18.Теплове випромінювання та його характеристики. Закон Кіркгоффа

Теплове випромінювання – випр-ня, що відб-ся за рахунок внутр. (або теплової) енергії тіла. Випр-ня в рівновазі перебуває з випромінюючим тілом. Це можливо за рахунок того, що при ↑ t випр.-ня ↑, а при ↓ t - ↓.

Випромінювальна здатність – фіз.велич., що чисельно рівна енергії, яка випр.-ся за одиницю часу з одиниці S поверхні і припадає на одиничний інтервал частот (довжин хвиль).

;

Енергетична світність – фіз.велич., що чисельно рівна енергії, яка випр.-ся з одиниці площі поверхні за одиницю часу

.

Поглинальна здатність - фіз.велич., що чисельно рівна енергії, що поглинається тілом, до енергії, що падає на тіло.

1) Абсолютно чорним наз. тіло, яке поглинає всі електромагнітні хвилі, що на нього потрапляють (а=1).

Наближеними абсол. чрними тілами можна розглядати чорні тіла з неоднорідною поверхнею (сажа, оксамит). Наближено за абсол.чорне тіло розгул-ся Сонце.

2) а=0 – ідеально дзеркальне тіло (відбиваються всі промені)

3) сіре тіло , a=const,

Закон Кіркгоффа: в-ня випромінювальної здатності тіла до поглинальної зд-сті є ф-ія однакова для всіх тіл, яка залежить тільки від частоти та температури.

Закон Кіркгоффа для абсол.чорного тіла:

Універсальна ф-ія – випром.здатність абсол.чорн.тіла.

;

19.Закон Стефана-Больцмана. Закон зміщення Віка. Квантова теорія теплового випромінювання. Формула Планка.

Закон Стефана-Больцмана: енерг.світність абсол.чорн.тіла прямо пропорційна четвертому степеню абсол. t. ;

Закон зміщення Віка: в к. 19 ст. був виявлений зовн. ф-ії . Це була ф-іяmax на певній довжині хвилі.

Довжина хвилі, на яку припадає max випром.зд-сті абс.чорн.тіла, обернено пропорц. t. ;

Із закону Віна видно, що при зниженні температури чорного тіла максимум енергії його випромінювання зміщується в область великих довжин хвиль.

Планк припустив, що світло випр.-ся не неперервно, а окремими порціями з енергіями . Пізніше, ці порції назваликвантами світла, або фотонами.

(стала Планка з рискою)

Припустив, що світло випр.-ся окремими маленькими коливальними системами – осциляторами, енергія яких може приймати дискретні значення.

В квантовій мех.-ці була виведена більш точна ф-ла енергії осцилятора:

Планку вдалося вивести ф-ли для випр. Зд-сті абс.чорн.тіла (ф-ли кванта):

;

;

20.Зовнішній фотоефект та його закони. Формула Ейнштейна. Застосування фотоефекту.

Зовн.фотоефект – явище виривання електронів з поверхні металу під діжю світла.

Герц (спостерігав), Столєтов (дослідив).

Принципова схема досл-ня фотоефекту: у вак.трубці розміщуються 2 електроди (катод і анод). Катод може освітлюватися через кварцове віконце, яке пропускає ультрафіолетові промені. Між катодом і анодом прикладається певна напруга. Електрони, що вириваються з катода досягають анода. За доп. гальванометра, визн-ся силав струму при різних значеннях U і вимірюється залежність I від U (ВАХ).

При ↑ U, I спочатку зростає, а потім досягає насичення.

Струм насичення – струм, при якому всі електрони, що вириваються з катода, досягаються анода. При ↑ осв-сті катода, Iнас ↑.

Навіть якщо U=0, деякі вирвані електрони досягають анода (I≠0). Для того, щоб струм в колі прип-ся, треба подати зворотню U.

Затримуючою наз. найм.звор. U, при якій I=0.

Закони фотоефекту:

1. струм нас-ня прямо проп. енергії світл.потоку, що падає на катод (Iнас ≈ Фе)

2. затримуюча напруга лін. залежить від частоти ()

3. існує червона межа фотоефекту, тобто така найм. частота , нище якої фотоефект не спост-ся.

4. фотоефект без інерційний, тобто з’явл-ся після початку освітлення і після припинення за дуже короткий час (<10 -9 c)

Теорія Ейнштейна для фотоефекту: Ейнштейн пояснив фотоефект, припустивши, що світло погл-ся окр..порціями. , – енергія кванта світла, Vmax – макс.кін. енергія електор. (залежить від роду пов. та її обробки)

Основні закони фотоефекту (дов-ня на основі квантової фізики):

1. ;

→

2. При гальмуванні електрона, робота ел. поля = зміні кін.енергії.

;

3. 

4. Якщо наближено розглядати фотоефект як зіткнення фотона з атомом, тобто двох тіл дуже маленького розміру, то таке зіткнення повинно відбуватися за дуже короткий час.

22.Корпускулярно-хвильова природа світла. Тиск світла. Досліди Лєбєдєва.В сучасній фізиці осн. є гіпотеза корп.-хвил. дуалізму, згідно якої світлу притаманні як корп., так і хвил. Властивості. При чому, і одних дослідах проявляються хвил. власт. (інт-ія, дифр-ія св.), в інших – корп. власт. (теплове випр.-ня, фотоефект). Існують досліди, які можна пояснити як на основі корп., так і хвил. власт., напр. тиск світла.

Осн. хар-ки кванта світла (фотона):

1) енергія:

2) маса фотона: ;;

3) імпульс:

В стані спокою фотон не існує, тому маса спокою = 0.

Тиск світла

Нехай на метал повністю падає норм.ел.-магн. хвиля (світло). З боку електр. складової на електрони буде діяти сила Fелектр. Електрони рухаються з певною V і створюють струм. На струм з боку магн.поля діє сила Ампера, напрямок якої визн-ся за доп. прав. «лівої руки». Ця сила Ампера і створює тиск на поверхню. Це ж явище можна пояснити і на сонові корп. уявлень. При відбиванні від поверхні змінюється імпульс фотонів, тоді на фотони діє сила: . І така ж сама за модулем і протилежна за напрямком сила, згідно з зак.Ньютона, буде діяти з боку фотонів на пов., і вона створює тиск. Рорахунки показують, що тиск на поверхню, може бути визн-им за ф-лою: .α – кут між падаючим променем та нормаллю до поверхні

Тиск світла дуже малий. . Тому його дуже важко виявити.

Уперше тиск світла виміряв російський фізик П. М. Лебедєв (1866 - 1912) 1900 року. У його дослідах однакові світлові потоки спрямовували на легкі металеві крильця, прикріплені до легкого стрижня, підвішеного на тонкій скляній нитці в посудині з високим вакуумом (рис. 344). Один бік крилець зачорнювали, а другий полірували. Світло почергово направляли то на поліроване, то на зачорнене крильце, де воно відбивалося або поглиналося. Тиск світла вимірювали за різницею кутів закручування нитки під час попадання на зачорнену та дзеркальну поверхню. П. М. Лебедєв виміряв також тиск світла на гази. Досліди Лебедєва експериментально підтвердили наявність імпульсу фотонів. Зміна імпульсу фотона (відповідно і тиск світла) при відбиванні від дзеркальної поверхні максимальна і в 2 рази більша за мінімально можливу зміну імпульсу при відбиванні від чорної поверхні.

Експериментально існування світлового тиску вперше встановив 1900 р. російський фізик П. М. Лебедев (1866—1912). Досліди П. М. Лебедева повністю підтвердили формулу (10.18). Для вимірювання світлового тиску він спрямував інтенсивний світловий потік на легкі металеві пластинки, підвішені на тонкій нитці в балоні, з якого було викачано повітря. Пластинки лівого ряду підвісу були чорними, а пластинки правого — блискучими. Тому тиск світла на пластинки лівого ряду р = Е/с був меншим, ніж на пластинки правого ряду, де р= Е/с (1 + ρ). Унаслідок цього під впливом падаючого світла підвіс повертався на певний кут, за значенням якого можна було визначити силу закручування і, отже, світловий тиск. На рис. 10.4 зображено рухому частину приладу Лебедева. Для здійснення експерименту треба було врахувати та максимально послабити побічні ефекти. До таких ефектів насамперед належить радіометричний ефект і конвекційні потоки. Радіометричний ефект зумовлений рухом молекул. При освітленні пластинки нагріватимуться неоднаково. З того боку, де на пластинку падатиме світло, вона нагріватиметься більше, ніж з протилежного. Тому молекули, вдаряючись об освітлену поверхню, відскакуватимуть від неї з більшою енергією і надаватимуть їй більшого імпульсу, ніж молекули, що падають на протилежний, неосвітлений бік пластинки. Тому тиск буде більший з того боку, де пластинка тепліша, оскільки там і газ нагрітий сильніше (з освітленого боку). Цей ефект пропорційний товщині пластинки і для товстих пластинок значно більший за світловий тиск. П. М. Лебедев, застосовуючи пластинки різної товщини, виключив радіометричний ефект і дістав надійні результати.

 Для зменшення радіометричного ефекту та уникнення конвекційних потоків П. М. Лебедев максимально зменшував густину газу в балоні, в якому містилася рухома частина приладу. П. М. Лебедеву вдалося досягти високого вакууму в балоні, що на той час було дуже складно. У 1908 р. він здійснив ще більш точні досліди і встановив та виміряв світловий тиск на гази. Ці досліди підтвердили справедливість гіпотези Ф. О. Бредихіна про утворення кометних хвостів унаслідок світлового тиску на частинки, що їх утворюють. Ці сили відштовхування зумовлені тиском на частинки з боку сонячних променів.

В цих дослідах встановлено наявність механічного імпульсу світла, що є істотним для розв’язання питання про інертну масу світла та більш загальної проблеми пропорційності маси і енергії.

Результати дослідів П. М. Лебедева спростували думку, яка панувала в XIX ст., про те, що світлу не властива маса, а це породжувало твердження про нематеріальність світла. Відкриття світлового тиску доводило, що світловий потік має не тільки енергію, а й масу і, отже, становить нерозривну єдність матерії і руху. П. М. Лебедев уперше експериментально встановив тиск світла і показав, що він незначний. Нині за допомогою оптичних квантових генераторів можна дістати практично досить великі світлові тиски. Наприклад, вихідна потужність квантового генератора на рожевому рубіні за час короткого спалаху досягає 10 000 Вт у пучку з поперечним перерізом, меншим ніж 1 см². Хоча спалах випромінювання і короткий, його потужність у тисячу разів більша за ту, яку можна дістати фокусуванням сонячного світла. Теоретичне пояснення досліду П. М. Лебедева з визначення тиску світла можна дістати також, виходячи з корпускулярних уявлень про природу світла.