1 Тепловое излучение, его закономерности. Люминесценция, виды,

1 Тепловое излучение, его закономерности. Люминесценция, виды, характеристики. Вынужденные излучения. Лекция

2 Связь с последующей деятельностью Изучение курса «Биофизика» : 1. Биотермодинамика 2. Биофизика терморегуляции Практическое применение: 1. Физиотерапия. 2. Исследование тепловых полей. 3. Люминесцентные методы исследования 4. Методы воздействия лазерным излучением

3 Тепловое излучение, его закономерности Нагретое тело – источник электромагнитных волн 0 T Kf

4 Свойства и характеристики теплового излучения 1. Динамическое равновесие W поглощенная W излученнаяяпоглощеннаизлученная. WW

52. Излучаются ЭМВ всех частот (длин волн) – сплошной спектр излучения ν 0 СДВ РВ ИК УФ Х γ λ 0 λ νc

63. Энергия, излучаемая с единицы поверхности нагретого тела за единицу времени – плотность потока излучения ( энергетическая светимость): R d. W R dt d. S 22 м. Вт мс Дж R dtd. SRd. W dtd. SRW t. SRW const. Rt. Sf. R,

74. Энергия, излучаемая единицей поверхности нагретого тела за единицу времени в единичном интервале длин волн – λ 0 λd λспектральная лучеиспускательная способность:

8, (λ, ) λ λ T d. W d. R r r T dt d. S d d 32, м Вт ммс Дж r T dd. R r T, drd. R T, 0 , drd. RR T

95. Энергетический состав спектра излучения нагретого тела – распределение спектральной лучеиспускательной способности по длинам волн λTr,

106. Спектр излучения ограничен колообразной кривой Tr , d d. Sdrd. R T ,

11 Tr , , 0 λ TR d. R r d S maxλ

127. Максимуму кривой соответствует определенная длина волны, зависящая от температуры тела 8. Площадь под кривой численно равна энергетической светимости и зависит от температуры тела

139. Спектральная лучепоглощательная способность), (, Ta d. W a падающая япоглощенна T 1 , Ta

1410. Закон Кирхгофа для теплового излучения , , , 1 2 , T T Ti r r r f T a a a Tf , — универсальная функция Кирхгофа 0 , , d. Tfadr. R TT

15 Абсолютно черное тело (АЧТ)падающаяяпоглощеннаd. W 1 , падающая япоглощенна T d. W a Taa T, ,

16 Модель АЧТ

17 , , , ε λ, 1 T T TАЧТ r f T a Закон Кирхгофа для теплового излучения АЧТ: Tf. T, , T, — спектральная энергетическая светимость АЧТ Энергетическая светимость АЧТ: 00 , , d. Tfd. R T

18 Эмпирические законы излучения АЧТ: T, 1 T 1 m 2 m 12 TT m T 1, m T 2,

191. Закон Стефана – Больцмана: 4 TR 42 8 1067, 5 Км Вт 2. Первый закон ( смещения ) Вина: T b m Кмb 3 1090, 2 3. Второй закон Вина: 5 , TC m T 53 5 1030, 1 Км Вт

20? , , TTf, , 4 0 , Td. Tf. R T b m 5 , TC m T

21 Классическая электродинамика:

22 T, численно. TSd. R 0 ,

23 Квантовая гипотеза Планка hс. Джh 34 1063, 6 с. Дж h 34 1005,

24 1 exp 12 , 5 2 , k. T hc hc Tf. T 44 32 45 015 2 , TT hc k d. Tf. R m TT, , 0 , , d d d Tdf. T T bm 5 , TCm T

25 Планк: рождение фотона (кванта)

26 Эйнштейн: распространение фотона = Эйнштейн: взаимодействие фотона с веществом = Фотон – частица электромагнитного поля

27 Характеристики фотонов Энергия фотона: h c h с. Джh 34 1063, 6 с. Дж h 341005, 1 2 смc/103 8 2 mc 0 2 λv 1 c m h m c Масса движущегося фотона: Масса покоя фотона: 0 0 m

28 Импульс фотона: mcp c h 2 mc h mcp

29 Взаимодействие фотона с веществом – фотоэффект Фотоионизация – взаимодействие с молекулами газа Внешний фотоэффект : взаимодействие фотона с телом (твердым или жидким) Внутренний фотоэффект Вентильный фотоэффект

30 Закономерности внешнего фотоэффекта: 1. Под действием излучения тело теряет отрицательный заряд (электроны) 2. Скорость потери заряда зависит от светового потока, падающего на облучаемую поверхность dq d. W dt dt : 3. Эффект наблюдается только при определенном спектральном составе излучения 4. Внешний фотоэффект безынерционен

31 Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта (закон сохранения энергии для электрона, наименее связанного с облучаемым веществом): maxε ν λ вых c h h A K Энергия падающего фотона. Пункты 3 и 4 невозможно объяснить волновой природой света

32 А вых – работа выхода электрона из данного вещества Минимальная энергия связи электрона с веществомmaxε ν λ вых c h h A K Соответственно, K max – максимально возможная кинетическая энергия фотоэлектрона для данного фотона

33 Общие выводы: 1. Излучение нагретых тел и фотоэффект невозможно объяснить волновыми свойствами света (излучения) 2. Объяснение возможно только с помощью квантовой модели света (излучения) 3. Свету (электромагнитному полю) присуща двойственность свойств – корпускулярно-волновой дуализм

34 До: 1 p После: ν 1 1 1 λ ε ν λ h p c h h 2 p ep ν 2 2 2 λ ε ν λ h p c h h Эффект Комптона

35 eppp 21 Закон сохранения импульса: Закон сохранения энергии: e. K

361 p e p 2 p eppp 21 cos 221 2 2 2 1 2 pppppe cos 1 0 12 cm h

37 Люминесценция, ее виды и характеристики Люминесценция — излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела и продолжающееся в течение времени, значительно превышающего период световых колебаний Вещества, способные превращать поглощаемую ими энергию в люминесцентное свечение, называют люминофорами

38 По виду возбуждения различают следующие типы люминесценции: • фотолюминесценция — возникает при возбуждении атомов светом (ультрафиолетовые лучи и коротковолновая часть видимого света); • рентгенолюминесценция — возникает при возбуждении атомов рентгеновским и γ -излучением (экраны рентгеновских аппаратов, индикаторы радиации);

39 • катодолюминесценция — возникает при возбуждении атомов электронами (кинескопы, экраны осциллографов, мониторов); • радиолюминесценция — возникает при возбуждении атомов продуктами радиоактивного распада; • электролюминесценция — возникает при возбуждении атомов под действием электрического поля (возбуждение молекул газа электрическим разрядом- газоразрядные лампы);

40 • хемилюминесценция — возникает при возбуждении молекул в процессе химических реакций; • биолюминесценция — возникает в биологических объектах в результате определенных биохимических реакций; • сонолюминесценция — возникает под действием ультразвука.

41 Механизм люминесценции: ОУ νh ВУ

42 Виды люминесценции: 1. резонансная: ОУν ν ВУ

432. стоксова: ОУν ν p ВУ Мс. Убезызлучательный переход

443. антистоксова: ОУν ν f ВУМс. У безызлучательный переход

45 Поглощающая способность вещества характеризуется спектром поглощения λd. W dtd. Sd Спектр поглощения

46 Волны, при поглощении которых возникает люминесценция, образуют полосу возбуждения λd. W dtd. Sd Спектр поглощения Полоса возбуждения

47 Распределение интенсивности люминесцентного излучения по длинам испускаемых волн называется спектром люминесценции d. W dtd. Sd

48λd. W dtd. Sd Спектр поглощения Полоса возбуждения d. W dtd. Sd Спектр люминесценции

49 Спектр люминесценции сдвинут в длинноволновую область относительно спектра поглощения того же соединения. Правило Стокса: Вывод: Явление люминесценции объясняется квантовой моделью поглощения и излучения света.

50 Люминесцентный анализ — совокупность методов для определения природы и состава вещества по спектру его люминесценции: • Качественный анализ — определение наличия (или отсутствия) каких-либо веществ (молекул) по форме спектра люминесценции. • Количественный анализ — определение количества вещества по интенсивности спектра люминесценции (можно обнаружить массу вещества m = 10 -10 г).

51 Возбужденное состояние Основное состояние. Поглощение света Самопроизвольное излучение света 1 E 2 E 2 1 εE E 2 1ε

52 Закон Бугера — Ламберта 0 kl I I e I – интенсивность света, прошедшего слой среды толщиной l ; I 0 – интенсивность света, входящего в среду; k – натуральный показатель поглощения среды. λ 1 2 αk N N N 1 – количество невозбужденных состояний; N 2 – количество возбужденных состояний; α λ > 0 – коэффициент пропорциональности.

53 Большинство сред 0 I I

54 N 1 > N 2 k > 0 I I 0 l

55 Динамическое равновесие теплового излучения W поглощенная W излученнаяяпоглощеннаизлученная. WW

56 Поглощение Самопроизвольное излучение Свойства атома. Свойства излучения Вынужденное излучение

57 Возбужденное состояние Основное состояние. Вынужденное излучение Фотон 2 – близнец фотону 1 Фотоны 1 и 2 идентичны по: направлению распространения; частоте (длине волны); поляризации

58 Среда с инверсной заселенностью уровней 0 I I

59 N 1 < N 2 k < 0 I I 0 l

60 Внешний источник излучения Рубиновый лазер (ОКГ)2 3 Al O 3 Cr

61 Схема энергетических уровней Cr 3+ Мс. У ОСЗ о н ы в о з б у ж д е н н ы х с о с т о я н и йλ = 560 нм Безызлучательный переход λ = 694, 3 нм

62 З З З Пп. З

63 Общие выводы 1. Помимо процессов поглощения и самопроизвольного излучения света существует процесс вынужденного излучения 2. В процессе вынужденного излучения рождается фотон-клон 3. Процесс размножения клонов – лавинообразный