Абсолютно черное тело

Тело, способное поглощать при любой температуре всё падающее на него излучение любой частоты называется абсолютно черным телом.

Спектральная поглощательная способность черного тела для всех частот и температур тождественно равна единице: .

Абсолютно черных тел в природе нет, однако такие тела, как сажа и черный бархат в определенном интервале частот близки к ним. Идеальной моделью черного тела является замкнутая полость с небольшим отверстием O , внутренняя поверхность которой зачернена. Луч, попавший внутрь такой полости, полностью поглощается.

ЗАКОН СТЕФАНА-БОЛЬЦМАНА.

С увеличение температуры возрастает лучеиспускательная способность черного тела. Энергетическая светимость черного тела пропорциональна четвертой степени термодинамической температуры (закон Стефана-Больцмана):

(5.28)

где σ = 5,67 *10^-8 Вт/(м² К⁴ ) — постоянная Стефана-Больцмана.

Закон смещения Вина.

Закон Стефана-Больцмана ничего не говорит о спектральном составе излучения черного тела. Положение максимума в спектре его излучения описывается экспериментальным законом смещения Вина.С увеличением температуры максимум излучения смещается в сторону более коротких волн.:

Длина волны , при которой излучательная способность черного тела максимальна, обратно пропорциональна его термодинамической температуре:

(5.29)

где b = 2,9 *10^-3 м·К — постоянная Вина.

КВАНТОВАЯ ГИПОТЕЗА ПЛАНКА

В классической физике испускание и поглощение излучения рассматривалось как непрерывный процесс. В 1890 г. Макс Планквыдвинул гипотезу: вещество не может испускать энергию излучению иначе как конечными порциями (квантовыми), пропорциональными частоте этого излучения. За открытие кванта в 1918 г. Планк удостоен Нобелевской премии. Энергия кванта равна:

, (5.30)

где h=6,62 10^-34 Дж×с – универсальная постоянная Планка (квант действия –является одной из универсальных постоянных в физике).

ФОТОЭФФЕКТ.

Фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется высвобождение электронов под действием электромагнитного излучения.

Различают фотоэффект внутренний, вентильный и внешний.

Внутренний фотоэффект — это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости – повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении.

Вентильный фотоэффект (разновидность внутреннего фотоэффекта)— возникновение ЭДС (фото-ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект используется в солнечных батареях для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения.

Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта — минимальная частота ν₀ света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

Для объяснения механизма фотоэффекта Эйнштейн предположил, что свет частотой ν не только испускается отдельными квантами (согласно гипотезе Планка), но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых

(5.31)

Кванты электромагнитного излучения, движущиеся со скоростью распространения света в вакууме(с), называются фотонами.

Масса покоя фотона равна 0. Т.е. квант э/магнитного излучения существует только распространяясь со скорость света , обладая при этом конечным значением энергии.

Энергия падающего фотона расходуется:

· на совершение электроном работы выхода A из металла

· на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии.

Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:

(5.32)

Это уравнение объясняет зависимость кинетической энергии фотоэлектронов от частоты падающего света (2й закон фотоэффекта).

Предельная частота (или, при которой кинетическая энергия фотоэлектронов становится равной нулю, и есть красная граница фотоэффекта (3й закон).

(5.33)

На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлементов и фотосопротивлений (фоторезисторов) в фотоэкспонометрах, люксметрах и устройствах управления и автоматизации различных процессов, пультах дистанционного управления, а также полупроводниковых фотоэлектронных умножителей и солнечных батарей.

КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ СВОЙСТВ СВЕТА:

Корпускулярно-волновой дуализм света – проявление взаимосвязи 2-х основных форм материи – вещества и поля.

ü Используя выражение для энергии фотона (кванта) с одной стороны

и с другой

можно записать

. (5.34)

Выражая частоту через скорость света и длину волны, получаем:

(5..35)

Сокращая на с и полагая, что mc=p импульсу фотона запишем выражение для импульса фотона

(5.36)

Масса фотона из формулы (5.35)

, т.к. (5.37)

Эти соотношения связывают квантовые (корпускулярные) характеристики фотона — массу, импульс и энергию — с волновой характеристикой света — его частотой

ü Квантовая механика, созданная для описания свойств квантовых объектов, основывается на предположении Луи де Бройля о том, что так же как свету присущи одновременно свойства частицы (корпускулы) и волны (двойственная корпускулярно-волновая природа света), так и электроны и любые другие элементарные частицыматерии наряду с корпускулярными обладают также волновыми свойствами.

Каждому объекту присущи как корпускулярные характеристики — энергияE и импульсp , так и волновые характеристики — частотаν и длина волныλ.

Соотношения между корпускулярными и волновыми характеристиками элементарных частиц такие же как для фотонов:

Таким образом, любой частице, обладающей импульсом (в том числе и частице, в отличие от фотона, обладающей массой покоя), сопоставляется волновой процесс с длиной волны, определяемой по формуле де Бройля:

(5.38)