Законы излучения абсолютно черного тела

Эти законы были установлены экспериментально.

1. Закон Стефана-Больцмана: энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры

,

где - постоянная Стефана-Больцмана.

Для серых тел этот закон можно записать как

.

2. Закон смещения Вина: Длина волны в спектре излучения абсолютно черного тела, на которую приходится максимум спектральной плотности излучения, обратно пропорциональна его абсолютной температуре

,

где .

Рис. 11

Формула Планка и её применение для уточнения законов теплового излучения абсолютно черного тела

Экспериментально наблюдаемый спектр излучения абсолютно черного тела и экспериментально установленные законы теплового излучения требуют объяснения механизма теплового излучения.

Рэлей, исходя из представлений классической физики, считавшей, что излучение происходит непрерывно, рассмотрел зависимость спектральной плотности энергетической светимости (функции распределения энергии по спектру) от температуры и длины волны. Он получил формулу

,

т.е. зависит от кинетической энергии движения молекул.

Д ля длинных волн формула Рэлея дает хорошее совпадение с экспериментом, но при коротких длинах волн кривая уходит в бесконечность. По определению , и

Рис. 12

Бесконечно большие значения энергетической светимости лишены всякого физического смысла. Такие выводы назвали “ультрафиолетовой катастрофой” – классическая физика не в состоянии объяснить важные экспериментальные факты.

Это противоречие устранил М. Планк, выдвинув гипотезу, что энергия поглощается и испускается не непрерывно, а отдельными квантами (порциями). Квант электромагнитного излучения оптического диапазона назвали фотоном. Его энергия

.

При таком предположении Планк получил другую формулу для спектральной плотности энергетической светимости

,

откуда видно, что зависит как от кинетической энергии движения молекул, так и от энергии испускаемого кванта, а именно от их соотношения. Противоречие снялось. Рассчитанные по этой формуле значения по всему спектру совпали с экспериментальными значениями. Если же рассчитать

,

то получим закон Стефана-Больцмана, а исследование функции на максимум по первой производной, т.е , приводит к закону смещения Вина.

Источники теплового излучения, применяемые для лечебных целей

Наиболее мощным источником теплового излучения является Солнце. Спектр излучения Солнца

п рактически совпадает со спектром излучения абсолютно черного тела. В атмосфере Земли спектр Солнца меняется из-за поглощения излучения молекулами газов атмосферы. Поток солнечной радиации, приходящийся на 1 м² площади границы земной атмосферы, составляет 1350 Вт. Эту величину называют солнечной

Рис. 13

постоянной. А вблизи поверхности Земли поток уменьшается и в разных местах её различен. Измеряют солнечную радиацию с помощью актинометров, которые состоят из нескольких термопар, соединенных последовательно.

Для лечебных целей используют искусственные источники излучения: лампы накаливания (Соллюкс), ИК-излучатели “Инфраруж”, ртутные лампы ПРК.

ИК- и УФ- излучение и их применение в медицине.

ИК - излучение лежит в диапазоне , т.е от красной границы видимого спектра до более высоких длин волн. 50% солнечного излучения относится в ИК- излучению. Оно не видимо для глаза. Обыкновенное стекло пропускает только около 3 % от всего падающего на него излучения и то в области , т.е вблизи видимого излучения, хорошо проходит через .

Для лечения используется короткая область излучения .

Первичное действие на ткани организма – тепловое. ИК- излучение проникает в ткани на глубину , прогревая их.

Особую роль играет ИК - излучение для диагностики заболеваний методом термографии и тепловидения, в основе которых лежат законы Стефана-Больцмана и Вина.

Источники ИК - излучения - лампы накаливания (Соллюкс), ИК-излучатели “Инфраруж”.

УФ - излучение лежит в диапазоне , т.е в области длин волн, короче длины волны фиолетового излучения видимой части излучения. Оно также невидимо для глаза.

Вредное действие УФ – излучения – вызывает ожог сетчатки глаза, а самое короткое излучение может обладать ионизирующим действием.

Первичное действие на ткани организма – фотохимические реакции. Проникает в ткани организма на глубину .

УФ – излучение делят на три зоны действия:

А – антирахитичная зона - . Под действием этого излучения в тканях организма проходят реакции, приводящие к получению витамина .

В – эритемная зона - . Под действием этого излучения проходят химические реакции, дающие загар.

С – бактерицидная зона - . Это излучение обладает большой энергией и убивает бактерии.

Источником УФ – излучения является Солнце, а в медицине – ртутные лампы ПРК, в которых излучение возникает при люминесценции паров ртути, находящихся в колбе из кварцевого стекла, хорошо пропускающего ультрафиолет.

Лекция 13