Здавалка
Главная | Обратная связь

Распределение энергии в спектре излучения



 

Немецкий физик Планк предположил, что свет излучается не в виде волн, а виде определенных и неделимых порций энергии, которые он назвал квантами (квантум – количество, масса (латинский)). В современной физике кванты света называют фотонами.

При взаимодействии излучения с веществом в одних случаях наблюдаемые явления лучше объясняются волновыми свойствами (распространение света), а в других – квантовыми свойствами (испускание, поглощение света). Квантовая теория света объединила волновые и корпускулярные свойства света. Связь между волновыми и корпускулярными свойствами света выражается формулой Планка:

 
 

 


,

где e - энергия кванта; n - частота колебаний электромагнитного излучения. Чем больше частота, тем больше и квант излучаемой энергии. – постоянная Планка.

Атом вещества может испускать фотон при самопроизвольном переходе одного из электронов данного атома с более высокой орбиты с энергией на более низкую орбиту с энергией . При этом:

Согласно квантовой теории световое излучение заданной частоты n состоит из отдельных фотонов (квантов) определенной энергии e. Поскольку , то: – чем меньше длина волны l, тем больше квант излучаемой энергии. Опытным путем установлено, что пока фотон существует, он движется со скоростью света и ни при каких условиях не может замедлить свое движение или остановиться. При встрече с веществом фотон исчезает, а его энергия целиком переходит к поглотившей его частице, т.е. фотон не имеет массы покоя.

По квантовой теории объединение корпускулярных и волновых свойств является природным качеством всей материи вообще. Т.е. каждая частичка вещества обладает волновыми свойствами, а каждая

Рисунок 27. Распределение энергии в спектре излучения  
волна обладает корпускулярными свойствами.

Рассмотрим распределение энергии излучения абсолютно черного тела по длинам волн, полученное Планком для нескольких температур (рисунок 27). Жирная кривая показывает распределение энергии в спектре Солнца. Энергия излучения вещества растет с уменьшением длины волны, а пройдя максимум, уменьшается до 0 при малых длинах волн.

Объяснить эти графики можно только на основании гипотезы Планка: при низких температурах энергии теплового движения частиц тела недостаточно для создания квантов большой энергии. Поэтому чем выше температура тела, тем больше вероятность возникновения квантов большой энергии и тем интенсивнее излучение. Длина волны, на которую приходится наибольшая энергия излучения, тем меньше, чем выше температура излучающего тела.

Установив с помощью опыта, на какую длину волны приходится наибольшая интенсивность в спектре излучения тела, можно определить температуру тела. Такой способ определения температуры источника излучения называется оптической пирометрией, а приборы – пирометрами. Пирометрами бесконтактно измеряют температуру расплавленного металла, нити лампы накаливания и т.д.

Химическое действие света на светочувствительную бумагу хорошо объясняется квантовой теорией света. Поглощение фотонов света (квантов) увеличивает энергию молекул бумаги, активирует их, что и вызывает химические процессы в веществе. Чем больше величина энергии квантов, тем больше химическая активность вещества. Следовательно, химическое действие излучения выражено тем ярче, чем короче длина волны излучения. Поэтому красные лучи на обычную фотобумагу не действуют и можно печатать фотографии при красном свете.

Солнечные лучи приносят ежесекундно 1370 Дж энергии на каждый квадратный метр поперечного сечения Земли. Эта величина называется солнечной постоянной γ=1370 Дж/(м c)=1370 Вт/м². Энергия, отдаваемая Земле Солнцем, значительно больше, чем энергия, используемая всей промышленностью земного шара.

 

Лазер

 

Во второй половине 20 века был создан лазер– оптический квантовый генератор. Пучок света от лазера может прожечь отверстие в самом твердом материале, расплавить броню. С помощью лазера выполняются тонкие хирургические операции внутри человеческого глаза.

Физические основы работы лазера.

Известно, что атом может испускать излучение при самопроизвольном переходе атома из более высокого энергетического состояния в более низкое (рисунок 28). Такое излучение называется спонтанным(самопроизвольным). Оно происходит некогерентно, так как каждый атом начинает и заканчивает излучение независимо от других.

 

Рисунок 28. Спонтанное излучение атомом фотона с энергией  

 

А.Эйнштейн теоретически показал, что переход электрона с внешнего энергетического уровня на нижний уровень может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля с частотой, равной собственной частоте перехода . Такое излучение называется вынужденнымили индуцированным.

В результате взаимодействиявозбужденного атома c фотоном, частота которого равна частоте перехода , получаются 2 совершенно одинаковых по энергии и направлению движения фотона (рисунок29).

 

Рисунок 29. Индуцированное излучение атома

Происходит усиление электромагнитного колебания, причем индуцированное излучение является монохроматичным и когерентным. Это излучение и используется в лазерной технике.

При прохождении света через вещество, происходит поглощение фотонов атомами, находящимися в основном состоянии и переход этих атомов в возбужденное состояние. Тот же свет создает индуцированное излучение, переводя атомы из возбужденного состояния в основное.

Мощность индуцированного излучения зависит от числа атомов, находящихся в возбужденном состоянии. Состояние вещества, в котором меньше половины атомов находится в возбужденном состоянии, называется состояниемс нормальной населенностью энергетических уровней (рисунок 30,а). Состояние, в котором больше половины атомов вещества находится в возбужденном состоянии, называется состояниемс инверсной населенностьюэнергетических уровней (рисунок 30,б).

 

Рисунок 30. Нормальная (а) и инверсная (б) населенность энергетических уровней

 

При прохождении света определенной частоты через вещество с инверсной населенностью уровней, поток света усиливается.







©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.