Министерство образования и науки РФ

_______________

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет «ЛЭТИ»

____________________________________________________

Атомная физика

Методические указания

к выполнению лабораторных работ

Санкт-Петербург

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2006

УДК 531+537 (079)

Атомная физика: Методические указания к лабораторным работам по курсу “Общая физика”  /Сост.: А. М. Альтмарк, Г. А. Коноплев, И. А.Черемухина, И. Л. Шейнман; Под ред. А. М. Прудана. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006. 48 с.

Методические указания содержат описание теории и методики экспериментального исследования корпускулярной природы электромагнитного излучения, квантовой природы магнитных свойств атома и ядра атома. Описания к работам содержит задание на подготовку и перечень контрольных вопросов.

Предназначено для студентов 2-го курса всех факультетов СПбГЭТУ.

Утверждено

редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний

© СПбГэту«лэти», 2006 Работа 1 (1.4). Исследование закономерностей теплового излучения нагретого тела

Цель работы: экспериментальное исследование зависимости мощности теплового излучения от температуры; проверка закона Стефана—Больцмана.

Приборы и принадлежности: неконтактный термометр (пирометр); нагреваемое тело, имеющее форму тонкой пластины; приборы (амперметр, вольтметр) для измерения мощности источника тепловой энергии в пластине.

1.1. Общие сведения

Тепловое излучение представляет собой явление генерации электромагнитных волн нагретым телом. Основу эффекта составляют процессы преобразования тепловой энергии макроскопической системы (нагретого тела) в энергию электромагнитного поля.

В качестве меры преобразования энергии обычно используется мощность , где– количество энергии, которое в течение интервала времениdtпреобразуется из одного вида в другой. В связи с тем, что излучение электромагнитных волн происходит с поверхности тела, а мощность теплового излученияпропорциональна площади поверхности, в качестве характеристики используютинтегральную энергетическую светимостьтела:

, Вт / м² (1.1)

Правая часть равенства (1.1) задает суммарную плотность потока энергии электромагнитных волн всех частот, испускаемой поверхностью нагретого тела.

Для характеристики зависимости светимости нагретого тела от частоты вводится спектральная лучеиспускательная способность r_, T тела:

, (1.2)

где – суммарная плотность потока энергии, переносимой волнами, частоты которых находятся в узком интервале (…).

Наряду с излучением может происходить и обратное преобразование энергии: энергия электромагнитного излучения поглощается веществом, т.е. трансформируется в тепловую энергию макроскопической системы. Мерой обратного преобразования энергии служит спектральная поглощательная способность _ T, определяемая как:

(1.3)

где – поток энергии, который поглощается телом,– величина падающего потока в интервале частот….

Тело, которое полностью поглощает энергию электромагнитных волн (), называют абсолютно черным телом. Если поглощательная способность в некоторой области частот меньше единицы () и не зависит от частоты, то в этой области спектра тело считаетсясерым.

Излучение и поглощение веществом электромагнитных волн представляют собой формы проявления способности частиц вещества (атомов, молекул) к взаимодействию с электромагнитным полем. Оба эффекта сосуществуют неразрывно. Это утверждение составляет основу закона Кирхгофа: для любого тела отношение лучеиспускательной способности к поглощательной способноститела – это универсальная функция, аргументами которой являются температураи частотаэлектромагнитной волны:

. (1.4)

Теория эффекта теплового излучения, созданная М. Планком, определяет эту функцию в следующем виде:

. (1.5)

Универсальность функции (1.5) связана с тем, что в ее состав входят только фундаментальные физические константы: фазовая скорость электромагнитной волны в вакуумес, постоянная Планка , постоянная Больцмана. Отметим, что функция не содержит параметры, которые несут информацию об атомах и молекулах вещества, а также о форме тела.

Тепловое излучение обладает двумя особенностями. Увеличение температуры приводит к резкому возрастанию энергетической светимости тела и к изменению цветности излучения  от темно-красного – до ярко-белого. Математическое обоснование этих закономерностей (законы Стефана – Больцмана (1.6) и Вина – Голицина (1.7)) дано в теории М. Планка для абсолютно черного () тела:

, (1.6)

, (1.7)

где –постоянная Стефана –Больцмана; – частота, при которой функцияимеет максимальное значение;–постоянная Вина.