Оптическая пирометрия

Оптическая пирометрия -это метод бесконтактного (дистанционного) измерения температуры нагретых тел. Приборы для измерения температуры бесконтактным методом называютпирометрами.С их помощью можно измерять температуру звезд. Солнца, расплавленного металла, нити накаливания ламп и т.п.

В зависимости от того, какая характеристика излучения нагретого тела измеряется, различают:

1.Цветовую температуру,определяемую по положению максимума(r⁰_)_mфункции Планкаr⁰_: T=b/_m -это первый закон Вина. Цветовая температура совпадает с истинной температурой тела.

2.Яркостную температуру,измеряемую по испускательной способности:

r_=a_r⁰_,Для чего надо знать коэффициент черноты телаa_T ,температура которого измеряется. Для выделения излучения с данной длиной волныиспользуется светофильтр.

3.Радиационную температуру,измеряемую по энергетической светимости серого тела:R_ =a_R⁰_ .

Яркостная и радиационная температуры не совпадают с истинной температурой тела. Это обусловлено тем, что все пирометры градуируются по светимоcти(спектральной r⁰_или интегральнойR⁰_) АЧТ, и серому телу приписывается температура АЧТ, имеющего такую же светимость(яркость), что и серое тело.

Так, согласно определению, связь радиационной температуры T_рс истинной температурой тела Т дается соотношением:

(1)

где Т_р -температура, показываемая пирометром.

Яркостная температура тела Т_Я связана с истиннойТсоотношением

(2)

Откуда истинная температура тела(единицей в знаменателе дроби пренебрегаем)

(3)

где Т_Я -температура, показываемая пирометром.

Элементы релятивистской механики.

Введем релятивистскую массу частицы m,зависящую от ее скорости:

где m_о -масса покоя частицы,с -скорость света, v -скорость частицы.

Введение релятивистской массы не совсем корректно, так как измеряемыми в опыте величинами являются импульс p и энергия Eчастицы. Тем не менее ее использование позволяет получить правильные выражения для наблюдаемых (измеряемых) в опыте Физических величин. Так, реляти­вистскийимпульс частицыбудет равен:p=mv

Энергия покоя частицы: E₀=m₀c²

Полная энергия частицы: E=mc²

Кинетическая энергия частицы: Т = E-Е_о= (m-m₀)с²

Связь между E , Е₀ , T и p :

(*)

Откуда импульс частицы через ее кинетическую энергию:

Частицы с нулевой массой покоя (фотоны).

Пусть частица имеет нулевую массу покоя m₀ = 0.Тогда ее энергия покоя также равна нулю: E₀ =m₀c² = 0, и согласно соотношению (*) полная энергия частицы и ее импульс связаны соотношением:

, или , еслиm₀ = 0 (1)

Учитывая, что E₀=mc², получим

, еслиm₀ = 0 (2)

С другой стороны p=mv. Имеем:

P=mv=mc, откудаv=c (3)

То есть частицы сm₀=0движутся со скоростью света. И наоборот, если скорость частицы равна скорости светаv=с. ,то такая частица обязательно имеетm₀= 0.

Релятивистскую массу частицы с m₀= 0можно найти, исходя из соотношений:

E=mc² илир=mс:

, еслиm₀= 0 (4)

Единственным объектом в природе, который может распространяться со скоростью света, являются ЭМ-волны, например свет. Но так как со скоростью света могут распространяться также частицы с m₀ = 0,то это наводит на мысль, что свет или ЭМ-волны можно рассматривать как поток частиц с нулевой массой покоя. Такие частицы Эйнштейн назвал фотонами или квантами (порциями) света.

Постулат Эйнштейна о Фотонах. Связь между волновыми и корпускулярными характеристиками фотона.

Как показывает опыт, если металл облучать светом, то из него вылетают электроны. Это явление было названо (внешним) фотоэффектом

Объяснить ФЭ с точки зрения волновой природы света не удается. Для объяснения ФЭ Эйнштейн предположил, что свет можно рассматривать как поток частиц(корпускул), которые он назвалквантами светаили Фотонами. Энергия фотона по предположению Эйнштейна равна:

(1)

где h= 6,62 10^-34 Дж с -постоянная Планка,и частота и длина волны, связанные соотношением =с .Используя релятивистские соотношения для частиц сm₀=0,получим для импульса фотона:

(2)

и его релятивистской массы

(3)

Формулы (1) - (3)выражают связь между корпускулярными (m, р,  ) и волновыми (, )характеристиками фотона.

Формулы для энергии и импульса p фотона удобно записывать в симметричной форме:

;(4)

где = 1,02 10^-34Дж с -постоянная Планка, -волновой вектор, длина которого k = 2называется волновым числом.

Волновые и корпускулярные свойства света и микрочастиц. корпускулярно-волновой дуализм.

Существует ряд явлений(интерференция, дифракция, дисперсия, поляризация, отражение и преломление света), которые объясняются в рамках волновой природы света. Кроме того, существует ряд явлений(фотоэффект, эффект Комптона, давление света), которые не могут быть объяснены или их объяснение имеет слишком сложный характер(давление света) в рамках волновых представлений, но эти явления находят объяснение в рамках ги­потезы Эйнштейна о корпускулярной природе света.

Отсюда следует, что в одних явлениях свет ведет себя как волны, а в других -как корпускулы. Эта особенность поведения света получила названиекорпускулярно-волнового дуализма.Дуализм -это двойственность.

Как показали дальнейшие исследования, свойством корпускулярно-волнового дуализма обладают не только ЭМ-волны(свет), но и все микрочастицы -электроны, нейтроны, протоны, для которых первичны корпускулярные свойства, но имеют место и волновые свойства - интерференция, дифракция и т.п.

Таким образом, корпускулярно-волновой дуализм является общим свойством всех микрочастиц(микробъектов) в природе.

Фотоэффект(внешний и внутренний).

Внешний фотоэффект -это явление выбивания электронов из атомов, молекул или твердых тел и жидкостей под действием света. В случае ато­мов и молекул внешний Фотоэффект обычно называютфотоионизацией.

Если имеет место поглощение света атомами или молекулами (без выбивания электронов), то это явление называют фотопоглощением.Поглощение света в случае твердых тел называютвнутренним фотоэффектом.Он проявляется в увеличении электропроводности полупроводников при их облучении светом.

Внешний фотоэффект.

Внешний фотоэффект (ФЭ) был открыт случайно Генрихом Герцем(1888) в его опытах по обнаружению ЭМ-волн, предсказанных теорией Максвела. Герц обнаружил, что при освещении отрицательного электрода искрового разрядника УФ-лучами, разряд происходит при меньшем напряжении между электродами.

В 1888-1889г. А.Г. Столетов провел систематическое исследование ФЭ на установке, представлявшей собой конденсатор с сеточной (анод) и сплошной(катод) пластинами. При освещениии сплошной пластнины светом в цепи возникал электрический ток, регистрируемый гальванометром G.

На основании опытов Столетов пришел к следую­щим выводам относительно ФЭ:

1. Наибольшее действие оказывают УФ-лучи

2.Сила тока возрастает с увеличением освещенности пластины.

3. Испуcкаемые под действием света заряды имеют отрицательный знак.

В 1898г. (через 10лет после опытов Столетова) Ленард и Дж. Дж. Томпсон провели более тщательное исследование ФЭ. Установка, использованная Ленардом, представляла собой откачанный баллон с окошком для пропускания световых лучей, изготовленным из кварца. Кварц в отличие от стекла пропускает УФ-лучи. Свет через окошко падал на катод, изготовленный из исследуемого материала.

На установке были получены: вольтамперная характеристика ФЭ зависимость фототока Iот напряжения U между анодом и катодом) и зависимость задерживающей разности потенциалов U₃,при которой прекращается ФЭ, от частоты падающего света(см.рис.).

При исследовании ФЭ были выявлены следующие закономерности

1.При увеличении UмеждуАиКфототок быстро достигает максимального значения I_н,называемоготоком насыщения.

2.При увеличении освещенности Е катода фототок увеличивается, при этом I_н=kE.

3.Фототок имеет место при U = 0.

4.Для прекращения ФЭ надо приложить задерживающую разность потенциалов илизадерживающее напряжение U₃,которое не зависит от освещенности Екатода, то есть независмо от освещенности катода все ВАХ начинаются при одном и том же значенииU₃.

5.При освещении катода светом разной частоты задерживающая разность потенциалов U₃увеличивается линейно с частотой света(см.график)

6.Существует минимальная частота света_ ,при которой начинается ФЭ Эту частоту называюткрасной границей ФЭ.Для разных веществ красная

граница ФЭ различна.

Как показал опыт, частицы, вылетающие из катода, являются отрицательно заряженными, а их удельный заряд (е/m) совпадает с удельным зарядом электрона.

^