11 Лекция. Жылулық сәуле шығару

11.1. Денелердің жарқырауы

11.2. Кирхгоф заңы

11.3. Қара дененің энергетикалық жарқырауының спектрлік тығыздығы.

Денелердің жарқырауы, яғни денелердің электромагниттік толқындар шығаруы әртүрлі энергия түрлері арқылы орындалуы мүмкін. Егер электромагниттік толқындар тек қана ішкі энергия а рқылы шығарылатын болса, оны жылулық сәуле шығару деп атайды. Жарқыраудың қалған түрлерінің барлығы ішкі энергиядан басқа кез келген энергия түрлерімен қоздырылса, оларды люминесценция дейді. Люминесценцияның түрлері: хемилюминесценция, электролюминесценция, катодолюминесценция, фотолюминесценция. Жылулық сәуле шығару тепе-теңдік процеске, ал қалған сәуле шығарудың түрлері тепе-теңдік емес процестерге жатады. Тепе-теңдік күйлер мен процестерге термодинамика заңдарын қолдануға болады.

Кирхгоф заңы. Дененің энергетикалық жарқырауы R, дененің сәуле шығару қабілеттілігімен rкелесі қатынаспен байланысқан:

R (11.1)

Айталық, dФ-аудан элементіне түскен сәулелік энергия ағыны болсын, ал dФдененің ағынды жұтқан бөлігі болсын. Онда өлшемсіз шама

(11.2)

дененің жұту қабілеттілігі деп аталады. Абсолютті қара дене үшін , егер болса, онда дене сұр болады. Кирхгоф заңы былай оқылады: дененің сәуле шығару қабілеттілігінің оның жұту қабілеттілігіне қатынасы дененің табиғатына байланысты емес, ол барлық денелер үшін бірдей жиіліктің (толқын ұзындығының) және температураның функциясы болып табылады:

(11.3)

немесе (11.4)

f(- функциясын (универсалдық функция) абсолютті қара дененің сәуле шығару қабілеттілігі деп атауға болады.

Тепе-теңдік жылулық сәуле шығарудың спектрлік құрамының сыйпаттамасын теория жүзінде қарастырғанда жиілік функциясын қолдануға ыңғайлы, ал тәжірибелік зерттеулерде толқын ұзындығының функциясын қарастырған жөн. Екі функция бір-бірімен келесі формуламен байланысты:

(11.5) Табиғатта абсолютті қара дене болмайды. Дегенмен қасиеттері абсолютті қара денеге өте ұқсас қондырғылар жасауға болады. Мұндай қондырғыны кішкене ғана тесігі бар тұйық қуыс деп қарастырсақ, онда осы қуысқа кірген сәуле тесіктен қайта шығу үшін қуыстың ішінде көптеген шағылыстарға ұшырайды. Әрбір шағылыс кезінде сәуле энергиясының бөлігі жұтылып отырады, сондықтан іс жүзінде кез келген жиілігі бар сәуле осындай қуыспен толық жұтылады. Кирхгоф заңы бойынша осындай қондырғының сәуле шығару қабілеттілігі жиілік функциясына жақын, Т – қуыс қабырғасының температурасы. Егер қуыс қабырғасын белгілі бір температурада Т ұстап тұрса, онда тесік арқылы шығатын сәуле спектрлік құрамы жағынан абсолютті қара дененің шығару сәулесіне жақын болады. функциясының тәртібін тәжірибелік зерттеу нәтижелері 11.1-суретте көрсетілген.

Тепе-теңдік күйде шығару сәулесінің энергиясы қуыстың көлемі бойынша белгілі энергия тығыздығымен u = u(T) үлестіріледі. Бұл энергияның спектрлік үлестірілуін u (-функциясымен сыйпаттауға болады, ол шартымен анықталады, мұндағы -жиілік интервалына келетін энергия тығыздығының бөлігі. Энергияның толық тығыздығы u (T) энергияның спектрлік үлестірілуімен u ( келесі формуламен өрнектеледі

u(T) = (11.6)

Универсалды функция тығыздықтың спектрлік үлестірілуімен байланысты

f( (11.7)

12-ЛЕКЦИЯ. АБСОЛЮТ ҚАРА ДЕНЕНІҢ СӘУЛЕ ШЫҒАРУ ЗАҢДАРЫ.

12.1. Стефан-Больцман заңы

12.2. Виннің ығысу заңы

12.3. Рэлей-Джинс формуласы

12.4. Планк гипотезасы

Стефан-Больцман заңы абсолютті қара дененің энергетикалық жарқырауын оның абсолюттік температурасымен байланыстырады:

R = . (12.1)

мұнда -Стефан-Больцман тұрақтысы.

Виннің ығысу заңы абсолюттік температураны - функциясының максимумына сәйкес келетін толқын ұзындығымен байланыстырады: T.

b- тұрақты шама, тәжірибемен анықталған сандық мәні:

b = 2,90 10 м .К.

Рэлей-Джинс формуласы:

u(. (12.2)

f(. (12.3)

Бұл формулалар тәжірибе нәтижелеріне толқын ұзындықтары үлкен облыста (12.1-сурет) ғана қанағаттандырарлық түрде сәйкес келеді де, ал қысқа толқындық облыстарда тіпті сәйкес келмейді (12.1-сур). (12.2) формуланы (11.6) өрнекке қойғанда, тепе-теңдік энергия тығыздығы u (T) үшін шексіз үлкен мән алынатыны көрініп тұр. Ультракүлгін күйреу деп аталған бұл нәтиже, жасалған тәжірибелерге қайшы келеді. Сәуле шығару мен сәуле шығаратын дене арасындағы тепе-теңдік u (T) функциясының шекті мәнінде ғана орындалады.

Планк формуласы. (1900 г.). h немесе - Планк тұрақтысы. Квант энергиясының шамасы сәуле шығару жиілігіне пропорционал болып келеді

(12.4)

Жиілігі болған сәуле шығару энергиясының орташа мәні келесі түрде өрнектелетінін көрсетуге болады:

(12.5)

онда f( (12.6)

(12.6) – Планк формуласы деп аталады, ол тепе-теңдік сәуле шығаруды дәл суреттейді.

13- ЛЕКЦИЯ. ФОТОЭФФЕКТ.

13.1. Фотоэффек құбылысы

13.2. Фотоэффект заңдылықтары

13.3 Эйнштейннің фотоэффектіге арналған теңдеуі.

13.4. Комптон эффектісі

Электромагниттік сәуле әсерінен заттың электррондар шығаруы сыртқы фотоэффект деп аталады. Электромагниттік сәуле әсерінен электрондардың сыртқа шығып кетпей жартылай өткізгіш немесе диэлектрик ішінде байланысқан күйден бос күйге көшуін ішкі фотоэффект деп атайды.

Сыртқы фотоэффект заңдары: 1. Столетов звңы: түскен жарық жиілігінің белгілі бір мәнінде катодтан жұлынып алынған электрондар саны жарық интенсивтігіне пропорционал.

2. Фотоэлектрондардың ең үлкен бастапқы жылдамдығы түскен жарық интенсивтігіне байланысты емес,ол тек жиілікпен анықталады.

3. Әрбір зат үшін фотоэффектінің қызыл шекарасы, яғни жиіліктің одан төмен мәнінде фотоэффект құбылысы болмайтын ең аз мәні болады.

А. Эйнштейн 1905 жылы фотоэффект құбылысын және оның заңдылықтарын өз құрған фотоэффектінің кванттық теориясы негізінде түсіндіруге болатындығын көрсетті. Ол зат жарықты кванттап қана шығармайды, әрі кванттапжұтады деген. Энергияның сақталу заңын басшылыққа алып эйнштейн зат жұтқан бір квант энергиясы электронды заттан А шығару жұмысы мен электронға ең үлкен кинетикалық энергия беруге жұмсалады (13.1 өрнек). Эйнштейн формуласы: (13.1)