Закон смещения Вина

Длина волны, при которой энергия излучения абсолютно чёрного тела максимальна, определяется законом смещения Вина:

где T — температура в кельвинах, а λmax — длина волны с максимальной интенсивностью в метрах.

Так, если считать в первом приближении, что кожа человека близка по свойствам к абсолютно чёрному телу, то максимум спектра излучения при температуре 36 °C (309 К) лежит на длине волны 9400 нм (в инфракрасной области спектра).

Видимый цвет абсолютно чёрных тел с разной температурой представлен на диаграмме.

Закон Стефана — Больцмана Мощность излучения абсолютно чёрного тела (интегральная мощность по всему спектру), приходящаяся на единицу площади поверхности, прямо пропорциональна четвёртой степени температуры тела:

,где j — мощность на единицу площади излучающей поверхности, а

Вт/(м²·К4) — постоянная Стефана — Больцмана.

Таким образом, абсолютно чёрное тело при T = 100 K излучает 5,67 ватт с квадратного метра своей поверхности. При температуре 1000 К мощность излучения увеличивается до 56,7 киловатт с квадратного метра.

Для нечёрных тел можно приближённо записать:

где ε — степень черноты (для всех веществ ε < 1, для абсолютно чёрного тела ε = 1).

(45.) Закон Рэлея — Джинса

закон Рэлея — Джинса

Попытка описать излучение абсолютно чёрного тела исходя из классических принципов термодинамики и электродинамики приводит к закону Рэлея — Джинса:

Эта формула предполагает квадратичное возрастание спектральной плотности излучения в зависимости от его частоты. На практике такой закон означал бы невозможность термодинамического равновесия между веществом и излучением, поскольку согласно ему вся тепловая энергия должна была бы перейти в энергию излучения коротковолновой области спектра. Такое гипотетическое явление было названо ультрафиолетовой катастрофой.

Тем не менее закон излучения Рэлея — Джинса справедлив для длинноволновой области спектра и адекватно описывает характер излучения. Объяснить факт такого соответствия можно лишь при использовании квантово-механического подхода, согласно которому излучение происходит дискретно. Исходя из квантовых законов можно получить формулу Планка, которая будет совпадать с формулой Рэлея — Джинса при .

Закон Планка

Формула Планка

Зависимость мощности излучения чёрного тела от длины волны

Интенсивность излучения абсолютно чёрного тела в зависимости от температуры и частоты определяется законом Планка:

где I(ν)dν — мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности в диапазоне частот от ν до ν + dν.

Эквивалентно,

,

где u(λ)dλ — мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности в диапазоне длин волн от λ до λ + dλ.

(46.) под действием света происходит вырывание электронов из вещества катода – фотоэлектрический эффект (внешний) (или просто – фотоэффект).

Законы фотоэффекта.

1.При неизменном спектральном составе света сила фототока насыщения прямо пропорциональна падающему на катод световому потоку.

2 .Начальная кинетическая энергия вырванных светом электронов линейно растет с ростом частоты света и не зависит от его интенсивности.

3.Фотоэффект не возникает, если частота света меньше некоторой характерной для каждого металла величины n_к , называемой красной границей фотоэффекта.

Как уже отмечалось, Эйнштейн в 1905 г., развивая квантовую теорию Планка, выдвинул идею, излучение , поглощение и распространение света происходит порциями (квантами), энергия которых равна . В этом случае можно записать закон сохранения энергии для элементарного процесса, заключающегося во взаимодействии одного кванта с веществом, сводящегося к передаче электрону дискретного количества энергии. При этом нужно учесть, что электрон в металле не является свободным и, чтобы покинуть металл, электрон должен преодолеть работу выхода A. Применяя к фотоэффекту в металлах закон сохранения энергии, Эйнштейн предложил следующую формулу: ,

где A – работа выхода электрона из металла, v – скорость фотоэлектрона. При этом считается, что каждый квант выбивает только один электрон (однофотонный процесс).

Как следует из (11.1), фотоэффект в металлах может возникать только при , в противном случае энергии кванта недостаточно для вырывания электрона из металла. Отсюда можно найти минимальную частоту света, при которой происходит фотоэффект (красную границу фотоэффекта): .

(Пусть между анодом и катодом (рис.11.1) приложен тормозящий потенциал (U < 0) (рис.11.2). Если кинетическая энергия электронов достаточна, то они, преодолев тормозящее поле, все таки создают фототок. В фототоке участвуют те электроны, для которых удовлетворяется условие . Величина задерживающего потенциала U_зад определяется из условия: , (11.4)

где v_max – максимальная скорость выбитых электронов. Подставив (11.4) в (11.1), получаем: , откуда .Т.о., величина задерживающего потенциала не зависит от интенсивности, а зависит только от частоты падающего света, что и объясняет второй закон фотоэффекта. В отличие от металлов в полупроводниках и диэлектриках также возникает так называемый внутренний фотоэффект, состоящий в возбуждении электронов из валентной зоны в зону проводимости.

(47.) Давление света

В 1873 г. Дж. Максвелл, исходя из представлений об электромагнитной природе света, пришел к выводу: свет должен оказывать давление на препятствие (благодаря действию силы Лоренца; на рисунке v - направление скорости электронов под действием электрической составляющей электромагнитной волны).

Квантовая теория света объясняет световое давление как результат передачи фотонами своего импульса атомам или молекулам вещества. Пусть на поверхность абсолютно черного тела площадью S перпендикулярно к ней ежесекундно падает N фотонов: . Каждый фотон обладает импульсом . Полный импульс, получаемый поверхностью тела, равен . Световое давление:

При падении света на зеркальную поверхность удар фотона считают абсолютно упругим, поэтому изменение импульса и давление в 2 раза больше, чем при падении на черную поверхность (удар неупругий).

Это давление оказалось ~4.10-6 Па. Предсказание Дж. Максвеллом существования светового давления было экспериментально подтверждено П. Н. Лебедевым, который в 1900 г. измерил давление света на твердые тела, используя чувствительные крутильные весы. Теория и эксперимент совпали.

Опыты П. Н. Лебедева — экспериментальное доказательство факта: фотоны обладают импульсом

(48.) Эффект Комптона (Комптон-эффект) — явление изменения длины волны электромагнитного излучения вследствие рассеивания его электронами. Обнаружен американским физиком Артуром Комптоном в 1923 году для рентгеновского излучения. В 1927 Комптон получил за это открытие Нобелевскую премию по физике. Иллюстрация к эффекту КомптонаПри рассеянии фотона на покоящемся электроне частоты фотона и (до и после рассеяния соответственно) связаны соотношением: где — угол рассеяния (угол между направлениями распространения фотона до и после рассеяния).Перейдя к длинам волн: где — комптоновская длина волны электрона.Для электрона м. Уменьшение энергии фотона после комптоновского рассеяния называется комптоновским сдвигом. В классической электродинамике рассеяние электромагнитной волны на заряде (томсоновское рассеяние) не сопровождается уменьшением её частоты.Объяснить эффект Комптона в рамках классической электродинамики невозможно. С точки зрения классической физики электромагнитная волна является непрерывным объектом и в результате рассеяния на свободных электронах изменять свою длину волны не должна. Эффект Комптона является прямым доказательством квантования электромагнитной волны, другими словами подтверждает существование фотонов. Эффект Комптона является ещё одним доказательством справедливости корпускулярно-волнового дуализма микрочастиц.

49.

50.