1 Тепловое излучение. Законы излучения абсолютно черного

Скачать презентацию 1 Тепловое излучение.  Законы излучения абсолютно черного Скачать презентацию 1 Тепловое излучение. Законы излучения абсолютно черного

pz_13_lech.ppt

  • Размер: 1.5 Мб
  • Автор:
  • Количество слайдов: 78

Описание презентации 1 Тепловое излучение. Законы излучения абсолютно черного по слайдам

1 Тепловое излучение.  Законы излучения абсолютно черного тела. Квантовая теория света. Фотоны, их1 Тепловое излучение. Законы излучения абсолютно черного тела. Квантовая теория света. Фотоны, их свойства. Взаимодействие фотонов с веществом: когерентное рассеяние, фотоэффект, эффект Комптона. Люминесценция. Законы люминесценции. Вынужденное излучение. Принцип работы лазера. Рентгеновское излучение: тормозное и характеристическое излучения. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ

2 Тепловое излучение, его закономерности Нагретое тело – источник электромагнитных волн 0 T Kf2 Тепловое излучение, его закономерности Нагретое тело – источник электромагнитных волн 0 T Kf

3 Свойства и характеристики теплового излучения 1. Динамическое равновесие W поглощенная W излученнаяяпоглощеннаизлученная. WW3 Свойства и характеристики теплового излучения 1. Динамическое равновесие W поглощенная W излученнаяяпоглощеннаизлученная. WW

42. Излучаются ЭМВ всех частот (длин волн) – сплошной спектр излучения ν 0 СДВ42. Излучаются ЭМВ всех частот (длин волн) – сплошной спектр излучения ν 0 СДВ РВ ИК УФ Х γ λ 0 λ νc

53. Энергия, излучаемая с единицы поверхности  нагретого тела  за единицу времени –53. 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,

64. Энергия, излучаемая единицей поверхности  нагретого тела за единицу времени в единичном интервале64. Энергия, излучаемая единицей поверхности нагретого тела за единицу времени в единичном интервале длин волн – λ 0 λd λспектральная лучеиспускательная способность:

7, (λ, ) λ λ T d. W d. R r r T dt7, (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

85. Энергетический состав спектра излучения нагретого тела – распределение спектральной лучеиспускательной способности по длинам85. Энергетический состав спектра излучения нагретого тела – распределение спектральной лучеиспускательной способности по длинам волн λTr,

96. Спектр излучения ограничен колообразной кривой Tr , d d. Sdrd. R T 96. Спектр излучения ограничен колообразной кривой Tr , d d. Sdrd. R T ,

10 Tr , , 0 λ TR d. R r d S  maxλ10 Tr , , 0 λ TR d. R r d S maxλ

117. Максимуму кривой соответствует определенная длина волны, зависящая от температуры тела 8. Площадь под117. Максимуму кривой соответствует определенная длина волны, зависящая от температуры тела 8. Площадь под кривой численно равна энергетической светимости и зависит от температуры тела

129. Спектральная лучепоглощательная способность), (, Ta d. W a падающая япоглощенна T 1 ,129. Спектральная лучепоглощательная способность), (, Ta d. W a падающая япоглощенна T 1 , Ta

1310. Закон Кирхгофа для теплового излучения , , , 1 2 , T T1310. 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

14 Абсолютно черное тело (АЧТ)падающаяяпоглощеннаd. W 1 , падающая япоглощенна T d. W a14 Абсолютно черное тело (АЧТ)падающаяяпоглощеннаd. W 1 , падающая япоглощенна T d. W a Taa T, ,

15 , , , ε λ, 1 T T TАЧТ r f T a15 , , , 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

16 Эмпирические законы излучения АЧТ: T, 1 T 1 m 2 m 12 TT16 Эмпирические законы излучения АЧТ: T, 1 T 1 m 2 m 12 TT m T 1, m T 2,

171. Закон Стефана – Больцмана: 4 TR 42 8 1067, 5 Км Вт 171. 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

18 Оценить, во сколько раз отличаются энергетические светимости участков поверхности тела человека,  имеющих18 Оценить, во сколько раз отличаются энергетические светимости участков поверхности тела человека, имеющих температуры 34 и 33°С соответственно? СИ: Т 1 = Т 2 = 4 σR R T Тело человека оценочно → АЧТ 4 1 1 4 2 2 σ σR T 4 1 2 T T

19 Оценить относительное увеличение энергетической светимости черного тела при увеличении его температуры на 1.19 Оценить относительное увеличение энергетической светимости черного тела при увеличении его температуры на 1%. Т 1 Т 2 = Т 1 +0, 01 Т 1 = 1, 01 Т 1 4 σR T 2 1 1 1 R R R Тупо: Найти: 1 R R По Соловьевски: ln ln σ 4 ln. R T 4 d. R d. T R T

20 Насколько увеличилась температура тела человека,  если поток излучения с поверхности тела возрос20 Насколько увеличилась температура тела человека, если поток излучения с поверхности тела возрос на 4%? Начальная температура тела равна 35°С. Поток излучения – энергия, излучаемая телом за единицу времени: d. W J dtt. SRW J 4 R T 0, 04 J J Т = R R 4 T R 0,

21 Характеристики фотонов Энергия фотона: h  c h с. Джh 34 1063, 621 Характеристики фотонов Энергия фотона: h c h с. Джh 34 1063, 6 34 1, 05 10 2π h Дж с hсмc/103 8 2 mc 0 2 λv 1 c m h m c Масса движущегося фотона: Масса покоя фотона: 0 0 m

22 Импульс фотона: mcp c h 2 mc  h mcp Определить энергию, массу22 Импульс фотона: mcp c h 2 mc h mcp Определить энергию, массу т и импульс р фотона, которому соответствует длина волны λ=380 нм. с. Джh 34 1063, 6 смc/103 8 λ = ε ν λ c h h λh p 2 ε m c

23 Взаимодействие фотона с веществом – фотоэффект Фотоионизация – взаимодействие с молекулами газа Внешний23 Взаимодействие фотона с веществом – фотоэффект Фотоионизация – взаимодействие с молекулами газа Внешний фотоэффект: Внутренний фотоэффект: Вентильный фотоэффект

24 Закономерности внешнего фотоэффекта: 1. Под действием излучения тело теряет отрицательный заряд (электроны) 2.24 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

25 Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта (закон сохранения энергии для электрона, наименее связанного с25 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

26 А вых  – работа выхода электрона из данного вещества Минимальная энергия связи26 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

27 До: 1 p После: ν 1 1 1 λ ε ν λ h27 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 Свободный покоящийся электрон. Рассеянный фотон Электрон отдачи

28 eppp 21 Закон сохранения импульса: Закон сохранения энергии: e. K 21 28 eppp 21 Закон сохранения импульса: Закон сохранения энергии: e. K

291 p e p 2 p eppp  21 cos 221 2 2 2291 p e p 2 p eppp 21 cos 221 2 2 2 1 2 pppppe cos 1 0 12 cm h

30 Люминесценция, ее виды и характеристики Люминесценция - излучение, представляющее собой избыток над тепловым30 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

31 По виду возбуждения различают следующие типы люминесценции:  •  фотолюминесценция - возникает31 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);

32 •  катодолюминесценция - возникает при возбуждении атомов электронами (кинескопы,  экраны осциллографов,32 • 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);

33 •  хемилюминесценция - возникает при возбуждении молекул в процессе химических реакций; 33 • хемилюминесценция — возникает при возбуждении молекул в процессе химических реакций; • биолюминесценция — возникает в биологических объектах в результате определенных биохимических реакций; • сонолюминесценция — возникает под действием ультразвука.

34 Механизм люминесценции: ОУ νh ВУ 34 Механизм люминесценции: ОУ νh ВУ

35 Виды люминесценции: 1. резонансная: ОУν ν ВУ 35 Виды люминесценции: 1. резонансная: ОУν ν ВУ

362. стоксова: ОУν ν p ВУ Мс. Убезызлучательный переход 362. стоксова: ОУν ν p ВУ Мс. Убезызлучательный переход

373. антистоксова: ОУν ν f ВУМс. У безызлучательный переход 373. антистоксова: ОУν ν f ВУМс. У безызлучательный переход

38 Поглощающая способность вещества характеризуется спектром поглощения λd. W dtd. Sd Спектр поглощения 38 Поглощающая способность вещества характеризуется спектром поглощения λd. W dtd. Sd Спектр поглощения

39 Волны, при поглощении которых возникает люминесценция, образуют полосу возбуждения  λd. W dtd.39 Волны, при поглощении которых возникает люминесценция, образуют полосу возбуждения λd. W dtd. Sd Спектр поглощения Полоса возбуждения

40 Распределение интенсивности люминесцентного  излучения по длинам испускаемых волн называется спектром люминесценции 40 Распределение интенсивности люминесцентного излучения по длинам испускаемых волн называется спектром люминесценции d. W dtd. Sd

41λd. W dtd. Sd Спектр поглощения Полоса возбуждения d. W dtd. Sd  Спектр41λd. W dtd. Sd Спектр поглощения Полоса возбуждения d. W dtd. Sd Спектр люминесценции

42 Спектр люминесценции сдвинут в длинноволновую область относительно спектра поглощения того же соединения. Правило42 Спектр люминесценции сдвинут в длинноволновую область относительно спектра поглощения того же соединения. Правило Стокса: Вывод: Явление люминесценции объясняется квантовой моделью поглощения и излучения света.

43 Люминесцентный анализ - совокупность методов для определения природы и состава вещества по спектру43 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).

44 Возбужденное состояние Основное состояние. Поглощение света Самопроизвольное излучение света 1 E 2 E44 Возбужденное состояние Основное состояние. Поглощение света Самопроизвольное излучение света 1 E 2 E 2 1 εE E 2 1ε

45 Закон Бугера - Ламберта 0 kl I I e  I – интенсивность45 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.

46 Большинство сред 0 I I 46 Большинство сред 0 I I

47 N 1  N 2  k  0 I I 0 l47 N 1 > N 2 k > 0 I I 0 l

48 Динамическое равновесие теплового излучения W поглощенная W излученнаяяпоглощеннаизлученная. WW 48 Динамическое равновесие теплового излучения W поглощенная W излученнаяяпоглощеннаизлученная. WW

49 Поглощение Самопроизвольное излучение Свойства атома. Свойства излучения Вынужденное излучение 49 Поглощение Самопроизвольное излучение Свойства атома. Свойства излучения Вынужденное излучение

50 Возбужденное состояние Основное состояние. Вынужденное излучение Фотон 2 – близнец фотону 1 Фотоны50 Возбужденное состояние Основное состояние. Вынужденное излучение Фотон 2 – близнец фотону 1 Фотоны 1 и 2 идентичны по: направлению распространения; частоте (длине волны); поляризации

51 Среда с инверсной заселенностью уровней 0 I I 51 Среда с инверсной заселенностью уровней 0 I I

52 N 1   N 2  k  0 I I 052 N 1 < N 2 k < 0 I I 0 l

53 Внешний источник излучения Рубиновый лазер (ОКГ)2 3 Al O 3 Cr 53 Внешний источник излучения Рубиновый лазер (ОКГ)2 3 Al O 3 Cr

54 Схема энергетических уровней Cr 3+ Мс. У ОСЗ о н ы в о54 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

55 З З З Пп. З 55 З З З Пп. З

56 Вывод: излучение лазера = потоку квантов – близнецов: 1. монохроматично; 2. плоско-поляризовано; 3.56 Вывод: излучение лазера = потоку квантов – близнецов: 1. монохроматично; 2. плоско-поляризовано; 3. имеет большую плотность потока энергии. Рубиновый лазер в импульсе длительностью Δτ = 30, 0 нс обладает энергией W излучения 1, 00 Дж. Длина волны λ излучения 694, 3 нм. Определить число N фотонов, излучаемых за лазерный импульс и скорость испускания фотонов. τ λ ε ν λ c W N Nh Nh N смc/1038 v. N dt

571. Внесистемная единица измерения энергии 1 э. В 19 19 1 э. В 1,571. Внесистемная единица измерения энергии 1 э. В 19 19 1 э. В 1, 60 10 Кл 1 В 1, 60 10 Дж Энергия ионизации атома водорода: 2, 18 · 10 -18 Дж = 13, 6 э. ВОтступления от общего правила для микромира: Энергия кванта видимого света λ = 555 нм ε λ c h 8 34 9 3, 00 10 6, 63 10 555 10 19 3, 58 10 Дж 2, 24 э. В

582 cm. E 1 а. е. м.  ~  931, 5 Мэ. В582 cm. E 1 а. е. м. ~ 931, 5 Мэ. В 2. Внесистемная единица измерения массы: 1 а. е. м. = 1, 6606 · 10 -27 кг. Связь между энергией и массой (Эйнштейн): Масса электрона: 31 9, 11 10 emкг Полная энергия покоящегося электрона: 231 8 09, 11 10 3, 00 10 E 14 8, 20 10 Дж 0, 513 Мэ. В

59 Источник Х – лучей:  Вакуумированная трубка (-) подогреваемый катод (К) Термоэлектрон (+)59 Источник Х – лучей: Вакуумированная трубка (-) подогреваемый катод (К) Термоэлектрон (+) охлаждаемый анод (антикатод) (А) Пучок термоэлектронов, ускоряемых электрическим полем между К и А Х — излучение a. Q

60 Доказательство волновой природы Х – лучей: Расстояние между «щелями» :  d 60 Доказательство волновой природы Х – лучей: Расстояние между «щелями» : d ≈ λ → монокристаллг о р и з о н т а л ь н ы е а т о м н ы е п л о с к о с т и «наклонные» атомные плоскости

61α d O A BC 1 2 Интерференция когерентных лучей 1 и 22 :61α d O A BC 1 2 Интерференция когерентных лучей 1 и 22 : OA AB 1 : OC разность хода лучей 1 и 2 OCABOA 2 sinαd

62 Формула Вульфа – Брэггов Zkkd , sin 2 Максимум интерференции (дифракции) Х –62 Формула Вульфа – Брэггов Zkkd , sin 2 Максимум интерференции (дифракции) Х – лучей наблюдается при условии: Идея рентгеноструктурного анализа и РТ: ИРИ Исследуемый образец ПРИ 1 2 Один эксперимент – два важных вывода:

63 Спектр рентгеновского излучения: распределение энергии РИ по длинам волн r λ , U63 Спектр рентгеновского излучения: распределение энергии РИ по длинам волн r λ , U λλ 0λ , (λ, ) λ U d. W r f U d. S dt d

64 Тормозная часть спектра рентгеновского излучения r λ , U λλ 0 1 U64 Тормозная часть спектра рентгеновского излучения r λ , U λλ 0 1 U 1 λ 02 U 2 > U

65 Теория Максвелла: источник ЭМВ – движущийся с ускорением электрический заряд, например:  электрон,65 Теория Максвелла: источник ЭМВ – движущийся с ускорением электрический заряд, например: электрон, разогнанный электрическим полем и, затем, тормозящий в мишениe. W e U Энергия электрона, ускоренного электрическим полем: ε ν λ e c W Q h Q Закон сохранения энергии: Q ε ν λ c h h

66 min 0 Q max min ε ε ν λ e c h h66 min 0 Q max min ε ε ν λ e c h h W e U maxν e U h minλ hc e U Энергия Х – кванта: ε ν λ ec h h W Q max e. Q W minε ε 0 minν max λ

67 Найти границу тормозного рентгеновского излучения (частоту и длину волны) для напряжений U 167 Найти границу тормозного рентгеновского излучения (частоту и длину волны) для напряжений U 1 = 2 к. В и U 2 = 20 к. В. смc/103 8 с. Джh 34 1063, 6 19 1, 6 10 e Кл U 1 = U 2 = max min ε ν λ e c h h E e U

68 Определить скорость v электронов, падающих на антикатод рентгеновской трубки, если минимальная длина волны68 Определить скорость v электронов, падающих на антикатод рентгеновской трубки, если минимальная длина волны λ min в сплошном спектре рентгеновского излучения равна 1 нм. λ min = 2 max min v λ 2 e ec m h E 31 9, 11 10 emкг v =

691. Энергия электрона в атоме может иметь только дискретные (ступенчатые) значения Е 1 ,691. Энергия электрона в атоме может иметь только дискретные (ступенчатые) значения Е 1 , Е 2 , …, Е i , …, Е n 2. Переходу электрона из одного энергетического состояния в другое соответствует дискретное изменение энергии: n m. E E E n m. E Ef ν nm n mh E E излучение кванта n m. E Ep ν nm n mh E E поглощение кванта

70 Атом вещества анода (антикатода) Энергетическая схема электронных состояний в атомах вещества анода: Энергетическая70 Атом вещества анода (антикатода) Энергетическая схема электронных состояний в атомах вещества анода: Энергетическая область возможных состояний электронов

71 – термоэлектрон, разогнанный электрическим полем  «Нормальный атом» ν 0 mh E m.71 – термоэлектрон, разогнанный электрическим полем «Нормальный атом» ν 0 mh E m. E n. E ν n. X mh

723. Спектр поглощения (излучения) атома состоит из отдельных линий, соответствующих частотам (длинам волн) квантов723. Спектр поглощения (излучения) атома состоит из отдельных линий, соответствующих частотам (длинам волн) квантов поглощения (излучения) с энергиями, равными разности возможных энергий электрона в данном атоме: ν ( λ )α β γ Идентификация атома Идентификация человека. Гелий АВС

73 Вывод: по спектру излучения (поглощения) можно однозначно идентифицировать атом Закон Мозли для характеристического73 Вывод: по спектру излучения (поглощения) можно однозначно идентифицировать атом Закон Мозли для характеристического рентгеновского излучения: 2 ω 2πν σC R Z h R =2, 07 · 10 16 c -1 — постоянная Ридберга σ – постоянная экранирования С – постоянная Z – порядковый номер элемента материала мишени

74 Взаимодействие Х – излучения с веществом 1. Когерентное рассеяние (отражение):  Pν νh74 Взаимодействие Х – излучения с веществом 1. Когерентное рассеяние (отражение): Pν νh h Изменение направления распространения 2. Некогерентное рассеяние: Эффект Комптона (частный случай внешнего фотоэффекта) связан с ионизацией 3. Фотоионизация нейтральных молекул h ν П + e своб. → h ν P + e ОТД h ν П + М 0 → М +1 + e —

750 I 0 I Ip x μ 0 x I I e  μ750 I 0 I Ip x μ 0 x I I e μ μ +μ +μ μ – линейный коэффициент ослабления – массовый коэффициент ослабленияμ μ ρ m 3 3 μ λmk Z Z – порядковый номер элемента

76 Выводы: 1. Х – излучение обладает высокой проникающей способностью. 2. Проникающая способность различна76 Выводы: 1. Х – излучение обладает высокой проникающей способностью. 2. Проникающая способность различна для различных веществ →

77

78 ИРИ ПРИ (Э) Проекция 1 Проекция 2 РТ: сумма проекций = пространственное представление78 ИРИ ПРИ (Э) Проекция 1 Проекция 2 РТ: сумма проекций = пространственное представление