Раздел III . Атомная, ядерная и квантовая физика

Создание атомной, ядерной и квантовой физики – величайшее достижение человеческой цивилизации конца ХIХ и начала ХХ века, сыгравшее важную роль в прогрессе медицины и фармации. Достаточно вспомнить рентгеновское излучение, лазер, спектральный анализ, электронный микроскоп, метод меченых атомов и т.п. Физика в прошлом ХХ веке вооружила фармацевтов и медиков мощными методами исследования вещества, терапии, хирургии. Но, вместе с тем, прошлый век был не только веком триумфа физики. Использование огромной энергии, скрытой в атомном ядре принесло не только благо человечеству, но и поставило его лицом к лицу перед опасностью гибели всего живого на Земле при неумелом и тем более преступном применении этого открытия физиков. Поэтому каждый человек ХХI века, который, будем надеяться, будет не таким трагичным, как ХХ, должен обладать необходимыми сведениями по атомной, ядерной и квантовой физике. Тем более это относится к представителям профессий, от которых так зависит человеческое здоровье и даже жизнь.

Глава 1. Тепловое излучение тел

Тепловое излучение тел – это электромагнитное излучение, обусловленное возбуждением атомов и молекул при их столкновениях в процессе теплового движения. Всякое тело при температуре, большей 0 К ( а абсолютный нуль не достижим) излучает, потому что его молекулы непрерывно хаотически движутся, следовательно сталкиваются друг с другом, возбуждаются и, возвращаясь в невозбуждённое состояние, излучают электромагнитные волны.

1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. АБСОЛЮТНО ЧЁРНОЕ ТЕЛО

1. Энергетическая светимость R – количество энергии E, излучённой за единицу времени t с единицы площади поверхности тела S:

R =(=)

(1.1)

2. Спектральная плотность энергетической светимости r - количество энергии, излучённой за единицу времени с единицы площади поверхности тела в узком интервале длин волн, делённое на ширину этого интервала, то есть производная от энергетической светимости по длине волны:

r_λ =((1.2)

3. Коэффициент поглощения – отношение энергии излучения, поглощённого телом к энергии излучения, падающего на тело за то же время:

α = (1.3)

4. Монохроматический коэффициент поглощения – коэффициент поглощения на данной длине волны λ:

В физике часто пользуются идеализированными понятиями: идеальный газ, идеальный кристалл, свободные незатухающие колебания, идеальный колебательный контур. Использование их очень плодотворно для развития физических теорий. К таким же идеализированным понятиям относится сыгравшее такую большую роль в развитии теории теплового излучения – абсолютно чёрное тело (АЧТ).

Абсолютно чёрное тело (АЧТ) – это тело, поглощающее всю энергию падающего на него излучения. То есть и монохроматический коэффициент поглощения на всех длинах волн и поэтому и коэффициент поглощения АЧТ равны 1:

=1,

Таких объектов в природе нет. С некоторым приближением в качестве модели АЧТ можно использовать маленькое отверстие в полости с зачернённой внутренней поверхностью ( рис 1.1). Электромагнитное излучение, попадая в это отверстие и многократно частично отражаясь от внутренней поверхности полости, назад через отверстие почти не выходит, потому что при каждом отражении большая часть энергии излучения поглощается. Довольно хорошим приближением к абсолютно чёрному телу можно считать так же Солнце.

Рис. 1.1

Если тело совсем не поглощает падающее на него излучение, а всё отражает, это тело, так сказать, «абсолютно белое или зеркальное.

= 1, α=1

Если монохроматический коэффициент поглощения меньше 1 , но не зависит от длины волны, такое тело - серое. Оно одинаково поглощает и одинаково частично отражает все длины волн.

< 1, ≠f(λ)

Абсолютно зеркальных тел и серых, так же, как и абсолютно чёрных в природе не бывает. Но с некоторым приближением, например, можно считать серым телом человеческую кожу при длинах волн около 9мкм. Монохроматический коэффициент поглощения кожи в этой инфракрасной области примерно ≈ 0.9 .

Цветные тела – такие, у которых монохроматический коэффициент поглощения зависит от длины волны излучения. Они больше поглощают лучи определённых длин волн и, следовательно, и отражают определённые длины волн, соответствующие определённым цветам.

2. ЗАКОН КИРХГОФА

При данных длине волны λ и температуре T отношения спектральной плотности энергетической светимости и монохроматического коэффициента поглощения для всех тел одинаковы, равны спектральной плотности энергетической светимости абсолютно чёрного тела, которая является универсальной функцией длины волны и температуры.

( )_{1 тела} = ( )_{2 тела} = … = ( )_АЧТ = r_λ,АЧТ = f (λ, T)

(1.4)

Закон Кирхгофа справедлив для состояния термодинамического равновесия, когда тело столько же излучает, сколько и поглощает. Причём, не только количественно, но и качественно: какие длины волн больше излучает, те и больше поглощает.

Из закона Кирхгофа следует:

= ∙

Поэтому:

1. Какие тела больше поглощают, те и больше излучают, и наоборот.

2. На каких длинах волн тело больше поглощает, на тех и больше излучает, и наоборот.

И в жару и в сильный мороз желательно ходить в светлой одежде. А ещё лучше, в серебристой, отражающей излучение одежде. Она и меньше поглощает тепло и меньше его отдаёт.А плоский сосуд с водой на крыше дачного душа должен быть с чёрным дном.

Спектры поглощения совпадают со спектрами теплового излучения. Этот вывод из закона Кирхгофа имеет огромное значение для спектрального анализа.