Тепловое излучение и его характеристики. Лекция 6

(тепловой) энергии.

люминесценция

Все остальные виды свечения тел, возбуждаемые за счет любых других видов энергии, кроме тепловой энергии.

Тепловое излучение – процесс обратимый, равновесный, подчиняется законам термодинамики.

Например: люминесценция (энергия хим. реакций), электролюминесценция (электрический разряд в газах), катодолюминесценция (бомбардировка частицами), фотолюминесценция (под действием света).

Тепловое излучение – следствие теплового движения частиц, присуще всем телам, интенсивность излучения зависит от температуры.

тела во всех направлениях в единицу времени на всех частотах.

- энергия, испускаемая всей поверхностью тела за определенный промежуток времени.

1) Энергетическая светимость (интегральная излучательная способность тела)

Тепловое излучение

2) Испускательная способность (спектральная плотность энергетической светимости)

Мощность теплового излучения (энергия, излучаемая в единицу времени) с единицы поверхности тела по всем направлениям в узком интервале частот от до .

монохроматического поглощения)

Отношение поглощенной энергии в интервале частот от до к общему количеству энергии падающего излучения в том же интервале частот.

- безразмерная величина

падающих на него электромагнитных волн независимо от их частоты.

Испускательная и поглощательная способности зависят от частоты излучаемых и поглощаемых волн, температуры тела, его химического состава и состояния поверхности. Все тела частично поглощают и частично отражают падающее на них излучение.

Абсолютно черное тело не отражает свет.

Примеры в области видимого света: сажа, черный бархат.

Модель АЧТ: отверстие в непрозрачной стенке замкнутой полости.

Тепловое излучение

Свет, попадающий сквозь отверстие в полость, испытывает многократные отражения и поглощается.
Модель тем лучше, чем больше отношение площади внутренней поверхности полости к площади отверстия.
Пример: окна домов.

падающего излучения поглощается телом, оставшаяся часть – отражается.

1) Закон Кирхгофа

функция Кирхгофа

Тепловое излучение

Спектр излучения АЧТ определяется только его температурой.

Законы теплового излучения

Отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности не зависит от природы тела и является универсальной функцией частоты и температуры, одинаковой для всех тел.

1859 г.

абсолютной температуры.

2) Закон Стефана-Больцмана

1879 г.

3) Закон смещения Вина

1893 г.

Длина волны, на которую приходится максимальная доля энергии излучения, обратна пропорциональна температуре тела.

const Вина

волн.

Законы теплового излучения

4) Второй закон Вина

Максимальная испускательная способность АЧТ пропорциональна пятой степени его абсолютной температуры.

1896 г.

const Вина

распределении энергии по степеням свободы, приписали каждому электромагнитному колебанию энергию, равную и получили выражение для испускательной способности абсолютно черного тела, которое называют формулой Рэлея-Джинса:

Тепловое излучение

Формула Рэлея-Джинса
Формула Планка

где c – скорость света, k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура, <Ɛ> - средняя энергия осциллятора.

удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными при больших длинах волн и резко расходится с опытом при малых длинах волн (ультрафиолетовая часть спектра).

- закон Стефана-Больцмана

Тепловое излучение

Этот результат получил название «ультрафиолетовой катастрофы».

– атомов с различными собственными частотами. Планк предположил, что энергия осциллятора не может принимать значение, меньшее некоторой минимальной величины Ɛ, а любое другое значение энергии осциллятора кратно Ɛ.

Тепловое излучение

Квантовая гипотеза Планка

Энергия излучения и его частота связаны друг с другом.
Излучение электромагнитных волн атомами и молекулами происходит дискретно, т.е. отдельными порциями – квантами.
Энергия излучения кванта прямо пропорциональна частоте излучения.

- энергия кванта

где h – const Планка.

Средняя энергия квантового осциллятора:

при любых частотах:

Формула Планка прекрасно согласуется с экспериментальными данными во всем диапазоне частот.

Тепловое излучение

На основе формулы Планка были объяснены все экспериментальные законы теплового излучения, в частности, законы Стефана-Больцмана и Вина.

В области малых частот формула Планка переходит в формулу Рэлея-Джинса.

Выдвижение квантовой гипотезы Планка считается моментом рождения квантовой механики.

Продолжается развитие квантовой теории.

Вывод: классические законы не применимы к микроскопическим системам.

В 1918 году Планк был удостоен Нобелевской премии за открытие квантов энергии.

жидких веществ под действием света.

Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте называются фотоэлектронами.

2. Внутренний фотоэффект – явление образования электронно-дырочных пар в полупроводниках и диэлектриках под действием света, приводящее к увеличению электропроводимости.

контакта 2-х разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего эл. поля).

Открывает пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Применение: солнечные батареи, фотоэлементы, датчики, регистрирующие уровень освещенности.

4. Многофотонный фотоэффект возможен, если интенсивность света очень большая (лазерные пучки). При этом электрон, испускаемый металлом, может одновременно получить энергию не от одного, а от нескольких фотонов.

помещают в вакуумный сосуд: катод из исследуемого материала и анод – металлическая сетка.
Катод через кварцевое окошко освещается монохроматическим светом, напряжение между электродами изменяется с помощью потенциометра.
Вылетевшие из катода в результате фотоэффекта электроны достигают анода, возникает фототок, который регистрируется миллиамперметром.

Облучая катод светом различных длин волн, Столетов установил следующие закономерности:

1) Наиболее эффективное действие оказывает УФ излучение,

и от состояния его поверхности. Даже ничтожное загрязнение поверхности существенно влияет на эмиссию электронов под действием света. Поэтому для изучения фотоэффекта пользуются вакуумной трубкой.

2) Под действием света вещество теряет только отрицательные заряды,
3) Сила тока, возникшая под действием света, пропорциональна его интенсивности.

Вольтамперная характеристика фотоэффекта – зависимость фототока, образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения между электродами.

Данная зависимость соответствует 2-м различным освещенностям катода .

E – энергетическая освещенность катода

U – напряжение между электродами

– частота света

достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с разными скоростями.

E – энергетическая освещенность катода (величина энергии излучения, падающей на единицу поверхности в единицу времени):

Максимальное значение тока - фототок насыщения определяется таким значением напряжения, при котором все электроны испускаемые катодом достигают анода:

N – число электронов, испускаемых катодом в 1 с.

. При ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода.

Из вольтамперной характеристики следует, что при U=0 фототок не исчезает. След-но, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой нач. скоростью, а значит и отличной от нуля кинетической энергией и могут достигнуть анода без внешнего поля.

Таким образом, измерив задерживающее напряжение , можно определить максимальные значения скорости и кин. энергии фотоэлектронов.

в единицу времени, пропорционально интенсивности света.

максимальная скорость фотоэлектронов

Законы внешнего фотоэффекта

Фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности катода.

2) Максимальная нач. скорость (максимальная нач. кин. энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой (линейно возрастает с увеличением частоты).

длина волны излучения или минимальная частота света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), при которой свет любой интенсивности фотоэффекта не вызывает.

Внешний фотоэффект состоит из 3-х процессов:

Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта

1) поглощения энергии фотона электроном,

2) движения электрона к поверхности, при этом часть энергии рассеивается,

3) выхода электрона из металла.

энергия фотоэлектрона

Свет не только излучается, но и поглощается порциями!!!

Энергия кванта (порция) света

Энергия фотона поглощается электроном проводимости, расходуется на преодоление поверхностной разности потенциалов ( ), избыток энергии остается в виде кинетической энергии.

Если

, то фотоэффект отсутствует.

Если

, то ее избыток после поглощения фотона идет на начальную кинетическую энергию фотоэлектрона.

излучения и не зависит от его интенсивности.

2) необходимое условие фотоэффекта:

Если

Красная граница фотоэффекта

, то фотоэффект не наступает.

Красная граница фотоэффекта -

лазерных пучках света)

Электрон одновременно может получить энергию не от одного, а от нескольких фотонов

Многофотонный фотоэффект

Красная граница смещается в область более коротких частот.

и импульсом.

Масса и импульс фотона

Согласно теории относительности

Энергия фотона

Масса фотона находится из закона взаимосвязи массы и энергии:

Фотон не существует в состоянии покоя, поэтому он не имеет массы покоя

Этим фотон отличается от обычных частиц – электронов, протонов, атомов.

Импульс фотона

света – частотой.

Вывод: чем больше частота, тем больше энергия и импульс фотона и тем отчетливее проявляются корпускулярные свойства света.

Характеристики фотона

Двойственность свойств света называют корпускулярно-волновым дуализмом.

Экспериментальным подтверждением наличия у фотона массы и импульса является световое давление и эффект Комптона.

Давление света

Излучение, падающее на поверхность тела оказывает на него давление.

движение элементарные заряды в веществе, а магнитное поле действует на эти заряды с силой Лоренца.

Давление света

Объяснение давления света с квантовой точки зрения

Давление света на поверхность обусловлено тем, что каждый фотон при соударении с поверхностью передает ей свой импульс.

Расчет величины светового давления

Пусть свет падает по нормали к поверхности, часть квантов отражается, часть – поглощается.

фотонов отражается

фотонов поглощается

- коэффициент отражения

в 1 с N фотонов:

Каждый фотон, поглощенный поверхностью, передаст ей импульс

- интенсивность света

При отражении фотона его импульс удваивается

Выражение, определяющее световое давление, выведенное на основе квантовых представлений, совпадает с результатом, получаемым из волновой теории Максвелла. Т.е. давление света одинаково успешно объясняется и волновой, и квантовой теорией.