Лекции по физике. Оптика. Элементы квантовой механики (1022105), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

(2)

Эту величину называют также спектральной плотностью энергетической светимости тела.

Энергетическая светимость связана с испускательной способностью формулой

(3)

Поглощательная способность тела _,T - число, показывающее, какая доля энергии излучения, падающего на поверхность тела, поглощается им в диапазоне длин волн от  до +d, т.е.

. (4)

Тело, для которого _,T = 1 во всем диапазоне длин волн, называется абсолютно черным телом (АЧТ).

Тело, для которого _,T=const<1 во всем диапазоне длин волн называют серым.

7.3. Закон Кирхгофа

Отношение испускательной способности тела r_,Т к его поглощательной способности _,T не зависит от природы тела и является для всех тел универсальной функцией длины волны и температуры, равной испускательной способности АЧТ, т.е.

. (5)

Отсюда следует, что тело, которое сильнее поглощает какие-либо лучи, будет сильнее эти лучи и испускать.

7.4. Распределение энергии в спектре абсолютно черного тела

Абсолютно черных тел в природе не существует. Его функции может выполнять малое отверстие в почти замкнутой полости (см. рис. 1). Излучение, прошедшее внутрь этого отверстия, прежде чем выйти обратно из отверстия претерпевает многократные отражения и практически полностью поглощается. Поэтому поглощательная способность для него _,T = 1 и по закону Кирхгофа (5) испускательная способность r_,Т такого устройства очень близка к испускательной способности АЧТ .

Таким образом, если стенки полости поддерживать при некоторой температуре Т, то из отверстия выйдет излучение, весьма близкое к излучению AЧТ.

Разлагая полученное излучение в спектр с помощью дифракционной решетки и измеряя интенсивность разных участков спектра, можно найти экспериментально вид функции от  (рис. 2). Площадь, охватываемая кривой, дает энергетическую светимость АЧТ [см. формулу (3)]. Из рис. 2 следует, что энергетическая светимость АЧТ сильно возрастает с ростом температуры, а длина волны, соответствующая максимуму испускательной способности АЧТ, с ростом температуры сдвигается в сторону более коротких волн.

7.5. Закон Стефана-Больцмана

Энергетическая светимость АЧТ пропорциональна четвертой степени термодинамической температуры

, (6)

где =5.6710^-8 Вт/(м²К⁴) – постоянная Стефана-Больцмана.

7.6. Закон смещения Вина

Длина волны, соответствующая максимальному значению испускательной способности АЧТ, с ростом температуры смещается в сторону меньших длин волн:

, (7)

где b=2.910^-3 мК – постоянная Вина.

7.7. Формула Релея-Джинса. Гипотеза Планка. Формула Планка

Релей и Джинс, исходя из классической теории о равном распределении энергии по степеням свободы, и представляя тело как набор осцилляторов, получили следующую формулу для испускательной способности АЧТ

, (8)

где k–постоянная Больцмана, kT–энергия колебаний осцилляторов на длине волны .

Формула (8) удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными лишь при больших длинах волн (см. рис. 2, штриховую кривую) и резко расходится с опытом для малых длин волн: при  0. Этот результат, получивший название ультрафиолетовой катастрофы, находится в противоречии с опытом.

Устранить противоречие удалось Планку. В 1900 г. он показал, что выражение для , согласующееся с опытом, может быть получено, если предположить, что излучение испускается не непрерывно, а в виде отдельных порций. Энергия такой порции – кванта излучения, пропорциональна частоте излучения v (v=c/).

 =hv, (9)

где h=6.610^-34 Джс – постоянная Планка.

В результате получилось, что средняя энергия колебаний осцилляторов на частоте v не равна  =kT как в классической статистической физике, а

< > =hv/[exp(hv/kT)-1]. (10)

Исходя из этого предположения, Планк получил формулу для испускательной способности АЧТ

. (11)

Выражение (11) носит название формулы Планка, она согласуется с экспериментом.

Из нее следует закон Стефана-Больцмана

. (12)

Для получения закона смещения Вина необходимо исследовать (11) на максимум. Для этого следует взять производную d /d и приравнять нулю, тогда получим

, где .

7.8. Оптическая пирометрия

Оптической пирометрией называют совокупность оптических (бесконтактных) методов измерения температуры. При этом используются законы теплового излучения.

Лекция 8. Квантовые свойства электромагнитного излучения

1. Фотоны, энергия, масса и импульс фотона

Чтобы объяснить распределение энергии в спектре теплового излучения Планк допустил, что электромагнитные волны испускаются порциями (квантами). Эйнштейн в 1905 г. пришел к выводу, что излучение не только испускается, но и распространяется и поглощается в виде квантов. Этот вывод позволил объяснить все экспериментальные факты (фотоэффект, эффект Комптона, и др.), которые не могла объяснить классическая электродинамика, исходившая из волновых представлений о свойствах излучения.

Таким образом, распространение света следует рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных частиц, движущихся со скоростью с распространения света в вакууме. Впоследствии (в 1926г.) эти частицы получили название фотонов. Фотоны обладают всеми свойствами частицы (корпускулы).

1. Энергия фотона

=hv= , (1)

где h=6.610^-34 Джс – постоянная Планка, =h/2=1.05510^-34 Джс также постоянная Планка, =2v - круговая частота.

В механике есть имеющая размерность "энергиявремя" величина, которая называется действием. Потому постоянную Планка иногда называют квантом действия. Размерность , совпадает, например, с размерностью момента импульса (L=r mv).

Как следует из (1) энергия фотона увеличивается с ростом частоты (или с уменьшением длины волны), и, например, фотон фиолетового света (=0.38мкм) имеет большую энергию, чем фотон красного света (=0.77 мкм).

2. Масса фотона.

Фотон – безмассовая частица, т.е. для него

. (2)

3.Импульс фотона.

Для любой релятивиской частицы энергия ее Поскольку у фотона m=0, то импульс фотона

, (3)

т.е. длина волны обратно пропорциональна импульсу.

8.2. Давление света

Пусть на прощадку dS падает и поглощается свет. За время dt на площадку dS попадут все фотоны находящиеся в объеме dV=cdtdS. Их число N=ndV =n cdtdS, где n – oбъемная плотность фотонов (число фотонов в единице объема). Эти фотоны передадут площадке импульс dР=pN=(hv/c) n cdtdS и создадут давление

Па, (5)

где w – объемная плотность падающей электромагнитной энергии, измеряется в Дж/м³ (Дж/м³=Нм/м³=Н/м²=Па).

При полном отражении света давление удваивается Р=2w, при отражении с коэффициентом ρ P =(1+ )w. (6)

8.3.Внешний фотоэффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта

И спускание электронов веществом под действием света называется внешним фотоэффектом. А.Г. Столетов (1988 г.) экспериментально исследовал фотоэффект. Схема опыта представлена на рис. 1. Плоский конденсатор, одной из пластин которого служила медная сетка С, а в качестве второй цинковая пластина К, был включен через гальванометр G в цепь аккумуляторной батареи. Напряжение между пластинами измерялось вольтметром. При освещении отрицательно заряженной пластины К светом, в цепи возникал электрический ток, называемый фототоком.

На рис. 2. приведены зависимости фототока I от напряжения U между электродами при различных интенсивностях света (энергетической освещенности E).

Столетов установил следующие закономерности внешнего фотоэффекта:

1. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности.

2. Для каждого вещества (катода) существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота v₀, при которой еще возможен фотоэффект.

3. Фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности Е катода.

Первые два закона не удается объяснить на основе классической теории, согласно которой вырывание электронов из катода является результатом их «раскачивания» электромагнитной волной, которое должно усиливаться при увеличении интенсивности света.

Внешний фотоэффект хорошо объясняется квантовой теорией. Согласно этой теории, электрон получает сразу целиком всю энергию фотона =hv, которая расходуется на совершение работы выхода электрона из вещества (катода) и на сообщение электрону кинетической энергии:

. (7)

Это уравнение называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Из (7) следуют все законы Столетова. В частности, максимальная начальная скорость электронов определяется из соотношения , т.е зависит только от частоты v и материала катода (А_ВЫХ).

Красная граница v₀ соответствует v_max=0

hv₀=A_ВЫХ, v₀=A_ВЫХ/h. (8)

Характеристики

Список файлов лекций