Я.Б. Зельдович, Ю.П. Райзер - Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений (1161617), страница 57
Текст из файла (страница 57)
гл. Ч) можно найти и коэффициент поглощения света в нагретом газе. Коэффициенты поглощении иногда измеряют и непосредственно, *) Указаввые оптические методы, з которых используется свет от лосторонвего источввка, обычно применяются ярв ве слишком высоких температурах, когда собственное свечение нагретого газа мало. методы измеРении РАзличных величин 2тт по ослаблению пучка света от постороннего источника при прохожденил через гаа. 5.
Измерение температуры. Для измерении высоких температур чаще всего применяют оптические методы, Литература по методам оптической пирометрии огромна. Рекомендуем, в частности, сборник переводов (15); см. также обаор [з6!. 6. Измерение концентрации злектроное и злектропроводности. Для измерения степени ионвзации газа и концентрации электровоз в ударной волне часто пользуются методом аондов Лэнгмюра, который обычно применяется при изучении газовых разрядов. Применяется также метод поглощения и отражения микрорадиоволн. Измеряется концентрация электронов и по свечению гааа (например, интенсивность рекомбинационного свечения пропорциональна нвадрату концентрации электронов).
Применяются магнитные методы, в частности, основанные ва аффекте вытеснения движущейся плаамой внешнего магнитного поля; вытеснение зависит от электропроводности. Определив электропроводность, можно вычислить концентрацию электронов. 7. Измерение давления.
Давление чагце всего иамеряют при помощи пьезоэлектрических датчиков с чувствительным элементом иа титаната бария. 8. Измерение скорости фронта ударной волны. Проще всего измерять скорость, регистрируя тем илн иным методом моменты прохождения ударной волной определенных сечений в трубе, отстоящих друг от друга на известных расстояниях. Для регистрации пользуются пьезодатчиками давления, ионнаационными датчиками, различными электроковтактными датчиками и др.
Очень большие скорости, которые получаются в электромагнитных ударных трубках, обычно измеряют при помощи фотораавертки (см. и. 1). ГЛАВА У ПОГЛОЩЕНИЕ И ИСПУСКАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ В ГАЗАХ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ 3 1. Введение. Типы электронных переходов В главе 11 было покааано, что основной оптической характеристикой газа, которая определяет степень черноты нагретого тела, интенсивность и спектр свечения, энергетический баланс вещества в условных лучистого теплообмена, является козффнцнент поглощения света е).
Зная коэффициент поглощения, с помощью закона Кирхгофа, который слу»кит выражением общего принципа детального равновесия, можно найти и лучеиспускательную способность вещества. В $ 2 гл. 11 были даны краткий обзор и классификация рааличных механизмов поглощения и излучения. В соответствии с общей схемой возможных энергетических состояний атомной системы, простейшей из которых является система из одного протона и одного электрона, в свяаанном состоянии образующая атом водорода, все возможные электронные переходы, сопровождающие процессы поглощения и иалучения света, подразделялись на три типа.
Это: 1) свободно-свободные переходы (тормозное иалучение и поглощение света); 2) связанно-свободные переходы (фотоэлектрическое поглощение); 3) связанно-связанные (дискретные) переходы. Свободно-свободные н связанно-свободные переходы приводят к образованию непрерывного (сплоьчного) спектра поглощения и иолучения света. Связанно-связанные переходы в атомах дают линейчатые спектры.
В реаультате свяаанно-связанных переходов в молекулах образуются полосатые спектры. Полосатые спектры состоят из множества близко расположенных друг к другу по частоте спектральных линий. В некоторых условиях отдельные линии настолько тесно соприкасаются, что даже частично перекрываются и спектр получается почти непрерывным (квааинепрерывным). С точки зрения энергетической основной интерес представляют вепрерывные (кваапнепрерывные) спектры. Представим себе, например, тело, нагретое до постоянной температуры Т.
Если тело абсолютно черное, то с его поверхности выходит поток излучении с планковским распределением по спектру. Спектральный *) Напоминаем, что говоря о «спето», «световых квантах», «оптических» свойствах, мы имеем з виду излучение любых частот, а не только принадлежащих аидю«ой части спектра, ВВЕДЕНИЕ. ТНПЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ПЕРЕХОДОВ 213 поток Ю, как функция частоты т иэображен на рис. 5.1 пунктирной кривой. Площадь, ограниченная этой кривой, дает полное количество лучистой эпергии, испускаемой с 1 см» поверхности тела в 1 сек и равное ОТ«. Предположим теперь, что вещество, совершенно проврачное в непрерыввом спектре, поглощает и излучает только лкпейчатый спектр, причем в частотных линиях излучение находится в термодинамическом равиовесии с веществом.
Спектральный поток ивлучения с поверхности тела иаображается теперь системой отдельных узких линий, высота которых соответствует функции Планка, как покавано на рис. 5.1 сплошными кривыми. Полвое количество лучистой энергии, выходящей с 1 см» поверхности тела в 1 сек, численно равно заштрихованной площади этих линий, которая вследствие малой ширины линий горавдо меньше полного планковского потока ОТ«. Потери энергии тела на иэлуче- ! ние, а также яркость свечения поверхвости т в рассматриваемом случае гораздо меньше, чем если бы спектр был непрерывным. Точно так же во многих случаях линейчатые спектры играют неболыпую роль / / по сравнению с непрерывными и в переносе лучистой энергии внутри тела.
По- атому основное внимание в этой главе р"с' ~ ~' Спектр яспускшшя "«- гретого тела, совершенно прозрачбуд~~ уделяться ие лннейчаты рерывным и квазинепрерывиым молеку- пепроарачяого в лввивх. лярным спектрам. ПРи высоких темпеРатУРах, когда ~' ' '~ттсв„ср,,пттр молекулы диссоциироваиы и гав состоит из атомов, а при еще более высоких — ив ионов и электронов, сплошвой спектр поглощения и испускания возникает в результате связанно-свободных и свободно-свободных переходов. Вычисление вероятностей электронных переходов, с помощью которых можно найти коэффицвепты поглощения (и испускания) света в случае многоэлектроппьгх атомов (сложных атомных систем), представляет собой весьма трудную квантовомеханическую вадачу.
Она требует специального рассмотрения в каждом конкретном случае, для каждого атома или иона и даже для каждого квантового состояиия системы. Такие расчеты проделавы лишь для немногих частных случаев. Сравнительво просто и до конца вычисление удается провести лишь для простейшей, водородоподобной системы, т. е. для переходов единственного электрона в кулоновском поле положительного заряда Яе. Практически, даже при рассмотрении поглощения и испускания света в гавах, состоящих иэ сложных атомов или ионов, часто приходится польвоваться формулами, выведевкыми для водородоподобяых систем. Атом или ион при этом представляется в виде некоего «атомного остатка» с положительным точечвым эарядом Уе, в поле которого движется «оптический» электрон, переходящий при поглощении или испускании светового кванта из одного энергетического состоявия в другое.
Как будет показано ниже, в ряде практически важных случаев такое приближение окавывается до некоторой степени оправданным. При вычислении коэффициентов молекулярного поглощения обьгчно удается определить коэффициент как функцию частоты и температуры с точностью до некоторого множителя — силы осциллятора для данного 214 ПОГЛОЩЕНИЕ И ИСПУСКАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ В ГАЗАХ [ГЛ. Ч 1. НЕПРЕРЫВНЫЙ СПЕКТР в 2. Тормозное излучение электрона в кулоновском поле иона Как иавестио из классической электродинамики, свободный алек- трон, двигаясь во внешнем электрическом лоле, скажем, в кулоиовском поле иона с положительным зарядом 2е, иалучает свет. При этом ои теряет часть своей кинетической энергии, «тормозится», почему такое излучение и называется тормозным. Количество лучистой энергии О, испускаемой электроном в 1 сек, определяется его ускорением ги: (5.1) Полиое иалучение за все время пролета электрона мимо иона равно ивтегралу по времени от этого выражения: СО ЬЕ= ~ О" й1 = — — з ~ гсоей.
3 сз (5.2) Спектральный состав излучения можно вайти, раалагая вектор ускорения тл в интеграл Фурье и подставляя разложение в формулу (5.2). Получим при этом (5.3) о о где тее ~ ол (1) с-озлче А11 1 зя — компонента Фурье вектора ускорения лс (1). Величина 16яо ез -3 2ЛЧ З с (5.4) электронвото перехода, которую, как правило, находят из эксперимента. В последующих параграфах атой главы будут подробно рассмотрены рааличиые механизмы поглощения и испускания света в газах при высоких температурах и вычислены соответствующие коэффициенты поглощения. При этом мы будем интересоваться в основном физической стороной дела, не останавливаясь подробно на различных приближенных способах усоверв1енствования расчетных формул для коэффициентов ПОГЛОЩЕНИЯ.
Очень часто в поглощении и испускании света в газе при каждых данных условиях участвует целый ряд механизмов. Все они действуют независимо друГ от друга. Полные коэффициенты поглощения и лучеиспускательные способности в каждом спектральном участке складываются из величин, отвечающих различным механизмам. Поэтому последовательное и независимое рассмотрение отдельных механиамов представляется вполне естественным. В конце главы, в качестве наиболее важного с практической точки зрения примера такого совокупного действия многих механизмов, будут рассмотрены оптические свойства Нагретого воадуха.
тогмогное излучение В кулоновском полн нона 215 представляет собой количество лучистой анергии частоты у, испускаемой при пролете электрона мимо иона и приходящейся на единичный интервал частот а). По классической механике, в отсутствие потерь ввергни ва иалучение свободный алектрон (сумма кинетической и потенциальной энергий которого положительна) пролетает мимо иона по определенной гиперболической орбите, характеризуемой пргщельным расстоянием о, смысл которого ясен из рис. 5.2. Полное количество иалученной энергии и спект- 1 ! ральныи состав излучения можно приближенно вычислнть по формулам (5.2) — (5.4), взяв в качестве (+/ ! ускорения ег1 (1) величину, соответствующую движению электрона беа иалучения "е). ! 1 Пусть на ион пз бесконечностн падает параллель- УФ-/г ный пучок электронов, начальная скорость которых ) на бесконечности равна и и плотность )»'е постоянна (поток (электронов равен /)/еи).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
