другим, покоящимся, атомом водорода один из них оказался способным испустить фотон. Предполагается, что до соударения оба атома находятся в основном состоянии. (20,4)

61) Определить первый потенциал возбуждения атома водорода, гда R - постоянная Ридберга. (3Rhc/4e)

62) Найти для атомов легкого и тяжелого водорода разность длин волн головных линий серии Лаймана. (33 пм)

1) Выберите правильное утверждение относительно способа излучения электромагнитных волн. 4

2) Абсолютно черное и серое тела, имеющие одинаковую площадь поверхности, нагреты до одинаковой температуры. Сравните потоки теплового излучения этих тел Ф0(черного) и Ф(серого). 2

3) Серое тело - это... 2

4) Ниже даны характеристики теплового излучения. Какая из них называется спектральной плотностью энергетической светимости? 3

5) На рис. приведены графики зависимости спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела от длины волны излучения при разных температурах Т1 и Т2, причем T1>T2. Какой из рисунков правильно учитывает законы теплового излучения? 1

6) Определите во сколько раз необходимо уменьшить термодинамическую температуру черного тела, чтобы его энергетическая светимость R ослабилась в 39 раз? 3

7) Абсолютно черное тело - это... 1

8) Может ли зависеть поглощательная способность серого тела от а)Частоты излучения б)Температуры? 3

9) При изучении звезды А и звезды В установлено соотношение масс, теряемых ими в единицу времени (дельта)mA=2(дельта)mB и их радиусов Ra=2.5Rb. Максимум энергии излучения звезды В соответствует волне лямбдаВ=0,55 мкм. Какой волне соответствует максимум энергии излучения звезды А? 1

10) Выберите верное утверждение. (абсолютно белое тело) 2

11) Найти длину волны лямбда0 света, соответствующую красной границе фотоэффекта для лития. (Работа выхода А=2,4 эВ). Постоянная Планка h=6,62*10^-34 Дж*с. 1

12) Найти длину волны лямбда0 света, соответствующую красной границе фотоэффекта для натрия. (Работа выхода А=2,3 эВ). Постоянная Планка h=6,62*10^-34 Дж*с. 1

13) Найти длину волны лямбда0 света, соответствующую красной границе фотоэффекта для калия. (Работа выхода А=2,0 эВ). Постоянная Планка h=6,62*10^-34 Дж*с. 3

14) Найти длину волны лямбда0 света, соответствующую красной границе фотоэффекта для цезия. (Работа выхода А=1,9 эВ). Постоянная Планка h=6,62*10^-34 Дж*с. 653

15) Длина волны света, соответствующая красной границе фотоэффекта, для некоторого металла лямбда0. Найти минимальную энергию фотона, вызывающего фотоэффект. 1

16) Длина волны света, соответствующая красной границе фотоэффекта, для некоторого металла лямбда0. Найти работу выхода А электрона из металла. 1

17) Длина волны света, соответствующая красной границе фотоэффекта для некоторого металла, равна лямбда0. Найти максимальную кинетическую энергию W электронов, вырываемых из металла светом с длиной волны лямбда. 1

18) Найти задерживающую разность поленциалов U для электронов, вырываемых при освещении некоторого вещества светом с длиной волны лямбда, где А - работа выхода для этого вещества. 1

19) Фотоны с энергией е вырываеют электроны из металла с работой выхода А. Найти максимальный импульс р, передаваемый поверхности металла при вылете каждого электрона. 3

20) Вакуумный фотоэлемент состоит из центрального катода (вольфрамового шарика) и анода (внутренней поверхности посеребренной изнутри колбы). Контактная разность потенциалов между электродами U0 ускоряет вылетающие электроны. Фотоэлемент освещается светом с длиной волны лямбда. Какую скорость v получат электроны, когда они долетят до анода, если не прикладывать между катодом и анодом разности потенциалов? 4

21) На рис. приведены графики зависимости максимальной энергии фотоэлектронов от энергии падающих на фотокатод фотонов. В каком случае материал катода фотоэлемента имеет меньшую работу выхода? 1

22) Уравнение Эйнштейна для много фотонного фотоэффекта имеет вид. 1

23) Определите максимальную скорость вылетающих из катода электронов, если U=3В. 1

24) Внешний фотоэффект - ... 1

25) Внутренний фотоэффект - ... 2

26) Вентильный фотоэффект - ... 1) заключается... 3

27) Определить скорость фотоэлектронов, вырываемых с поверхности серебра ультрафиолетовыми лучами (лямбда=0,15 мкм, m=9,1*10^-31 кг), если работа выхода равна 4,74 эВ. 3

28) Определить "красную границу" фотоэффекта для серебра, если работа выхода равна 4,74 эВ. 2

29) Красная граница фотоэффекта для металла (лямбда0) равна 550 нм. Найдите минимальное значение энергии фотона (Emin), вызывающего фотоэффект. 1

30) Работа выхода электрона с поверхности одного металла А1=1 эВ, а с другого - А2=2 эВ. Будет ли наблюдаться фотоэффект у этих металлов, если энергия фотонов падающего на них излучения равна 4,8*10^-19 Дж? 3

31) Вентильный фотоэффект - это... 1) возникновение... 1

32) На рисунке изображена вольт амперная характеристика фотоэффекта. Определите, какая кривая соответсвует большой освещенности катода, при одинаковой частоте света. 1

33) Определить максимальную скорость Vmax фотоэлектронов, вырываемых с поверхности серебра ультрафиолетовым излучением с длиной волны 0,155 мкм при работе выхода для серебра 4,7 эВ. 1

34) Комптоном было обнаружено, что оптическая разность между длиной волны рассеянного и падающего излучения зависит от... 3

35) Комптоновская длина волны (при рассеивании фотона на электроны) равна. 1

36) Определите длину волны рентгеновского излучения, если при комптоновском рассеянии этого излучения под углом 60 длина волны рассеянного излучения оказалась равной 57 пм. 5

37) Фотон с длиной волны 5 пм испытал комптоновское рассеяние под углом 60. Определите изменение длины волны при рассеянии. 2

38) Какой была длина волны рентгеновского излучения, если при рассеянии этого излучения некоторым веществом под углом 60, длина волны рассеянных рентгеновских лучей составляет 4*10^-11 м.

39) Верны ли утверждения: а) рассеяние происходит при взаимодействии фотона со свободным электроном, а фотоэффект - при взаимодействии со связанными электронами б) поглощение фотона свободным электроном невозможно, так как этот процесс находится в противоречии с законами сохранения импульса и энергии. 3

40) На рисунке 3 представлена векторная диаграмма комптоновского рассеяния. Какой из векторов представляет импульс рассеянного фотона? 2

41) Направленный монохроматический световой поток Ф падает под углом 30 на абсолютно черную (А) и зеркальную (В) пластинки (рис. 4). Сравните давление света на пластинках А и В соответственно, если пластинки закреплены. 3

42) Какое из приведенных ниже выражений является формулой, экспериментально полученной Комптоном? 1

43) Может ли свободный электрон поглотить фотон? 2

44) Фотон с энергией 0,12 МэВ рассеялся на первоначально покоившемся свободном электроне. Известно, что длина волны рассеянного фотона изменилась на 10%. Определите кинетическую энергию электрона отдачи(Т). 1

45) Рентгеновское излучение длиной волны 55,8 пм рассеивается плиткой графита (комптон-эффект). Определить длину волны света, рассеянного под углом 60 к направлению падающего пучка света. 1

85) В опыте Юнга отверстие освещается монохромным светом (лямбда=600 нм). Расстояние между отверстиями d=1 нм, расстояние от отверстий до экрана L=3 м. Найти положение трех первых светлых полос. 4

86) Установка для получения колец Ньютона освещается монохроматическим светом, падающим нормально. Длина световой волны лямбда=400 нм. Чему равна толщина воздушного клина между линзой и стеклянной пластиной для третьего светлого кольца в отраженном свете? 3

87) В опыте Юнга (интерференция света от двух узких щелей) на пути одного из интерферирующих лучей помещалась тонкая стеклянная пластинка, вследствие чего центральная светлая полоса смещалась в положение, первоначально занятое пятой светлой полосой (не считая центральной). Луч падает перпендикулярно к поверхности пластинки. Показатель преломления пластинки n=1,5. Длина волны лямбда=600 нм. Какова толщина h пластинки? 2

88) Установка для наблюдения колец Ньютона освещается монохроматическим светом с длиной волны лямбда=0,6 мкм, падающим нормально. Наблюдение ведется в отраженном свете. Радиус кривизны линзы R=4 м. Определите показатель преломления жидкости, которой заполнено пространство между линзой и стеклянной пластиной, если радиус третьего светлого кольца r=2,1 мм. Известно, что показатель преломления жидкости меньше, чем у стекла. 3

89) Определить длину отрезка l1, на котором укладывается столько же длин волн монохроматического света в вакууме, сколько их укладывается на торезке l2=5 мм в стекле. Показатель преломления стекла n2=1,5. 3 http://ivandriver.blogspot.ru/2015/01/l1-l25-n15.html

90) На толстую стеклянную пластину, покрытую очень тонкой пленкой, показатель преломления вещества которой n=1,4, падает нормально параллельный пучок монохроматического света (лямбда=0,6 мкм). При какой минимальной толщине пленки отраженный свет будет максимально ослаблен? 3

91) Какой должна быть допустимая ширина щелей d0 в опыте Юнга, чтобы на экране, расположенном на расстоянии L от щелей была видна интерференционная картина. Расстояние между щелями d, длина волны лямбда0. 1

92) Точечный источник излучения содержит длины волн в интервале от лямбда1=480 нм до лямбда2=500 нм. Оцените длину когерентности для этого излучения. 1

93) Определить, во сколько раз изменится ширина интерференционных полос на экране в опыте с зеркалами Френеля, если фиолетовый светофильтр (0,4 мкм) заменить красным (0,7 мкм). max: дельта=+-m*лямбда, дельта=xd/l, xd/l=+-m*лямбда, x=+-(ml/d)*лямбда, дельта x=(ml*лямбда/d)-((m-1)l*лямбда/d)=l*лямбда/d, дельта х1/дельта х2=лямбда2/лямбда1 = 1,75 (1)

94) В установке Юнга расстояние между щелями 1,5 мм, а экран расположен на расстоянии 2 м от щелей. Определить расстояние между интерференционными полосами на экране, если длина волны монохроматического света 670 нм. 3

95) Два когерентных луча (лямбда=589 нм) максимально усиливают друг друга в некоторой точке. На пути одного из них поставили нормально мыльную пленку (n=1,33). При какой наименьшей толщине d мыльной пленки эти когерентные лучи максимально ослабят друг друга в некоторой точке. 3

96) Установка для получения колец Ньютона освещается монохроматическим светом, падающим по нормали к поверхности пластинки. Радиус кривизны линзы R=15 м. Наблюдение ведется в отраженном свете. Расстояние между пятым и двадцать пятым светлыми кольцами Ньютона l=9 мм. Найти длину волны лямбда монохроматического света. r=sqrt((2m-1)лямбда*R/2), дельта d=r2-r1=sqrt((2*m2-1)лямбда*R/2)-sqrt((2*m1-1)лямбда*R/2)=7sqrt(лямбда*R/2)-3sqrt(лямбда*R/2)=4sqrt(лямбда*R/2), лямбда=sqr(дельта d)/8R = 675 нм.

97) Две щели находятся на расстоянии 0,1 мм друг от друга и отстоят на 1,20 м от экрана. От удаленного источника на щели падает свет с длиной волны лямбда=500 нм. На каком расстоянии друг от друга расположены светлые полосы на экране? 2

98) На установку для получения колец Ньютона падает монохроматический свет с длиной волны лямбда=0,66 мкм. Радиус пятого светлого кольца в отраженном свете равен 3 мм. Определить радиус кривизны линзы. 3м или 2.5м

100) На экране наблюдается интерференционная картина от двух когерентных источников света с длиной волны лямбда=760 нм. На сколько полос сместится интерференционная картина на экране, если на пути одного из лучей поместить пластику из плавленного кварца толщиной d=1 мм с показателем преломления n=1,46? Луч падает на пластинку нормально. 2

101) На экране наблюдается интерференционная картина от двух когерентных источников света с длиной волны 589 нм. На сколько полос сместится интерференционная картина на экране, если на пути одного из лучей поместить пластику из плавленного кварца толщиной 0,41 мм с показателем преломления n=1,46? Луч падает на пластинку нормально. 3

103) Если смотреть, прищурив глаз, на нить лампы накалывания, то нить кажется окаймленной светлыми бликами по двум перпендикулярным направлениям. Если нить лампы расположена параллельно носу наблюдателя, то удается наблюдать ряд радужных изображений нити. Объясните причину данного явления. 4

104) Свет падает нормально на прозрачную дифракционную решетку ширины l=7 см. Определить наименьшую разность волн, которую может разрешить эта решетка в области лямбда=600 нм. Наберите ответ в пм с точностью до десятых. 7,98*10^-12=8,0*10^-12

105) Пусть интенсивность монохроматической волны равна I0. Дифракционную картину наблюдают при помощи непрозрачного экрана с круглым отверствием, на которое данная волна падает перпендикулярно. Считая отверствие равным первой зоне Френеля, сравнить интенсивности I1 и I2, где I1-интенсивность света за экраном при полностью открытом отверствии, а I2-интенсивность света за экраном при закрытом наполовину (по диаметру) отверствием. 2

106) На дифракционную решетку нормально падает монохроматический свет с длиной волны 0,6 мкм. Угол дифракции для пятого максимума равен 30, а минимальная разрешаемая решеткой разность длин волн составляет для этого максимума 0,2 нм. Определить: 1)постоянную дифракционной решетки; 2) длину дифракционной решетки. 4

107) Параллельный пучок света падает на диафрагму с круглым отверствием. Определите максимальное расстояние от центра отверствия до экрана, при котором в центре дифракционной картины еще будет наблюдаться темное пятно, если радиус отверствия r=1 мм, длина волны падающего света 0,5 мкм. 2

108) На узкую щель падает нормально монохроматический свет. Его направление на четвертую темную дифракционную полосу составляет 30. Определить полное число дифракционных максимумов. 4

109) На дифракционную решетку с периодом d=2.8*лямбда падает нормально монохроматическая волна длиной лямбда. Какого наибольшего порядка дифракционный максимум дает решетка? Определить общее число максимумов? 1

110) Свет с длиной волны 750 нм проходит через щель шириной D=20 мкм. Какова ширина центрального максимума на экране, находящемся на расстоянии L=20 см от щели? 4

111) На дифракционную решетку нормально падает пучок света от разрядной трубки. Какова должна быть постоянная d дифракционной решетки, чтобы в направлении фи=41 совпадали максимумы линий лямбда1=656,3 нм и лямбда2=410,2 нм. 1

112) При помощи дифракционной решетки с периодом 0,01 мм получено первый дифракционный максимум на расстоянии 2,8 см от центрального максимума и на расстоянии 1,4 м от решетки. Найти длину световой волны. 4

113) Точечный источник света с длиной волны 0,6 мкм расположен на расстоянии а=110 см перед диафрагмой с круглым отверствием радиуса 0,8 мм. Найти расстояние b от диафрагмы до точки наблюдения, для которой число зон Френеля в отверстии составляет k=2. 3

114) Точечный источник света (лямбда=0,5 мкм) расположен на расстоянии а=1 м перед диафрагмой с круглым отверствием диаметра d=2 мм. Определите расстояние b (м) от диафрагмы до точки наблюдения, если отверстие открывает три зоны Френеля. 2 http://studyport.ru/images/stories/tasks/Physics/difraktsija-sveta/1.gif

116) На дифракционную решетку длиной l=15 мм, содержащую N=3000 штрихов, падает нормально монохроматический свет с длиной волны 550 нм. Найти: 1)число максимумов, наблюдаемых в спектре дифракционной решетки 2)угол, соответствующий последнему максимуму. 2

117) Как изменяется картина дифракционного спектра при удалении экрана от решетки? 2

118) На экран с круглым отверствием радиуса r=1,5 мм нормально падает параллельный пучок монохроматического света с длиной волны 0,5 мкм. Точка наблюдения находится на оси отверствия на расстоянии в 1,5 м от него. Определить: 1)число зон Френеля, укладывающихся в отверствии 2)темное или светлое кольцо наблюдается в центре дифракционной картины, если в месте наблюдения помещен экран. r=sqrt(bm*лямбда), m=r^2/b*лямбда=3 - нечетное, светлое кольцо. 2

119) Плоская волна падает нормально на диафрагму с круглым отверствием. Определить радиус четвертой зоны Френеля, если радиус второй зоны Френеля = 2 мм. 4

120) Уголовая дисперсия дифракционной решетки в спектре первого порядка dфи/dлямбда=2,02*10^5 рад/м. Найти линейную дисперсию D дифракционной решетки, если фокусное расстояние линзы, проектирующей спектр на экран, равно F=40 см. 3

Итак, что такое тепловое излучение?

Тепловое излучение - это электромагнитное излучение, которое возникает за счет энергии вращательного и колебательного движения атомов и молекул в составе вещества. Тепловое излучение характерно для всех тел, которые имеют температуру, превышающую температуру абсолютного нуля.

Тепловое излучение тела человека относится к инфракрасному диапазону электромагнитных волн. Впервые такое излучение было открыто английским астрономом Вильямом Гершелем. В 1865 английский физик Дж. Максвелл доказал, что ИК - излучение имеет электромагнитную природу и представляет собой волны длиной от 760нм до 1-2мм . Чаще всего весь диапазон ИК - излучения делят на области: ближнюю (750нм -2.500нм ), среднюю (2.500нм - 50.000нм ) и дальнюю (50.000нм -2.000.000нм ).

Рассмотрим случай, когда тело А расположено в полости Б, которая ограничена идеальной отражающей (непроницаемой для излучения) оболочкой С (рис.1). В результате многократного отражения от внутренней поверхности оболочки излучение будет сохраняться в пределах зеркальной полости и частично поглощаться телом А. При таких условиях система полость Б - тело А не будет терять энергию, а будет лишь происходить непрерывный обмен энергией между телом А и излучением, которое заполняет полость Б.

Рис.1 . Многократное отражение тепловых волн от зеркальных стенок полости Б

Если распределение энергии остается неизменным для каждой длины волны, то состояние такой системы будет равновесным, а излучение также будет равновесным. Единственным видом равновесного излучения является тепловое. Если по какой-то причине равновесие между излучением и телом сместится, то начинают протекать такие термодинамические процессы, которые вернут систему в состояние равновесия. Если тело А начинает излучать больше, чем поглощает, то тело начинает терять внутреннюю энергию и температура тела (как мера внутренней энергии) начнет падать, что уменьшит количество излучаемой энергии. Температура тела будет падать до тех пор, пока количество излучаемой энергии не станет равным количеству энергии, поглощаемой телом. Таким образом, наступит равновесное состояние.

Равновесное тепловое излучение имеет такие свойства: однородное (одинаковая плотность потока энергии во всех точках полости), изотропное (возможные направления распространения равновероятны), неполяризованное (направления и значения векторов напряженностей электрического и магнитного полей во всех точках полости изменяются хаотически).

Основными количественными характеристиками теплового излучения являются:

- энергетическая светимость - это количество энергии электромагнитного излучения во всем диапазоне длин волн теплового излучения, которое излучается телом во всех направлениях с единицы площади поверхности за единицу времени: R = E/(S·t), [Дж/(м 2 с)] = [Вт/м 2 ] Энергетическая светимость зависит от природы тела, температуры тела, состояния поверхности тела и длины волны излучения.

- спектральная плотность энергетической светимости - энергетическая светимость тела для данных длин волн (λ + dλ) при данной температуре (T + dT): R λ,T = f(λ, T).

Энергетическая светимость тела в пределах каких-то длин волн вычисляется интегрированием R λ,T = f(λ, T) для T = const:

- коэффициент поглощения - отношение поглощенной телом энергии к падающей энергии. Так, если на тело падает излучение потока dФ пад, то одна его часть отражается от поверхности тела - dФ отр, другая часть проходит в тело и частично превращается в теплоту dФ погл, а третья часть после нескольких внутренних отражений - проходит через тело наружу dФ пр: α = dФ погл /dФ пад.

Коэффициент поглощения α зависит от природы поглощающего тела, длины волны поглощаемого излучения, температуры и состояния поверхности тела.

- монохроматический коэффициент поглощения - коэффициент поглощения теплового излучения данной длины волны при заданной температуре: α λ,T = f(λ,T)

Среди тел есть такие тела, которые могут поглощать все тепловое излучение любых длин волн, которое падает на них. Такие идеально поглощающие тела называются абсолютно черными телами . Для них α =1.

Есть также серые тела, для которых α<1, но одинаковый для всех длин волн инфракрасного диапазона.

Моделью АЧТ является малое отверстие полости с теплонепроницаемой оболочкой. Диаметр отверстия составляет не более 0,1 диаметра полости. При постоянной температуре из отверстия излучается некоторая энергия, соответствующая энергетической светимости абсолютно черного тела. Но АЧТ - это идеализация. Но законы теплового излучения АЧТ помогают приблизиться к реальным закономерностям.

2. Законы теплового излучения

1. Закон Кирхгофа. Тепловое излучение является равновесным - сколько энергии излучается телом, столь ее им и поглощается. Для трех тел, находящихся в замкнутой полости можно записать:

Указанное соотношение будет верным и тогда, когда одно из тел будет АЧ:

Т.к. для АЧТ α λT .
Это закон Кирхгофа: отношение спектральной плотности энергетической светимости тела к его монохроматическому коэффициенту поглощения (при определенной температуре и для определенной длины волны) не зависит от природы тела и равно для всех тел спектральной плотности энергетической светимости при тех же самых температуре и длине волны.

Следствия из закона Кирхгофа:
1. Спектральная энергетическая светимость АЧТ является универсальной функцией длины волны и температуры тела.
2. Спектральная энергетическая светимость АЧТ наибольшая.
3. Спектральная энергетическая светимость произвольного тела равна произведению его коэффициента поглощения на спектральную энергетическую светимость абсолютно черного тела.
4. Любое тело при данной температуре излучает волны той же длины волны, которое оно излучает при данной температуре.

Систематическое изучение спектров ряда элементов позволило Кирхгофу и Бунзену установить однозначную связь между спектрами поглощения и излучения газов и индивидуальностью соответствующих атомов. Так был предложен спектральный анализ , с помощью которого можно выявить вещества, концентрация которых составляет 0,1нм.

Распределение спектральной плотности энергетической светимости для абсолютно черного тела, серого тела, произвольного тела. Последняя кривая имеет несколько максимумов и минимумов, что указывает на избирательность излучения и поглощения таких тел.

2. Закон Стефана-Больцмана.
В 1879 году австрийские ученые Йозеф Стефан (экспериментально для произвольного тела) и Людвиг Больцман (теоретически для АЧТ) установили, что общая энергетическая светимость во всем диапазоне длин волн пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры тела:

3. Закон Вина.
Немецкий физик Вильгельм Вин в 1893 году сформулировал закон, который определяет положение максимума спектральной плотности энергетической светимости тела в спектре излучения АЧТ в зависимости от температуры. Согласно закону, длина волны λ max , на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости АЧТ, обратно пропорционален его абсолютной температуре Т: λ max = в/t, где в = 2,9*10 -3 м·К- постоянная Вина.

Таким образом, при увеличении температуры изменяется не только полная энергия излучения, но и сама форма кривой распределения спектральной плотности энергетической светимости. Максимум спектральной плотности при увеличении температуры смещается в сторону более коротких длин волн. Поэтому закон Вина называют законом смещения.

Закон Вина применяется в оптической пирометрии - метода определения температуры по спектру излучения сильно нагретых тел, которые отдалены от наблюдателя. Именно этим методом впервые была определена температура Солнца (для 470нм Т=6160К).

Представленные законы не позволяли теоретически найти уравнения распределения спектральной плотности энергетической светимости по длинам волн. Труды Релея и Джинса, в которых ученые исследовали спектральный состав излучения АЧТ на основе законов классической физики, привели к принципиальным трудностям, названных ультрафиолетовой катастрофой. В диапазоне УФ-волн энергетическая светимость АЧТ должна была достигать бесконечности, хотя в опытах она уменьшалась к нулю. Эти результаты противоречили закону сохранения энергии.

4. Теория Планка. Немецкий ученый в 1900 году выдвинул гипотезу о том, что тела излучают не непрерывно, а отдельными порциями - квантами. Энергия кванта пропорциональна частоте излучения: E = hν = h·c/λ , где h = 6,63*10 -34 Дж·с постоянная Планка.

Руководствуясь представлениями о квантовом излучении АЧТ, он получил уравнение для спектральной плотности энергетической светимости АЧТ:

Эта формула находится в соответствии с опытными данными во всем интервале длин волн при всех температурах.

Солнце - основной источник теплового излучения в природе. Солнечное излучение занимает широкий диапазон длин волн: от 0,1нм до 10м и более. 99% солнечной энергии приходится на диапазон от 280 до 6000нм . На единицу площади Земной поверхности приходится в горах от 800 до 1000 Вт/м 2 . До земной поверхности доходит одна двухмиллиардная часть тепла - 9,23 Дж/см 2 . На диапазон теплового излучения от 6000 до 500000нм приходится 0,4% энергии Солнца. В атмосфере Земли большая часть ИК-излучения поглощается молекулами воды, кислорода, азота, диоксида углерода. Радиодиапазон тоже большей частью поглощается атмосферой.

Количество энергии, которую приносят солнечные лучи за 1с на площадь в 1 кв.м, расположенную за пределами земной атмосферы на высоте 82 км перпендикулярную солнечным лучам называется солнечной постоянной. Она равна 1,4*10 3 Вт/м 2 .

Спектральное распределение нормальной плотности потока солнечного излучения совпадает с таким для АЧТ при температуре 6000 градусов. Поэтому Солнце относительно теплового излучения - АЧТ.

3. Излучение реальных тел и тела человека

Тепловое излучение с поверхности тела человека играет большую роль в теплоотдаче. Существуют такие способы теплоотдачи: теплопроводность (кондукция), конвекция, излучение, испарение. В зависимости от условий, в которых окажется человек, каждый из этих способов может иметь доминирующее значение (так, например, при очень высоких температурах среды ведущая роль принадлежит испарению, а в холодной воде - кондукции, причем температура воды 15 градусов является смертельной средой для обнаженного человека, и через 2-4 часа наступает обморок и смерть вследствие переохлаждения мозга). Доля излучения в общей теплоотдаче может составлять от 75 до 25%. В нормальных условиях около 50% при физиологическом покое.

Тепловое излучение, которое играет роль в жизни живых организмов делится на коротковолновую (от 0,3 до 3 мкм) и длинноволновую (от 5 до 100мкм ). Источником коротковолнового излучения служат Солнце и открытое пламя, а живые организмы являются исключительно реципиентами такого излучения. Длинноволновая радиация и излучается, и поглощается живыми организмами.

Величина коэффициента поглощения зависит от соотношения температур среды и тела, площади их взаимодействия, ориентации этих площадей, а для коротковолнового излучения - от цвета поверхности. Так у негров происходит отражение лишь 18% коротковолнового излучения, тогда как у людей белой расы около 40% (скорее всего, цвет кожи негров в эволюции не имел отношение к теплообмену). Для длинноволнового излучения коэффициент поглощения приближен к 1.

Расчет теплообмена излучением - очень трудная задача. Для реальных тел использовать закон Стефана-Больцмана нельзя, поскольку у них более сложная зависимость энергетической светимости от температуры. Оказывается, она зависит от температуры, природы тела, формы тела и состояния его поверхности. Со сменой температуры изменяется коэффициент σ и показатель степени температуры. Поверхность тела человека имеет сложную конфигурацию, человек носит одежду, которая изменяет излучение, на процесс влияет поза, в которой находится человек.

Для серого тела мощность излучения во всем диапазоне определяется по формуле: P = α с.т. σ·T 4 ·S Считая с определенными приближениями реальные тела (кожа человека, ткани одежды) близкими к серым телам, можно найти формулу для вычисления мощности излучения реальными телами при определенной температуре: P = α·σ·T 4 ·S В условиях разных температур излучающего тела и окружающей среды: P = α·σ·(T 1 4 - T 2 4)·S
Существуют особенности спектральной плотности энергетической светимости реальных тел: при 310К , что соответствует средней температуре тела человека, максимум теплового излучения приходится на 9700нм . Любое изменение температуры тела приводит к изменению мощности теплового излучения с поверхности тела (0,1 градус достаточно). Поэтому исследование участков кожи, через ЦНС связанных с определенными органами, способствует выявлению заболеваний, в результате которых температура изменяется довольно значительно (термография зон Захарьина-Геда ).

Интересен метод бесконтактного массажа биополем человека (Джуна Давиташвили). Мощность теплового излучения ладони 0,1Вт , а тепловая чувствительность кожи 0,0001 Вт/см 2 . Если действовать на вышеупомянутые зоны, можно рефлекторно стимулировать работу этих органов.

4. Биологическое и терапевтическое действие тепла и холода

Тело человека постоянно излучает и поглощает тепловое излучение. Этот процесс зависит от температур тела человека и окружающей среды. Максимум ИК-излучения тела человека приходится на 9300нм.

При маленьких и средних дозах облучения ИК-лучами усиливаются метаболические процессы и ускоряются ферментативные реакции, процессы регенерации и репарации.

В результате действия ИК-лучей и видимого излучения в тканях образуются БАВ (брадикинин, калидин, гистамин, ацетилхолин, в основном вазомоторные вещества, которые играют роль в осуществлении и регуляции местного кровотока).

В результате действия ИК-лучей в коже активируются терморецепторы, информация от которых поступает в гипоталамус, в результате чего расширяются сосуды кожи, увеличивается объем циркулирующей в них крови, усиливается потовыделение.

Глубина проникновения ИК-лучей зависит от длины волны, влажности кожи, наполнения ее кровью степени пигментации и т.д.

На коже человека под действием ИК-лучей возникает красная эритема.

Применяется в клинической практике для влияния на местную и общую гемодинамику, усиления потовыделения, расслабления мышц, снижения болевого ощущения, ускорения рассасывания гематом, инфильтратов и т.д.

В условиях гипертермии усиливается противоопухолевое действие лучевой терапии - терморадиотерапия.

Основные показания применения ИК-терапии: острые негнойные воспалительные процессы, ожоги и обморожения, хронические воспалительные процессы, язвы, контрактуры, спайки, травмы суставов, связок и мышц, миозиты, миалгии, невралгии. Основные противопоказания: опухоли, гнойные воспаления, кровотечения, недостаточность кровообращения.

Холод применяется для остановки кровотечений, обезболивания, лечения некоторых заболеваний кожи. Закаливание ведет к долголетию.

Под действием холода снижается частота сердечных сокращений, артериальное давление, угнетаются рефлекторные реакции.

В определенных дозах холод стимулирует заживление ожогов, гнойных ран, трофических язв, эрозий, коньюктивитов.

Криобиология - изучает процессы, которые происходят в клетках, тканях, органах и организме под действием низких, нефизиологических температур.

В медицине используются криотерапия и гипертермия . Криотерапия включает методы, основанные на дозированном охлаждении тканей, органов. Криохирургия (часть криотерапии) использует локальное замораживание тканей с целью их удаления (часть миндалины. Если вся - криотонзилоэктомия. Можно удалять опухоли, например, кожи, шейки матки и т.д.) Криоэкстракция, основанная на криоадгезии (прилипании влажных тел к замороженному скальпелю) - выделение из органа части.

При гипертермии можно некоторое время сохранить функции органов ин виво. Гипотермию с помощью наркоза используют для сохранения функции органов при отсутствии кровоснабжения, поскольку замедляется обмен веществ в тканях. Ткани становятся стойкими к гипоксии. Применяют холодовой наркоз.

Осуществляют действие тепла с помощью ламп накаливания (лампа Минина, солюкс, ванна светотепловая, лампа ИК-лучей) с использованием физических сред, имеющих высокую теплоемкость, плохую теплопроводность и хорошую теплосохранящую способность: грязи, парафин, озокерит, нафталин и т.д.

5. Физические основы термографии.Тепловизоры

Термография, или тепловидение - это метод функциональной диагностики, основанный на регистрации ИК-излучения тела человека.

Существует 2 разновидности термографии:

- контактная холестерическая термография : в методе используются оптические свойства холестерических жидких кристаллов (многокомпонентные смеси сложных эфиров и других производных холестерина). Такие вещества избирательно отражают разные длины волн, что дает возможным получать на пленках этих веществ изображения теплового поля поверхности тела человека. На пленку направляют поток белого света. Разные длины волн по-разному отражаются от пленки в зависимости от температуры поверхности, на которую нанесен холестерик.

Под действием температуры холестерики могут изменять цвет от красного до фиолетового. В результате формируется цветное изображение теплового поля тела человека, которое легко расшифровать, зная зависимость температура-цвет. Существуют холестерики, позволяющие фиксировать разницу температур 0,1 градус. Так, можно определить границы воспалительного процесса, очаги воспалительной инфильтрации на разных стадиях ее развития.

В онкологии термография позволяет выявить метастатические узлы диаметром 1,5-2мм в молочной железе, коже, щитовидной железе; в ортопедии и травматологии оценить кровоснабжение каждого сегмента конечности, например, перед ампутацией, опередить глубину ожога и т.д.; в кардиологии и ангиологии выявить нарушения нормального функционирования ССС, нарушения кровообращения при вибрационной болезни, воспалении и закупорке сосудов; расширение вен и т.д.; в нейрохирургии определить расположение очагов повреждения проводимости нерва, подтвердить место нейропаралича, вызванного апоплексией; в акушерстве и гинекологии определить беременность, локализацию детского места; диагностировать широкий спектр воспалительных процессов.

- Телетермография - базируется на превращение ИК-излучения тела человека в электрические сигналы, которые регистрируются на экране тепловизора или другом записывающем устройстве. Метод бесконтактный.

ИК-излучение воспринимается системой зеркал, после чего ИК-лучи направляются на приемник ИК-волн, основную часть которого составляет детектор (фотосопротивление, металлический или полупроводниковый болометр, термоэлемент, фотохимический индикатор, электронно-оптический преобразователь, пьезоэлектрические детекторы и т.д.).

Электрические сигналы от приемника передаются на усилитель, а потом - на управляющее устройство, которое служит для перемещения зеркал (сканирование объекта), разогревания точечного источника света ТИС (пропорционально тепловому излучению), движения фотопленки. Каждый раз пленка засвечивается ТИС соответственно температуре тела в месте исследования.

После управляющего устройства сигнал может передаваться на компьютерную систему с дисплеем. Это позволяет запоминать термограммы, обрабатывать их с помощью аналитических программ. Дополнительные возможности предоставляет цветные тепловизоры (близкие по температуре цвета обозначить контрастными цветами), провести изотермы.

Многие копании в последнее время признают тот факт, что «достучаться» до потенциального клиента, порой, достаточно сложно, его информационное поле настолько загружено различного рода рекламными сообщениями, что таковые просто перестают восприниматься.
Активные продажи по телефону становятся одним из наиболее эффективных способов увеличения продаж в короткие сроки. Холодные звонки направлены на привлечение клиентов, которые ранее не обращались за товаром или услугой, но по ряду факторов являются потенциальными клиентами. Набрав телефонный номер, менеджер активных продаж должен четко осознавать цель холодного звонка. Ведь телефонные переговоры требуют от sales manager особого мастерства и терпения, а так же знание техники и методики ведения переговоров.

Поток излучения Ф  физическая величина, равная количест­ву энергии, излучаемой нагретым телом со всей поверхности в еди­ницу времени :

Энергетическая светимость (излучательность) тела R  энергия, излучаемая в единицу времени с единицы площади нагрето­го тела во всем интервале длин волн (0 < < ∞).:

Спектральная плотность энергетической светимости R  , T это энергия, излучаемая в интервале длин волн от  до +d в единицу времени с единицы площади

Энергетическая светимость R T , являющаяся интегральной характеристикой излучения, связана со спектральной плотностью энергетической светимости соотношением

Так как длина волны и частота связаны известным соотношением  = c /, спектральные характеристики излучения можно характеризовать также и частотой.

Радиационные характеристики тел

Рис. 3. Модель абсо­лютно черного тела

;  абсолютно белое тело,

;  абсолютно черное тело.

Коэффициент поглощения зависит от длины волны и ха­рактеризуется спектральной поглощательной способ­нос­тью  безразмерной физической величиной, показывающей, какая доля энер­гии, падающей в единицу времени на единицу поверхности тела в интервале длин волн от  до + d, им поглощается:

Тело, для которого поглощательная способность одинакова для всех длин волн и зависит только от температуры, называют серым:

2. Законы теплового излучения

2.1. Между спектральной плотностью энергетической светимости и поглощательной способностью любого тела имеется связь, которая выража­ется законом Кирхгофа :

Отношение спектральной плотности энергетической светимости любого тела к его поглощательной способности при дан­ной длине волны и температуре является величиной постоянной для всех тел и равной спектральной плотности энергетической светимо­сти абсолютно черного тела r  , T при той же температуре и дли­не волны.

Здесь r  , T  универсальная функция Кирхгофа , при А  , Т = 1 , т.е.универсальная фун­к­ция Кирхгофа есть не что иное, как с пектральная плотность энер­ге­ти­ческой светимости абсолютно чер­но­го тела.

Следствия закона Кирхгофа:

Так как А  , Т < 1, то: энергия излучения любо­го тела всегда меньше энергии излу­че­ния абсолютно черного тела;

Если тело не поглощает энер­гию в некотором диапазоне длин волн (А  , Т = 0), то оно и не из­лучает ее в этом диапазоне ().

Интегральная энергетическая светимость

Для серого тела

т.е. коэффициент поглощения характеризует отношение излучательностей серого и черного тел . В технической литературе его называют степенью черноты серого тела.

2.2. Закон Стефана-Больцмана установлен Д.Стефаном (1879 г.) из анализа экспериментальных данных, а за­тем Л.Больцманом (1884 г.)  теоретическим путем.

 = 5,6710 -8 Вт/(м 2  К 4)  постоянная Стефана-Больцмана,

т.е. энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна его абсолютной температуре в четвертой степени.

закон Стефана-Больцмана для серого тела

Закон смещения Вина установлен немецким физиком В.Вином (1893 г.)

, b = 2,910 -3 мK  постоянная Вина. (10)

Длина волны, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости абсо­лютно черного тела, обратно пропорциональна абсолютной темпера­туре этого тела, т.е. с увеличением температуры максимальное выделение энергии смещается в коротковолновый диапазон.

Для продолжения скачивания необходимо собрать картинку:

Тепловое излучение

Тепловое излучение - это электромагнитное излучение, которое возникает за счет энергии вращательного и колебательного движения атомов и молекул в составе вещества. Тепловое излучение характерно для всех тел, которые имеют температуру, превышающую температуру абсолютного нуля.

Тепловое излучение тела человека относится к инфракрасному диапазону электромагнитных волн. Впервые такое излучение было открыто английским астрономом Вильямом Гершелем. В 1865 английский физик Дж. Максвелл доказал, что ИК - излучение имеет электромагнитную природу и представляет собой волны длиной от 760нм до 1-2мм. Чаще всего весь диапазон ИК - излучения делят на области: ближнюю (750нм-2.500нм), среднюю (2.500нм – 50.000нм) и дальнюю (50.000нм-2.000.000нм).

Рассмотрим случай, когда тело А расположено в полости Б, которая ограничена идеальной отражающей (непроницаемой для излучения) оболочкой С (рис.1). В результате многократного отражения от внутренней поверхности оболочки излучение будет сохраняться в пределах зеркальной полости и частично поглощаться телом А. При таких условиях система полость Б – тело А не будет терять энергию, а будет лишь происходить непрерывный обмен энергией между телом А и излучением, которое заполняет полость Б.

Равновесное тепловое излучение имеет такие свойства: однородное (одинаковая плотность потока энергии во всех точках полости), изотропное (возможные направления распространения равновероятны), неполяризованное (направления и значения векторов напряженностей электрического и магнитного полей во всех точках полости изменяются хаотически).

Основными количественными характеристиками теплового излучения являются:

Энергетическая светимость - это количество энергии электромагнитного излучения во всем диапазоне длин волн теплового излучения, которое излучается телом во всех направлениях с единицы площади поверхности за единицу времени: R = E/(S·t), [Дж/(м2с)] = [Вт/м2] Энергетическая светимость зависит от природы тела, температуры тела, состояния поверхности тела и длины волны излучения.

Спектральная плотность энергетической светимости - энергетическая светимость тела для данных длин волн (λ + dλ) при данной температуре (T + dT): Rλ, T = f(λ, T).

Энергетическая светимость тела в пределах каких-то длин волн вычисляется интегрированием Rλ, T = f(λ, T) для T = const:

Коэффициент поглощения - отношение поглощенной телом энергии к падающей энергии. Так, если на тело падает излучение потока dФпад, то одна его часть отражается от поверхности тела - dФотр, другая часть проходит в тело и частично превращается в теплоту dФпогл, а третья часть после нескольких внутренних отражений - проходит через тело наружу dФпр: α = dФпогл/dФпад.

Монохроматический коэффициент поглощения - коэффициент поглощения теплового излучения данной длины волны при заданной температуре: αλ, T = f(λ, T)

Среди тел есть такие тела, которые могут поглощать все тепловое излучение любых длин волн, которое падает на них. Такие идеально поглощающие тела называются абсолютно черными телами. Для них α =1.

Есть также серые тела, для которых α<1, но одинаковый для всех длин волн инфракрасного диапазона.

Моделью АЧТ является малое отверстие полости с теплонепроницаемой оболочкой. Диаметр отверстия составляет не более 0, 1 диаметра полости. При постоянной температуре из отверстия излучается некоторая энергия, соответствующая энергетической светимости абсолютно черного тела. Но АЧТ - это идеализация. Но законы теплового излучения АЧТ помогают приблизиться к реальным закономерностям.

2. Законы теплового излучения

Следствия из закона Кирхгофа:

Систематическое изучение спектров ряда элементов позволило Кирхгофу и Бунзену установить однозначную связь между спектрами поглощения и излучения газов и индивидуальностью соответствующих атомов. Так был предложен спектральный анализ, с помощью которого можно выявить вещества, концентрация которых составляет 0, 1нм.

Распределение спектральной плотности энергетической светимости для абсолютно черного тела, серого тела, произвольного тела. Последняя кривая имеет несколько максимумов и минимумов, что указывает на избирательность излучения и поглощения таких тел.

2. Закон Стефана-Больцмана.

Немецкий физик Вильгельм Вин в 1893 году сформулировал закон, который определяет положение максимума спектральной плотности энергетической светимости тела в спектре излучения АЧТ в зависимости от температуры. Согласно закону, длина волны λmax, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости АЧТ, обратно пропорционален его абсолютной температуре Т: λmax = в/t, где в = 2, 9*10-3 м·К- постоянная Вина.

Таким образом, при увеличении температуры изменяется не только полная энергия излучения, но и сама форма кривой распределения спектральной плотности энергетической светимости. Максимум спектральной плотности при увеличении температуры смещается в сторону более коротких длин волн. Поэтому закон Вина называют законом смещения.

Закон Вина применяется в оптической пирометрии - метода определения температуры по спектру излучения сильно нагретых тел, которые отдалены от наблюдателя. Именно этим методом впервые была определена температура Солнца (для 470нм Т=6160К).

4. Теория Планка. Немецкий ученый в 1900 году выдвинул гипотезу о том, что тела излучают не непрерывно, а отдельными порциями - квантами. Энергия кванта пропорциональна частоте излучения: E = hν = h·c/λ , где h = 6, 63*10-34 Дж·с постоянная Планка.

Тепловое излучение и его характеристики

Тепловое излучение – это электромагнитное излучение тел, возникающее за счет изменения их внутренней энергии (энергии теплового движения атомов и молекул).

Тепловое излучение тела человека относится к инфракрасному диапазону электромагнитных волн.

Инфракрасные лучи занимают диапазон электромагнитных волн с длиной волны от 760 нм до 1-2 мм.

Источник теплового излучения : любое тело, температура которого превышает температуру абсолютного нуля.

Поток излучения (Ф) – количество энергии, которое излучается (поглощается) с выбранной площади (поверхности) по всем направлениям за единицу времени.

2. Интегральная излучательная способность (R)– поток излучения с единицы площади поверхности.

3. Спектральная излучательная способность () – интегральная излучательная способность, относимая к единице спектрального интервала

где интегральная излучательная способность;

– ширина интервала длин волн ().

4. Интегральная поглощательная способность (коэффициент поглощения) –отношение поглощенной телом энергии к падающей энергии.

– поток излучения, который поглощается телом;

– поток излучения, что падает на тело.

5. Спектральная поглощательная способность – коэффициент поглощения, относимый к единичному спектральному интервалу:

Абсолютно черное тело. Серые тела

Абсолютно черное тело – это тело, которое поглощает всю падающую энергию.

Коэффициент поглощения абсолютно черного тела и не зависит от длины волны.

Примеры абсолютно черного тела: сажа, черный бархат.

Серые тела – тела, у которых.

Пример: тело человека считают серым телом.

Черные и серые тела – это физическая абстракция.

Законы теплового излучения

1. Закон Кирхгофа (1859 г.): Отношение спектральной излучательной способности тел к их спектральной поглощательной способности не зависит от природы излучающего тела и равно спектральной излучательной способности абсолютно черного тела при данной температуре:

где – спектральная излучательная способность абсолютно черного тела.

Тепловое излучение является равновесным – сколько энергии излучается телом, столько ее им и поглощается.

Рис. 41. Кривые распределения энергии в спектрах теплового излучения

различных тел (1 – абсолютно черное тело, 2 – серое тело,

3 – произвольное тело)

2. Закон Стефана – Больцмана (1879, 1884): интегральная излучательная способность абсолютно черного тела () прямо пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры (Т).

где –постоянная Стефана – Больцмана

3. Закон Вина (1893):длина волны, на которую приходится максимум спектральной излучательной способности данного тела, обратно пропорциональна температуре.

Где = – постоянная Вина.

Рис. 42. Спектры теплового излучения абсолютно черного тела при различных температурах

Тепловое излучение тела человека

Тело человека имеет постоянную температуру благодаря терморегуляции. Основной частью терморегуляции является теплообмен организма с окружающей средой.

Теплообмен происходит с помощью таких процессов:

а) теплопроводность (0 %), б) конвекция (20 %), в) излучение (50 %), г) испарение (30 %).

Диапазон теплового излучения тела человека

Температура поверхности кожи человека: .

Длина волны соответствует инфракрасному диапазону, потому не воспринимается глазом человека.

Излучательная способность тела человека

Тело человека считается серым телом, так как частично излучает энергию () и поглощает излучение из окружающей среды ().

Энергия (), которую теряет человек за 1 секунду с 1 своего тела вследствие излучения составляет:

где температура окружающей среды: , температура тела человека: .

Контактные методы определения температуры

Термометры: ртутные, спиртовые.

Шкала Цельсия: t°C

Шкала Кельвина: T = 273 + t°C

Термография – это метод определения температуры участка тела человека дистанционно путем оценки интенсивности теплового излучения.

Приборы: термограф или тепловизор (регистрирует распределение температур на выбранном участке человека).

Лекция №16. Тепловое излучение

1. Понятие теплового излучения и его характеристики

Итак, что такое тепловое излучение?

Рис.1. Многократное отражение тепловых волн от зеркальных стенок полости Б

Если распределение энергии остается неизменным для каждой длины волны, то состояние такой системы будет равновесным, а излучение также будет равновесным. Единственным видом равновесного излучения является тепловое. Если по какой-то причине равновесие между излучением и телом сместится, то начинают протекать такие термодинамические процессы, которые вернут систему в состояние равновесия. Если тело А начинает излучать больше, чем поглощает, то тело начинает терять внутреннюю энергию и температура тела (как мера внутренней энергии) начнет падать, что уменьшит количество излучаемой энергии. Температура тела будет падать до тех пор, пока количество излучаемой энергии не станет равным количеству энергии, поглощаемой телом. Таким образом, наступит равновесное состояние.

Коэффициент поглощения - отношение поглощенной телом энергии к падающей энергии. Так, если на тело падает излучение потока dФ пад, то одна его часть отражается от поверхности тела - dФ отр, другая часть проходит в тело и частично превращается в теплоту dФ погл, а третья часть после нескольких внутренних отражений - проходит через тело наружу dФ пр: α = dФ погл /dФ пад.

Коэффициент поглощения α зависит от природы поглощающего тела, длины волны поглощаемого излучения, температуры и состояния поверхности тела.

Моделью АЧТ является малое отверстие полости с теплонепроницаемой оболочкой. Диаметр отверстия составляет не более 0,1 диаметра полости. При постоянной температуре из отверстия излучается некоторая энергия, соответствующая энергетической светимости абсолютно черного тела. Но АЧТ - это идеализация. Но законы теплового излучения АЧТ помогают приблизиться к реальным закономерностям.

2. Законы теплового излучения

1. Закон Кирхгофа. Тепловое излучение является равновесным - сколько энергии излучается телом, столь ее им и поглощается. Для трех тел, находящихся в замкнутой полости можно записать:

Указанное соотношение будет верным и тогда, когда одно из тел будет АЧ:

Это закон Кирхгофа: отношение спектральной плотности энергетической светимости тела к его монохроматическому коэффициенту поглощения (при определенной температуре и для определенной длины волны) не зависит от природы тела и равно для всех тел спектральной плотности энергетической светимости при тех же самых температуре и длине волны.

1. Спектральная энергетическая светимость АЧТ является универсальной функцией длины волны и температуры тела.

2. Спектральная энергетическая светимость АЧТ наибольшая.

3. Спектральная энергетическая светимость произвольного тела равна произведению его коэффициента поглощения на спектральную энергетическую светимость абсолютно черного тела.

4. Любое тело при данной температуре излучает волны той же длины волны, которое оно излучает при данной температуре.

В 1879 году австрийские ученые Йозеф Стефан (экспериментально для произвольного тела) и Людвиг Больцман (теоретически для АЧТ) установили, что общая энергетическая светимость во всем диапазоне длин волн пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры тела:

Немецкий физик Вильгельм Вин в 1893 году сформулировал закон, который определяет положение максимума спектральной плотности энергетической светимости тела в спектре излучения АЧТ в зависимости от температуры. Согласно закону, длина волны λ max , на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости АЧТ, обратно пропорционален его абсолютной температуре Т: λ max = в/t, где в = 2,9*10 -3 м·К- постоянная Вина.

Представленные законы не позволяли теоретически найти уравнения распределения спектральной плотности энергетической светимости по длинам волн. Труды Релея и Джинса, в которых ученые исследовали спектральный состав излучения АЧТ на основе законов классической физики, привели к принципиальным трудностям, названных ультрафиолетовой катастрофой. В диапазоне УФ-волн энергетическая светимость АЧТ должна была достигать бесконечности, хотя в опытах она уменьшалась к нулю. Эти результаты противоречили закону сохранения энергии.

4. Теория Планка. Немецкий ученый в 1900 году выдвинул гипотезу о том, что тела излучают не непрерывно, а отдельными порциями - квантами. Энергия кванта пропорциональна частоте излучения: E = hν = h·c/λ , где h = 6,63*Дж·с постоянная Планка.

Эта формула находится в соответствии с опытными данными во всем интервале длин волн при всех температурах.

3. Излучение реальных тел и тела человека

Тепловое излучение с поверхности тела человека играет большую роль в теплоотдаче. Существуют такие способы теплоотдачи: теплопроводность (кондукция), конвекция, излучение, испарение. В зависимости от условий, в которых окажется человек, каждый из этих способов может иметь доминирующее значение (так, например, при очень высоких температурах среды ведущая роль принадлежит испарению, а в холодной воде – кондукции, причем температура воды 15 градусов является смертельной средой для обнаженного человека, и через 2-4 часа наступает обморок и смерть вследствие переохлаждения мозга). Доля излучения в общей теплоотдаче может составлять от 75 до 25%. В нормальных условиях около 50% при физиологическом покое.

Существуют особенности спектральной плотности энергетической светимости реальных тел: при 310К, что соответствует средней температуре тела человека, максимум теплового излучения приходится на 9700нм. Любое изменение температуры тела приводит к изменению мощности теплового излучения с поверхности тела (0,1 градус достаточно). Поэтому исследование участков кожи, через ЦНС связанных с определенными органами, способствует выявлению заболеваний, в результате которых температура изменяется довольно значительно (термография зон Захарьина-Геда).

4. Биологическое и терапевтическое действие тепла и холода

Тело человека постоянно излучает и поглощает тепловое излучение. Этот процесс зависит от температур тела человека и окружающей среды. Максимум ИК-излучения тела человека приходится на 9300нм.

5. Физические основы термографии.Тепловизоры

Термография, или тепловидение - это метод функциональной диагностики, основанный на регистрации ИК-излучения тела человека.

Многие копании в последнее время признают тот факт, что «достучаться» до потенциального клиента, порой, достаточно сложно, его информационное поле настолько загружено различного рода рекламными сообщениями, что таковые просто перестают восприниматься.

Активные продажи по телефону становятся одним из наиболее эффективных способов увеличения продаж в короткие сроки. Холодные звонки направлены на привлечение клиентов, которые ранее не обращались за товаром или услугой, но по ряду факторов являются потенциальными клиентами. Набрав телефонный номер, менеджер активных продаж должен четко осознавать цель холодного звонка. Ведь телефонные переговоры требуют от sales manager особого мастерства и терпения, а так же знание техники и методики ведения переговоров.

Характеристики теплового излучения

Основные вопросы темы:

1. Характеристики теплового излучения.

2. Законы теплового излучения (закон Кирхгофа, закон Стефана-Больцмана, закон Вина); формула Планка.

3. Физические основы термографии (тепловидения).

4. Теплоотдача организма.

Любое тело при температурах выше абсолютного нуля (0 К) является источником электромагнитного излучения, которое называют тепловым излучением. Оно возникает за счет внутренней энергии тела.

Диапазон длин электромагнитных волн (спектральный диапазон), излучаемых нагретым телом, очень широк. В теории теплового излучения часто считают, что здесь длина волны меняется от 0 до ¥.

Распределение энергии теплового излучения тела по длинам волн зависит о его температуры. При комнатной температуре почти вся энергия сосредоточена в инфракрасной области шкалы электромагнитных волн. При высокой температуре (1000°C) значительная часть энергии испускается и в видимом диапазоне.

Характеристики теплового излучения

1. Поток (мощность) излучения Ф (иногда обозначается буквой Р ) – энергия, излучаемая за 1 сек со всей поверхности нагретого тела по всем направлениям в пространстве и во всем спектральном диапазоне:

2. Энергетическая светимость R – энергия, излучаемая за 1 сек с 1 м 2 поверхности тела по всем направлениям пространстве и во всем спектральном диапазоне. Если S – площадь поверхности тела, то

3. Спектральная плотность энергетической светимости r λ - энергия, излучаемая за 1 сек с 1м 2 поверхности тела по всем направлениям на длине волны λ в единичном спектральном диапазоне , →

Зависимость r l от l называют спектром теплового излучения тела при данной температуре (при Т = const). Спектр дает распределение излучаемой телом энергии по длинам волн. Он показан на рис. 1.

Можно показать, что энергетическая светимость R равна площади фигуры, ограниченной спектром и осью (рис. 1).

4. Способность нагретого тела поглощать энергию внешнего излучения определяется монохроматическим коэффициентом поглощения а l ,

т.е. а l равноотношению потока излучения с длиной волны l, поглощенного телом, к потоку излучения той же длины волны, упавшему на тело. Из (3.) следует, что а l – величина безразмерная и.

По типу зависимости а от l все тела делятся на 3 группы:

а = 1 на всех длинах волн при любых температурах (рис. 3, 1 ), т.е. абсолютно черное тело полностью поглощает все падающее на него излучение. “Абсолютно черных” тел в природе нет, моделью такого тела может являться замкнутая непрозрачная полость с маленьким отверстием (рис. 2). Луч, попавший в это отверстие, после многократных отражений от стенок будет практически полностью поглощен.

К абсолютно черному телу близко солнце, его Т = 6000 К.

2). Серые тела : их коэффициент поглощения а < 1 и одинаков на всех длинах волн при любых температурах (рис. 3, 2 ). Например, серым телом можно считать тело человека в задачах теплообмена с окружающей средой.

для них коэффициент поглощения а < 1 и зависит от длины волны, т.е. а l = f (l ), эта зависимость представляет собой спектр поглощения тела (рис. 3 , 3 ).

Тепловое излучение длина волны

Законы теплового излучения. Лучистое тепло.

Может, для кого-то это будет новостью, но передача температуры происходит не только теплопроводностью через прикосновение одного тела к другому. Каждое тело (Твердое, жидкое и газообразное) испускает тепловые лучи определенной волны. Эти лучи, уходя от одного тела, поглощаются другим телом, и принимают тепло на себя. И я попытаюсь Вам объяснить, как это происходит, и сколько тепла мы теряем этим излучением у себя дома на отопление. (Я думаю, многим будет интересно увидеть эти цифры). В конце статьи решим задачку из реального примера.

Я не однократно в этом убеждался, что сидя у костра (обычно большого) мое лицо обжигали эти лучи. И если я закрывал костер своими ладонями и при этом руки были вытянуты, то получалось, что мое лицо переставало обжигать. Не трудно догадаться, что эти лучи прямые как световые. Меня обжигает не воздух, циркулирующий вокруг костра, и даже не теплопроводность воздуха, а именно прямые не видимые тепловые лучи, идущие от костра.

В космосе между планетами обычно вакуум и поэтому передача температур осуществляется исключительно тепловыми лучами (Все лучи - это электромагнитные волны).

Тепловое излучение имеет природу такую, как световые и электромагнитные лучи (волны). Просто, эти волны (лучи) имеют разную длину волны.

Например, длины волн в диапазоне 0,76 – 50 мкм, называется инфракрасными. Все тела, имеющие комнатную температуру + 20 °С, излучают в основном инфракрасные волны с длинами волн, близкими к 10 мкм.

Всякое тело, если только температура его отлична от абсолютного нуля (-273,15 °С), способно посылать в окружающее пространство излучение. Поэтому любое тело излучает на окружающие его тела лучи и в свою очередь находится под воздействием излучения этих тел.

Тепловое излучение может поглощаться или проходить в сквозь тело, а также может просто отражаться от тела. Отражение тепловых лучей подобно тому, как если бы световой луч отражался от зеркала. Поглощение теплового излучения подобно тому, как черная крыша сильно нагревается от солнечных лучей. А проникновение или прохождение лучей подобно тому, как лучи проходят в сквозь стекло или воздух. Наиболее распространенным в природе видом электромагнитного излучения является тепловое излучение.

Очень близко по своим свойствам к черному телу относится так называемое реликтовое излучение, или космический микроволновой фон - заполняющее Вселенную излучение с температурой около 3 К.

Вообще в науке теплотехнике, чтобы объяснить процессы тепловых излучений, удобно использовать понятие черного тела, для того чтобы качественно объяснить процессы тепловых излучений. Только черное тело способно в некотором роде облегчить расчеты.

Как было описано выше любое тело способно:

2. Поглощать тепловую энергию.

3. Отражать тепловую энергию.

Черное тело - это тело, которое полностью поглощает тепловую энергию, то есть оно не отражает лучи и в сквозь нее не проходит тепловое излучение. Но не забываем, что черное тело излучает тепловую энергию.

Какие возникают сложности при расчете, если тело не является черным телом?

Тело, которое не является черным телом, имеет такие факторы:

2. Отражает, какую-то часть теплового излучения.

Эти два фактора усложняют расчет на столько, что «мама не горюй». Очень сложно так считать. А ученые по этому поводу толком не объяснили, как рассчитать серое тело. Кстати серое тело - это и есть тело, которое не является черным телом.

Тепловое излучение имеет разные частоты (разные волны), и каждое отдельное тело может иметь разную волну излучения. К тому же при изменении температуры, эта длина волны может меняться, может меняться и ее интенсивность (сила излучения).

Рассмотрим изображение, которое подтверждает сложность вычисления излучательности.

На рисунке изображены два шарика, которые в себе имеют частички этого шарика. Красные стрелки это лучи испускаемые частичками.

Рассмотрим черное тело.

Внутри черного тела глубоко внутри расположены некоторые частички, которые обозначены оранжевым цветом. Они испускают лучи, которые поглощают рядом находящиеся другие частички, которые обозначены желтым цветом. Лучи оранжевых частичек черного тела не способны пройти в сквозь другие частички. И поэтому только наружные частички этого шарика испускают лучи по всей площади шарика. Поэтому расчет черного тела легко считается. Также принято считать, что черное тело испускает весь спектр волн. То есть испускает все имеющиеся волны различных длин. Серое тело может испускать часть спектра волн, только определенной длины волн.

Рассмотрим серое тело.

Внутри серого тела, имеющиеся внутри частички излучают какую то часть лучей, которые проходят в сквозь другие частички. И только поэтому расчет усложняется многократно.

Тепловое излучение - это электромагнитное излучение, возникающее вследствие преобразования энергии теплового движения частиц тела в энергию излучения. Именно тепловой характер возбуждения элементарных излучателей (атомов, молекул и т.п.) противопоставляет тепловое излучение всем другим видам свечения и обуславливает его специфическое свойство зависеть лишь от температуры и оптических характеристик излучающего тела.

Опыт показывает, что тепловое излучение наблюдается у всех тел при любой температуре, отличной от 0 К. Конечно, интенсивность и характер излучения зависят от температуры излучающего тела. Например, все тела, имеющие комнатную температуру + 20 °С, излучают в основном инфракрасные волны с длинами волн, близкими к 10 мкм, а Солнце излучает энергию, максимум которой приходится на 0,5 мкм, что соответствует видимому диапазону. При Т → 0 К тела практически не излучают.

Тепловое излучение ведет к уменьшению внутренней энергии тела и, следовательно, к снижению температуры тела, к охлаждению. Нагретое тело за счет теплового излучения отдает внутреннюю энергию и охлаждается до температуры окружающих тел. В свою очередь, поглощая излучение, могут нагреваться холодные тела. Такие процессы, которые могут происходить и в вакууме, называют радиационным теплообменом.

Абсолютно черное тело - физическая абстракция, применяемая в термодинамике, тело, поглощающее все падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее. Несмотря на название, абсолютно черное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно черного тела определяется только его температурой.

(Температурный интервал в Кельвинах и их Цвет)

до 1000 Красный

5500-7000 Чисто белый

Наиболее черные реальные вещества, например, сажа, поглощают до 99 % падающего излучения (т. е. имеют альбедо, равное 0,01) в видимом диапазоне длин волн, однако инфракрасное излучение поглощается ими значительно хуже. Глубокий черный цвет некоторых материалов (древесного угля, черного бархата) и зрачка человеческого глаза объясняется тем же механизмом. Среди тел Солнечной системы свойствами абсолютно черного тела в наибольшей степени обладает Солнце. По определению Солнце практически не отражает никакого излучения. Термин был введен Густавом Кирхгофом в 1862.

По спектральной классификации Солнце относится к типу G2V («жёлтый карлик»). Температура поверхности Солнца достигает 6000 K, поэтому Солнце светит почти белым светом, но из-за поглощения части спектра атмосферой Земли у поверхности нашей планеты этот свет приобретает жёлтый оттенок.

Абсолютно чёрное тела - 100% поглощает и при этом нагревается, так и наоборот! нагретое тело - 100% излучает это означает, что есть строгая закономерность (формула излучения абсолютно чёрного тела) между температурой Солнца - и его спектром - так как и спектр и температуру уже определили - да, у Солнца нет отклонений от этих параметров!

В астрономии есть такая диаграмма - «Спектр-Светимость», так вот наше Солнце принадлежит «главной последовательности» звезд, к которой принадлежат и большинство других звезд, то есть почти все звезды «абсолютно чёрные тела», как это не странно. Исключения - белые карлики, красные гиганты и Новые, Сверх-Новые.

Это кто-то физику в школе недоучил.

Абсолютно чёрное тело поглощает ВСЁ излучение и излучает больше всех остальных тел (чем больше тело поглощает, тем сильнее оно нагревается; чем больше оно нагревается, тем больше оно излучает).

Пусть у нас есть две поверхности - серая (с коэффициентом черноты 0,5) и абсолютно чёрная (коэффициент 1).

Коэффициент черноты - это коэффициент поглощения.

Теперь на эти поверхности направив одинаковый поток фотонов, допустим, 100 штук.

Серая поверхность поглотит 50 из них, чёрная - все 100.

Какая поверхность, испускает больше света - в которой «сидит» 50 фотонов или 100?

Излучение абсолютно чёрного тела впервые правильно рассчитал Планк.

Излучение Солнца примерно подчиняется формуле Планка.

И так начнем изучать теорию.

Под излучением (радиацией) понимают испускание и распространение электромагнитных волн любого вида. В зависимости от длины волны различают: Ренгеновские, ультрафиолетовые, инфракрасные, световое (видимое) излучение и радиоволны.

Рентгеновское излучение - электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10−2 до 103 Ангстрем. 10 Ангстрем = 1 нм. (0,нм)

Ультрафиолетовое излучение (ультрафиолет, УФ, UV) - электромагнитное излучение, занимающее диапазон между фиолетовой границей видимого излучения и рентгеновским излучением (10 - 380 нм).

Инфракрасное излучение - электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны λ = 0,74 мкм) и микроволновым излучением (λ

Сейчас весь диапазон инфракрасного излучения делят на три составляющих:

Коротковолновая область: λ = 0,74-2,5 мкм;

Средневолновая область: λ = 2,5-50 мкм;

Длинноволновая область: λ = 50-2000 мкм;

Видимое излучение - электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом. Чувствительность человеческого глаза к электромагнитному излучению зависит от длины волны (частоты) излучения, при этом максимум чувствительности приходится на 555 нм (540 терагерц), в зелёной части спектра. Поскольку при удалении от точки максимума чувствительность спадает до нуля постепенно, указать точные границы спектрального диапазона видимого излучения невозможно. Обычно в качестве коротковолновой границы принимают участок 380-400 нм (750-790 ТГц), а в качестве длинноволновой - 760-780 нм (385-395 ТГц). Электромагнитное излучение с такими длинами волн также называется видимым светом, или просто светом (в узком смысле этого слова).

Радиоизлучение (радиоволны, радиочастоты) - электромагнитное излучение с длинами волн 5 10−5-1010 метров и частотами, соответственно, от 6 1012 Гц и до нескольких Гц. Радиоволны используются при передаче данных в радиосетях.

Тепловое излучение представляет собой процесс распространения в пространстве внутренней энергии излучающего тела путем электромагнитных волн. Возбудителями этих волн являются материальные частицы, входящие в состав вещества. Для распространения электромагнитных волн не требуется материальной среды, в вакууме они распространяются со скоростью света и характеризуются длиной волны λ или частотой колебаний ν. При температуре до 1500 °С основная часть энергии соответствует инфракрасному и частично световому излучению (λ=0,7÷50 мкм).

Следует отметить, что энергия излучения испускается не непрерывно, а в виде определенных порций - квантов. Носителями этих порций энергии являются элементарные частицы излучения - фотоны, обладающие энергией, количеством движений и электромагнитной массой. При попадании на другие тела энергия излучения частично поглощается ими, частично отражается и частично проходит сквозь тело. Процесс превращения энергии излучения во внутреннюю энергию поглощающего тела называется поглощением. Большинство твердых и жидких тел излучают энергию всех длин волн в интервале от 0 до ∞, то есть имеют сплошной спектр излучения. Газы испускают энергию только в определенных интервалах длин волн (селективный спектр излучения). Твердые тела излучают и поглощают энергию поверхностью, а газы - объемом.

Излучаемая в единицу времени энергия в узком интервале изменения длин волн (от λ до λ+dλ) называется потоком монохроматического излучения Qλ. Поток излучения, соответствующий всему спектру в пределах от 0 до ∞, называется интегральным, или полным, лучистым потоком Q(Вт). Интегральный лучистый поток, излучаемый с единицы поверхности тела по всем направлениям полусферического пространства, называется плотностью интегрального излучения (Вт/м 2).

Чтобы понять эту формулу рассмотрим изображение.

Я не случайно изобразил два варианта тела. Формула справедлива только для тела квадратной формы. Так как излучающая площадь должна быть плоской. При условии, что излучает только поверхность тела. Внутренние частицы не излучают.

Q - энергия (Вт), излучаемая лучами со всей площади.

Зная плотность излучения материала, можно рассчитать, сколько энергии уходит на излучение:

Необходимо понимать, что лучи исходящие от плоскости имеют разную интенсивность излучения по отношению к нормали плоскости.

Закон Ламберта. Излучаемая телом лучистая энергия распространяется в пространстве по различным направлениям с различной интенсивностью. Закон, устанавливающий зависимость интенсивности излучения от направления, называется законом Ламберта.

Закон Ламберта устанавливает, что количество лучистой энергии, излучаемое элементом поверхности в направлении другого элемента, пропорционально произведению количества энергии, излучаемой по нормали, на величину пространственного угла, составленного направлением излучения с нормалью

Интенсивность каждого лучика можно найти с помощью тригонометрической функции:

То есть - это своего рода коэффициент угла и он строго подчиняется тригонометрии угла. Коэффициент работает только для черного тела. Так как рядом находящиеся частички будут поглощать боковые лучи. Для серого тела, необходимо учитывать количество проходящих в сквозь частички лучей. Отражение лучей, тоже необходимо учитывать.

Следовательно, наибольшее количество лучистой энергии излучается в перпендикулярном направлении к поверхности излучения. Закон Ламберта полностью справедлив для абсолютно черного тела и для тел, обладающих диффузным излучением при температуре°С. Для полированных поверхностей закон Ламберта неприменим. Для них лучеиспускание при угле будет большим, чем в направлении, нормальном к поверхности.

Немного об определениях. Определения пригодятся, чтобы правильно выражаться.

Отметим, что большинство твердых и жидких тел имеет сплошной (непрерывный) спектр излучения. Это значит, что они обладают способностью излучать лучи всех длин волн.

Лучистым потоком (или потоком излучения) называют отношение лучистой энергии ко времени излучения, Вт:

где Q- энергия излучения, Дж; т - время, с.

Если лучистый поток, излучаемый произвольной поверхностью во всех направлениях (т.е. в пределах полусферы произвольного радиуса) осуществляется в узком интервале длин волн от λ до λ+Δλ, то его называют потоком монохроматического излучения

Суммарное излучение с поверхности тела по всем длинам волн спектра называется интегральным или полным потоком излучения Ф

Интегральный поток, испускаемый с единицы поверхности, носит название поверхностной плотности потока интегрального излучения или излучательности, Вт/м 2 ,

Формулу можно применять и при монохроматическом излучении. Если на поверхность тела падает тепловое монохроматическое излучение, то в общем случае часть, равная В λ этого излучения, поглотится телом, т.е. превратится в другую форму энергии в результате взаимодействия с веществом, часть F λ будет отражена, и часть D λ пройдет сквозь тело. Если принять, что падающее на тело излучение равно единице, то

где В λ , F λ , D λ - коэффициенты соответственно поглощения, отражения

и пропускания тела.

Когда в пределах спектра величины В, F, D остаются постоянными, т.е. не зависят от длины волны, то надобность в индексах отпадает. В этом случае

Если В= 1 (F = D = 0), то тело, полностью поглощающее все падающее на него излучение независимо от длины волны, направления падения и состояния поляризации излучения, называется черным телом или полным излучателем.

Если F=1 (В=D=0), то падающее на тело излучение полностью отражается. В том случае, когда поверхность тела шероховатая, то лучи отражаются рассеянно (диффузное отражение), и тело называют белым, а когда поверхность тела гладкая и отражение следует законам геометрической оптики, то тело (поверхность) называют зеркальным. В том случае, когда D = 1 (В=F=0), тело проницаемо для тепловых лучей (диатермично).

Твердые тела и жидкости для тепловых лучей практически непрозрачны (D = 0), т.е. атермичны. Для таких тел

Абсолютно черных, так же как и прозрачных или белых тел, в природе нет. Такие тела должны рассматриваться как научные абстракции. Но все же некоторые реальные тела могут достаточно близко подходить по своим свойствам к таким идеализированным телам.

Надо отметить, что некоторые тела обладают по отношению к лучам определенной длины волны одними свойствами, а к лучам другой длины - иными. Например, тело может быть прозрачным для инфракрасных лучей и непрозрачным для видимых (световых) лучей. Поверхность тела может быть гладкой по отношению к лучам одной длины волны и шероховатой - для лучей другой длины волны.

Газы, в особенности находящиеся под небольшим давлением, в противоположность твердым и жидким телам излучают линейчатый спектр. Таким образом, газы поглощают и излучают лучи лишь определенной длины волны, других же лучей они не могут ни излучать, ни поглощать. В этом случае говорят о селективном (выборочном) поглощении и излучении.

В теории теплового излучения важную роль играет величина, называемая спектральной плотностью потока излучения, или спектральной излучательностью, представляющей собой отношение плотности лучистого потока, испускаемого в бесконечно малом интервале длин волн от λ до λ+Δλ, к размеру этого интервала длин волн Δλ, Вт/м 2 ,

где E - поверхностная плотность лучистого потока, Вт/м 2 .

Почему нет такого справочника по материалам? Потому что теплопотери тепловым излучением очень маленькие, и я думаю вряд ли превышают 10% в наших бытовых условиях. Поэтому в расчет теплопотерь их не закладывают. Вот когда мы будем часто летать в космос, тогда и появятся все расчеты. Вернее в нашей космонавтике накопились данные по материалам, но в свободной доступности их пока нет.

Закон поглощения лучистой энергии

Если на какое-либо тело толщиной l, падает лучистый поток (смотри рисунок), то в общем случае при прохождении сквозь тело он уменьшается. Принимают, что относительное изменение лучистого потока на пути Δl прямо пропорционально пути потока:

Коэффициент пропорциональности b называется показателем погло-щения, зависящим в общем случае от физических свойств тела и длины волны.

Интегрируя в пределах от l до 0 и принимая b постоянным, получаем

Установим связь между спектральным коэффициентом поглощения тела В λ и спектральным показателем поглощения вещества b λ .

Из определения спектрального коэффициента поглощения В λ имеем

После подстановки в это уравнение значения получим соотношение между спектральным коэффициентом поглощения В λ и спектральным показателем поглощения B λ .

Коэффициент поглощения В λ равен нулю при l 1 = 0 и b λ = 0. При большом значении bλ достаточно весьма малого значения l, но все же не равного нулю, чтобы значение В λ было как угодно близко к единице. В этом случае можно говорить, что поглощение происходит в тонком поверхностном слое вещества. Только в этом понимании возможно говорить о поверхностном поглощении. Для большинства твердых тел благодаря большому значению показателя поглощения b λ имеет место в ука-занном смысле «поверхностное поглощение», в связи с чем на коэффициент поглощения большое влияние оказывает состояние его поверхности.

Тела, хотя и с малым значением показателя поглощения, как, например, газы, могут при их достаточной толщине обладать большим коэффициентом поглощения, т.е. делаются непрозрачными для лучей данной длины волны.

Если b λ =0 для интервала Δλ, а для остальных длин волн b λ не равно нулю, то тело будет поглощать падающее излучение только определен-ных длин волн. В этом случае, как было указано выше, говорят о селективном (выборочном) коэффициенте поглощения.

Подчеркнем принципиальную разницу между показателем поглоще-ния вещества b λ и коэффициентом поглощения В λ тела. Первый характе-ризует физические свойства вещества по отношению к лучам определенной длины волны. Значение В λ зависит не только от физических свойств вещества, из которого состоит тело, но и от формы, размеров и состояния поверхности тела.

Законы излучения лучистой энергии

Макс Планк теоретически на основе электромагнитной теории установил закон (носящий название закона Планка), выражающий зависимость спектральной излучательности черного тела Е 0λ от длины волны λ и температуры Т.

где E 0λ (λ,T) - излучательность черного тела, Вт/м 2 ; T - термодинамическая температура, K; C 1 и C 2 - постоянные; С 1 =2πhc 2 =(3,74150±0,0003) 10-16 Вт м 2 ; С 2 =hc/k=(1,438790±0,00019) 10 -2 ; м K (здесь h=(6,626176±0,000036) Дж с - постоянная Планка; с=(±1,2) м/с - скорость распространения электромагнитных волн в свободном пространстве: k - постоянная Больцмана.)

Из закона Планка следует, что спектральная излучательность может равняться нулю при термодинамической температуре, равной нулю (Т=0), либо при длине волны λ = 0 и λ→∞ (при Т≠0).

Следовательно, черное тело излучает при любой температуре больше 0 К. (Т > 0) лучи всех длин волн, т.е. имеет сплошной (непрерывный) спектр излучения.

Из выше указанной формулы можно получить расчетное выражение для излучательности черного тела:

Интегрируя в пределах изменения λ от 0 до ∞ получаем

В результате разложения подынтегрального выражения в ряд и его интегрирования получают расчетное выражение для излучательности черного тела, называемое законом Стефана-Больцмана:

где Е 0 - излучательность черного тела, Вт/м 2 ;

σ - постоянная Стефана Больцмана, Вт/(м 2 К 4);

σ = (5,67032 ± 0,00071) 10 -8 ;

Т- термодинамическая температура, К.

Формулу часто записывают в более удобной для расчета форме:

где E 0 - коэффициент излучения черного тела; С 0 = 5,67 Вт/(м 2 К 4).

Закон Стефана-Больцмана формулируют так: излучательность чер-ного тела прямо пропорциональна его термодинамической температуре в четвертой степени.

Спектральное распределение излучения черного тела при различных температурах

λ - длина волны от 0 до 10 мкм (нм)

E 0λ - следует понимать так: Как если бы в объеме (м 3) черного тела находиться определенное количество энергии (Вт). Это не означает, что оно излучает такую энергию только наружными частичками. Просто если собрать все частички черного тела в объеме и измерить каждой частички излучаетельность во всех направлениях и сложить их все, то мы получим полную энергию на объеме, которая и указана на графике.

Как видно из расположения изотерм, каждая из них имеет максимум, причем, чем больше термодинамическая температура, тем больше значение E0λ, отвечающее максимуму, а сама точка максимума перемещается в область более коротких волн. Перемещение максимальной спектральной излучательности E0λmax в область более коротких волн известно под названием

закона смещения Вина, по которому

T λ max = 2,88 10 -3 м К = const и λ max = 2,88 10 -3 /Т,

где λ max - длина волны, соответствующая максимальному значению спектральной излучаетльности E 0λmax .

Так, например, при Т = 6000 К (примерная температура поверхности Солнца) максимум Е 0λ располагается в области видимого излучения, на которую падает около 50% излучательности Солнца.

Элементарная площадка под изотермой, заштрихованная на графике равна Е 0λ Δλ. Ясно, что сумма этих площадок, т.е. интеграл представляет собой излучательность черного тела E 0 . Следовательно, площадь между изотермой и осью абсцисс изображает в условном масштабе диаграммы излучательность черного тела. При небольших значениях термодинамической температуры изотермы проходят в непосредственной близости к оси абсцисс, и указанная площадь становится столь малой, что практически ее можно считать равной нулю.

Большую роль в технике играют понятия о так называемых серых телах и сером излучении. Серым называется неселективный тепловой излучатель, способный излучать сплошной спектр, со спектральной излучательностыо E λ для волн всех длин и при всех температурах, составляющей неизменную долю от спектральной излучательности черного тела Е 0λ т.е.

Постоянная ε называется коэффициентом черноты теплового излучателя. Для серых тел коэффициент черноты ε E - Излучательность, Вт;

B - Коэффициент поглощения;

F - Коэффициент отражения;

D - Коэффициент пропускания;

T - Температура К.

Можно положить, что все лучи, посылаемые одним телом, полностью попадают на другое. Примем, что коэффициенты пропускания этих тел D 1 = D 2 = 0 и между поверхностями двух плоскостей находится теплопрозрачная (диатермическая) среда. Обозначим через E 1 , B 1 , F 1 , T 1 , и E 2 , B 2 , F 2 , T 2 соответственно излучательности, коэффициенты поглощения, отражения и температуры пов ерхностей первого и второго тел.

Поток лучистой энергии от поверхности 1 к поверхности 2 равен произведению излучательности поверхности 1 на ее площадь А, т.е. Е 1 А, из которого часть Е 1 В 2 А поглощается поверхностью 2, а часть Е 1 F 2 А отражается обратно на поверхность 1. Из этого отраженного потока Е 1 F 2 А поверхность 1 поглощает E 1 F 2 B 1 A и отражает E 1 F 1 F 2 A. ИЗ отраженного потока энергии E 1 F 1 F 2 A поверхность 2 вновь поглотит E 1 F 1 F 2 B 2 A и отразит E 1 F 1 F 2 A и т.д.

Аналогично происходит передача лучистой энергии потоком Е 2 от поверхности 2 к поверхности 1. В итоге поток лучистой энергии, поглощенный поверхностью 2 (или отданный поверхностью 1),

Поток лучистой энергии, поглощенной поверхностью 1 (или отданной поверхностью 2),

В окончательном итоге поток лучистой энергии, переданной поверхностью 1 к поверхности 2, будет равен разности лучистых потоков Ф 1→2 и Ф 2→1 т.е.

Полученное выражение справедливо при всех значениях температур Т 1 и Т 2 и, в частности, при Т 1 = Т 2 . В последнем случае рассматриваемая система находится в динамическом тепловом равновесии, и на основании второго начала термодинамики необходимо положить Ф 1→2 = Ф 2→1 откуда следует

Полученное равенство носит название закона Кирхгофа: отношение излучательности тела к его коэффициенту поглощения для всех серых тел, находящихся при одной и той же температуре, одинаково и равно излучательности черного тела при той же температуре.

Если какое-либо тело имеет малый коэффициент поглощения, как например, хорошо полированный металл, то это тело имеет и малую излучательность. На этом основании для уменьшения потерь теплоты излучением во внешнюю среду теплоотдающие поверхности покрывают листами полированного металла для тепловой изоляции.

При выводе закона Кирхгофа рассматривалось серое излучение. Вывод останется справедливым и в том случае, если тепловое излучение обоих тел рассматривается только в некоторой части спектра, но однако имеет одинаковый характер, т.е. оба тела испускают лучи, длины волн которых лежат в одной и той же произвольной спектральной области. В предельном случае приходим к случаю монохроматического излучения. Тогда

т.е. для монохроматического излучения закон Кирхгофа должен быть сформулирован так: отношение спектральной излучательности какого-либо тела при определенной длине волны к его коэффициенту поглощения при той же длине волны одинаково для всех тел, находящихся при одинаковых температурах, и равно спектральной излучательности черного тела при той же длине волны и той же температуре.

Заключаем, что для серого тела В = ε, т.е. понятия «коэффициент поглощения» В и «коэффициент черноты» ε для серого тела совпадают. По определению коэффициент черноты не зависит ни от температуры, ни от длины волны, а следовательно, и коэффи-циент поглощения серого тела также не зависит ни от длины волны, ни от температуры.

Излучение газов существенно отличается от излучения твердых тел. Поглощение и излучение газов - селективное (выборочное). Газы поглощают и излучают лучистую энергию только в определенных, довольно узких интервалах Δλ длин волн - так называемых полосах. В остальной части спектра газы не излучают и не поглощают лучистой энергии.

Двухатомные газы обладают ничтожно малой способностью поглощать лучистую энергию, а следовательно, и малой способностью ее излучать. Поэтому эти газы обычно считают диатермичными. В отличие от двухатомных газов многоатомные, в том числе и трехатомные газы, обладают значительной способностью излучать и поглощать лучистую энергию. Из трехатомных газов в области теплотехнических расчетов наибольший практический интерес представляют углекислый газ (CO 2) и водяной пар (H 2 O), имеющие по три полосы излучения.

В отличие от твердых тел показатель поглощения для газов (конечно, в области полос поглощения) мал. Поэтому для газообразных тел уже нельзя говорить о «поверхностном» поглощении, так как поглощение лучистой энергии происходит в конечном объеме газа. В этом смысле поглощение и излучение газов называются объемными. Кроме того, показатель поглощения b λ для газов зависит от температуры.

По закону поглощения спектральный коэффициент поглощения тела может быть определен по:

Для газообразных тел эта зависимость несколько усложняется тем, что на коэффициент поглощения газа влияет его давление. Последнее объясняется тем, что поглощение (излучение) протекает тем интенсивнее, чем большее число молекул встретит луч на своем пути, а объемное число молекул (отношение числа молекул к объему) прямо пропорционально давлению (при t = const).

В технических расчетах газового излучения, обычно поглощающие газы (CO 2 и H 2 O) входят как компоненты в состав смеси газов. Если давление смеси p, а парциальное давление поглощающего (или излучающего) газа р i , то в необходимо вместо l подставить величину р i 1. Величина р i 1, представляющая собой произведение давления газа на его толщину, носит название эффективной толщины слоя. Таким образом, для газов спектральный коэффициент поглощения

Спектральный коэффициент поглощения газа (в пространстве) зависит от физических свойств газа, формы пространства, его размеров и температуры газа. Тогда в соответствии с законом Кирхгофа спектральная излучательность

Излучательность в пределах одной полосы спектра

По этой формуле определяют излучательность газа в свободное пространство (пустоту). (Свободное пространство можно рассматривать как черное пространство при 0 К.) Но газовое пространство всегда ограничено поверхностью твердого тела, в общем случае имеющей температуру Т ст ≠ Т г и коэффициент черноты ε ст