Раздел 2. Квантовые свойства электромагнитного излучения
1. Излучение абсолютно чёрного тела.
Абсолютно чёрным телом называется тело, способное поглощать всё падающее на него излучение.
Излучательная способность чёрного rλ,T тела – спектральная плотность энергетической светимости – мощность излучения с единицы площади поверхности тела в интервале частот единичной ширины при фиксированной температуре.
Энергетической светимостью чёрного тела Rе называется мощность излучения с единицы площади поверхности тела во всём возможном интервале частот при фиксированной температуре.
Закон Стефана-Больцмана: энергетическая светимость чёрного тела пропорциональна четвёртой степени термодинамической температуры Rе = σ T4,
где σ = 5,67 *10-8Вт /(м2К4) – постоянная Стефана –Больцмана.
Закон Вина: длина волны λmax , при которой излучательная способность чёрного rλ,T тела максимальна, обратно пропорциональна его термодинамической температуре
λmax = b / T, b = 2.9 *10-3 мК - постоянная Вина.
2. Свойства фотона
Экспериментальные данные по распределению энергии в спектрах излучения чёрного тела не удалось объяснить теоретически на основе представлений об электромагнитном излучении как волновом процессе.
Согласующееся с опытными данными выражение для спектральной плотности энергетической светимости чёрного тела было найдено в 1900 году М.Планком. Планк выдвинул гипотезу, согласно которой атомные осцилляторы излучают энергию не непрерывно, а определёнными порциями - квантами.
Электромагнитное излучение с корпускулярной точки зрения представляет собой поток частиц (корпускул, квантов, фотонов).
Кванты обладают энергией в зависимости от частоты ν: ε = h ν, где h – постоянная Планка, ε – энергия кванта.
Фотон – квант электромагнитного излучения; и волна, и частица одновременно.
Фотон обладает следующими свойствами:
1) Фотон – материальная частица, электрически нейтральная.
2) Фотон не обладает энергией покоя (не существует никакой системы отсчёта, в которой бы фотон покоился).
3) Энергия фотона ε = hν =
= mc2 .
4) Скорость фотона всегда равна скорости света с .
5) Фотон обладает импульсом p =
=
mc.
6) Распространяется фотон со скоростью света.
7) Для фотона масса покоя не вводится в рассмотрение (не существует никакой системы отсчёта, в которой бы фотон покоился), фотон всегда движется, m0 = 0. Не существует собственной системы отсчёта. Фотон – ультрарелятивистская частица.
8) Масса фотона как всякой движущейся частицы может быть вычислена по формуле m = h / (λ c), m > 0.
9) Фотон не подчиняется законам Ньютона. Поскольку нет массы покоя, его нельзя ни замедлить, ни ускорить. Силы на него не действуют. Искривление световых лучей в поле тяготения Солнца, объясняется изменением геометрии пространства – времени.
10) Фотон не делится на части: испускается, распространяется, отражается, поглощается целиком.
11) Изменение энергии излучения возможно в два этапа: один фотон поглощается, другой испускается (эффект Комптона).
12) Поведение фотона подчиняется статистическим закономерностям (интерференционный максимум – область, где вероятность обнаружить фотон максимальная; интерференционный минимум – область, где вероятность обнаружить фотон близка к нулю).
13) Свойства фотонов определяются их частотой: фотоны видимого света не могут проникать внутрь организма, их энергия 1,8 – 3,1 эВ; ультрафиолетовое излучение проникает в кожу и задерживается пигментным слоем, энергия фотонов этой части излучения в 1,5 – 2 раза больше энергии фотонов видимого излучения; фотоны рентгеновского и γ диапазона попадают вглубь организма , вызывают мутационное действие.