Лекция 7 Тепловое излучение его закономерности Люминесценция виды

Лекция 7 Тепловое излучение, его закономерности. Люминесценция, виды, характеристики. Вынужденные излучения. 1

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 2

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

Свойства и характеристики теплового излучения 1. Динамическое равновесие Wпоглощенная Wизлученная 4

2. Излучаются ЭМВ всех частот (длин волн) – сплошной спектр излучения СДВ РВ ИК УФ Х γ 5

3. Энергия, излучаемая с единицы поверхности нагретого тела за единицу времени – плотность потока излучения ( энергетическая светимость): R 6

4. Энергия, излучаемая единицей поверхности нагретого тела за единицу времени в единичном интервале длин волн – спектральная лучеиспускательная способность: 7

8

5. Энергетический состав спектра излучения нагретого тела – распределение спектральной лучеиспускательной способности по длинам волн 9

6. Спектр излучения ограничен колообразной кривой 10

11

7. Максимуму кривой соответствует определенная длина волны, зависящая от температуры тела 8. Площадь под кривой численно равна энергетической светимости и зависит от температуры тела 12

9. Спектральная лучепоглощательная способность 13

10. Закон Кирхгофа для теплового излучения - универсальная функция Кирхгофа 14

Абсолютно черное тело (АЧТ) 15

Модель АЧТ 16

Закон Кирхгофа для теплового излучения АЧТ: - спектральная энергетическая светимость АЧТ Энергетическая светимость АЧТ: 17

Эмпирические законы излучения АЧТ: 18

1. Закон Стефана – Больцмана: 2. Первый закон (смещения) Вина: 3. Второй закон Вина: 19

20

Классическая электродинамика: 21

22

Квантовая гипотеза Планка 23

24

Планк: рождение фотона (кванта) 25

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

Характеристики фотонов Энергия фотона: Масса движущегося фотона: Масса покоя фотона: 27

Импульс фотона: 28

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

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

Пункты 3 и 4 невозможно объяснить волновой природой света Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта (закон сохранения энергии для электрона, наименее связанного с облучаемым веществом): Энергия падающего фотона 31

Авых – работа выхода электрона из данного вещества Минимальная энергия связи электрона с веществом Соответственно, Kmax – максимально возможная кинетическая энергия фотоэлектрона для данного фотона 32

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 33

Эффект Комптона После: До: 34

Закон сохранения импульса: Закон сохранения энергии: 35

36

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 37

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); 38

• 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); 39

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

Механизм люминесценции: ВУ ОУ 41

Виды люминесценции: 1. резонансная: ВУ ОУ 42

2. стоксова: безызлучательный переход ВУ Мс. У ОУ 43

3. антистоксова: Мс. У безызлучательный переход ВУ ОУ 44

Поглощающая способность вещества характеризуется спектром поглощения Спектр поглощения 45

Волны, при поглощении которых возникает люминесценция, образуют полосу возбуждения Спектр поглощения Полоса возбуждения 46

Распределение интенсивности люминесцентного излучения по длинам испускаемых волн называется спектром люминесценции 47

Спектр поглощения Полоса возбуждения Спектр люминесценции 48

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

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). 50

Поглощение света Самопроизвольное излучение света Возбужденное состояние Основное состояние 51

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

Большинство сред 53

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

Динамическое равновесие теплового излучения Wпоглощенная Wизлученная 55

Поглощение Самопроизвольное излучение Свойства излучения Свойства атома Вынужденное излучение 56

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

Среда с инверсной заселенностью уровней 58

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

Рубиновый лазер (ОКГ) Внешний источник излучения 60

Зоны возбужденных состояний Схема энергетических уровней Cr 3+ λ = 560 нм Безызлучательный переход Мс. У λ = 694, 3 нм ОС 61

З Пп. З 62

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