docPromieniowanie cieplne ciał.
download 
Reklamacja Transkrypt
Promieniowanie cieplne ciał.
Promieniowanie cieplne ciał. Wypromieniowanie fal elektromagnetycznych przez ciała Promieniowanie cieplne (termiczne) Luminescencja Chemiluminescencja Elektroluminescencja Katodoluminescencja Fotoluminescencja Promieniowanie cieplne ciał. • Emitowanie fal elektromagnetycznych kosztem energii wewnętrznej ciał. • Promieniowanie cieplne emitowane jest w każdej temperaturze, jednak w niewielkich temperaturach, emitowane są jedynie długie fale elektromagnetyczne ( podczerwień). Promieniowanie cieplne ciał. • Barwne mapy termiczne zdjęcia -wykonano na kliszach czułych na podczerwień. Podobne można uzyskać z kamery termowizyjnej. • Skala temperatury prowadzi od bieli (tu jest najgoręcej), przez żółty, pomarańczowy, czerwony, purpurowy, po niebieski. Termogram Promieniowanie cieplne ciał. • Termogram: • Dziecko pije zimny napój • tu kolor czarny odpowiada 18C Zdjęcia: Focus nr 6 (2003) Promieniowanie cieplne ciał. Zastosowanie termografii Promieniowanie cieplne ciał. Strumień energii ∆Rλ emitowanej w przedziale długości fal od λ do λ+∆λ z elementarnej powierzchni ciała ∆S, charakteryzujemy poprzez spektralną zdolność emisyjną ciała rλ. ∆Rλ rλ = ∆S∆λ Stopień absorpcji fali elektromagnetycznej charakteryzujemy spektralną zdolnością absorpcyjną aλ, : zdefiniowaną jako stosunek strumienia energii ∆Φλ absorbowanej w zakresie spektralnym od λ do λ+ ∆λ do strumienia energii ∆Φ0λ padającej na daną powierzchnię w tym samym zakresie spektralnym, czyli ∆Φ λ aλ = ∆Φ 0λ Promieniowanie cieplne ciał. Ciało doskonale czarne jest to ciało całkowicie pochłaniające promieniowanie elektromagnetyczne padające na jego powierzchnię. Promieniowanie cieplne ciał. Prawo Wiena Prawo Wiena. Ze wzrostem temperatury widmo promieniowania ciała doskonale czarnego przesuwa się w stronę fal krótszych. Oznacza to, że ze wzrostem temperatury długość fali, dla której spektralna zdolność emisyjna jest maksymalna przesuwa się w kierunku niższych wartości. λmax ⋅ T = 2898 ⋅ µm ⋅ K Promieniowanie cieplne ciał. T1 T2 Prawo Wiena: T1 < T2 λmax ⋅ T = 2898 ⋅ µm ⋅ K Promieniowanie cieplne ciał. Wzór Rayleigha-Janasa Widmowa zdolność emisyjna: Rλ = 8π λ 4 kT Metoda nie budziła wątpliwości z punktu widzenia teorii fizyki klasycznej Efekt: „Katastrofa w nadfiolecie” Promieniowanie cieplne ciał. Prawo Kirchoffa Prawo Kirchoffa. Stosunek spektralnej zdolności emisyjnej do spektralnej zdolności absorpcyjnej nie zależy od rodzaju ciała i jest on dla wszystkich ciał jednakową, uniwersalną funkcją φ( λ ,T) długości fali i temperatury równą spektralnej zdolności emisyjnej ciała doskonale czarnego. rλ1 rλ2 rλ3 rλc.c c. c = = = = r λ 1 2 3 c. c aλ aλ a λ a λ Promieniowanie cieplne ciał. Założenia Maxa Plancka - energia zawarta w fali jest całkowitą wielokrotnością hc/λ : En = n hc λ , gdzie n = 1, 2, 3... - promieniowanie elekromagnetyczne jest emitowane oraz absorbowane w postaci osobnych porcji energii ( kwantów ) o wartości E = hc/λ , gdzie λ jest długością emitowanej ( absorbowanej ) fali. Stała Plancka h = 6.626 ×10 −34 Js Promieniowanie cieplne ciał. Konsekwencje założeń Plancka poziomy energetyczne molekuł muszą być dyskretne zmiana energii musi być wielokrotnością hc/λ fala elektromagnetyczna jest skwantowana Promieniowanie cieplne ciał. Prawo Plancka Widmowa zdolność emisyjna Ciała doskonale czarnego 2πc 2 h Rλ (λ,T) = 5 λ hc exp −1 λkT Długość emitowanej fali elektromagnetycznej Promieniowanie cieplne ciał. Przez scałkowanie Rλ względem λ otrzymujemy wyrażenie na całkowitą zdolność emisyjną: 2π k 4 R = T 3 2 15h c 5 4 * Prawo Stefana-Boltzmana Promieniowanie cieplne ciał. Prawo Stefana-Boltzmana R = σT * 4 Temperatura Całkowita zdolność emisyjna ciała doskonale czarnego W σ = 5.7 × 10 m2 K 4 −8 Prawo Stefana - Boltzmana. Strumień energii R* emitowany w całym zakresie spektralnym z jednostki powierzchni ciała doskonale czarnego (tzw. całkowita zdolność emisyjna) jest proporcjonalny do czwartej potęgi temperatury T w skali Kelvina. Promieniowanie cieplne ciał. Wykres widmowej zdolności emisyjnej ciała doskonale czarnego Według teorii: 1-Wiena, 2- Rayleigha-Janasa, 3-Plancka Zjawisko fotoelektryczne. K - katoda A - anoda Kw – okienko kwarcowe Zjawisko fotoelektryczne. Zjawisko fotoelektryczne. I Natężenie oświetlenia Zależność natężenia prądu fotoelektrycznego od natężenia oświetlenia badanej próbki. Zjawisko fotoelektryczne. Zależność prądu fotoelektrycznego od częstotliwości promieniowania Progowa częstotliwość promieniowania Promieniowanie od częstotliwości mniejszej od progowej nie wywołuje efektu fotoelektrycznego Progowa częstotliwość promieniowania zależy od rodzaju naświetlanej substancji. Zjawisko fotoelektryczne. Prąd nasycenia 1 - silniejsze oświetlenie powierzchni niż 2 Uh - potencjał hamowania Zależność prądu fotoelektrycznego od różnicy potencjałów, przyłożonej między elektrody Zjawisko fotoelektryczne. Uh ν0 - Częstotliwość progowa ν0 ν Zależność potencjału hamowania od częstotliwości promieniowania Zjawisko fotoelektryczne. •Właściwości fotoefektu –Elektrony emitowane są jedynie pod wpływem „oświetlenia” falą o częstotliwości większej od pewnej minimalnej –Maksymalna wartość energii kinetycznej emitowanych elektronów jest tym większa im większa jest częstotliwość fali, nie zależy jednak od natężenia oświetlenia –Natężenie fotoprądu jest proporcjonalne do wartości strumienia padającej fali –Elektrony emitowane są natychmiast Zjawisko fotoelektryczne. Przewidywania modelu falowego: -Dla odpowiednio dużego natężenia oświetlenia fale elekromagnetyczna o dowolnej długości powinna wywołać fotoefekt. Własność nie obserowana -Maksymalna energia kinetyczna elektronów powinna zależeć jedynie od natężenia oświetlenia, a nie od częstotliwości padającej fali. Własność nie obserowana Zjawisko fotoelektryczne. E + + + + + + + + + + + + Aby elektron mógł opuścić metal należy dostarczyć mu pewną minimalną wartość energii którą nazywamy pracą wyjścia. Energia ta może być uzyskana np. poprzez absorpcję energii fali elektromagnetycznej. Dla większości metali wartość pracy wyjścia jest bliska 4 eV. Zjawisko fotoelektryczne. Założenie Einsteina: Fala elektromagnetyczna o częstotliwości ν jest strumieniem cząstek ( fotonów) o energii E=hν , każdy. Wyjaśnienie: • W wyniku absorpcji fotonu przez elektron uzyskuje on energię E=hν. Jeżeli energia ta jest większa od pracy wyjścia A, elektron może opuścić powierzchnię katody i w układzie płynie fotoprąd. • Wraz ze wzrostem oświetlenia powierzchni katody ( tzn. wzrostem ilości fotonów padających w jednostce czasu na jednostkę powierzchni katody) rośnie ilość elektronów emitowanych z powierzchni, a tym samym wartość fotoprądu nasycenia. • Różnicę energii pomiędzy energią fotonu a pracą wyjścia elektron unosi w postaci jego energii kinetycznej. hν = A + Ek ,max Doświadczenie Bothego. F - cienka metalowa folia L - liczniki Geigera M - mechanizm stawiający Znaczniki na poruszającej się taśmie T. Doświadczenie wykazało istnienie oddzielnych cząstek światła- FOTONÓW Fotony Energia fotonu określona jest przez jego częstość: E = hω Masa spoczynkowa fotonu jest równa zeru; Foton zawsze porusza się z prędkością światła c; Pęd fotonu: E hω p= = c c
