Квантовые свойства света и строение атома

1. Квантовые свойства света. Тепловое излучение тел, его характеристики. Черное тело. Закон Кирхофа. Формула Планка. Закон Стефана-Больцмана. Закон Вина.

2. Использование излучения тела человека в диагностике. Понятие термографии и тепловидения.

3. Строение атома (ядерная модель). Недостатки Резерфордовской модели атома. Спектры излучения разреженных газов. Спектральный анализ, его использование в медицине.

4. Дискретность энергетических состояний атома. Постулаты Бора.

5. Квантовая теория строения атома водорода по Бору.

1. Квантовые свойства света. Тепловое излучение тел, его законы.

Из всего многообразия электромагнитных излучений, видимых и невидимых человеческим глазом, можно выделить одно, которое присуще всем телам. Это - излучение нагретых тел, или тепловое излучение. Оно возникает при любых температурах выше 0 К, поэтому испускается всеми телами. В зависимости от температуры тела изменяются интенсивность излучения и спектральный состав.

Среднюю мощность излучения за время, значительно большее периода световых колебаний, принимают за поток излучения Ф.

Поток излучения, испускаемый 1м² поверхности, называется энергетической светимостью. Она выражается в Вт/м².

Энергетическая светимость, соответствующая интервалу длин волн от до , равна

, (1)

где - cпектральная плотность энергетической светимости тела, равная отношению энергетической светимости узкого участка спектра к ширине этого участка.

Зависимость спектральной плотности энергетической светимости от длины волны называют спектром излучения тела.

Способность тела поглощать энергию излучения характеризуется коэффициентом поглощения, равным отношению потока излучения, поглощенного данным телом, к потоку излучения, упавшего на него:

(2)

Монохроматический коэффициент поглощения определяется как

(3)

Тело, коэффициент поглощения которого равен единице для всех частот, называют абсолютно черным.

Абсолютно черного тела в природе нет, но существуют их подобия: замкнутая непрерывная полость с малым отверстием, глазок мартеновской печи, сажа и т.д.

Луч, попавший в отверстие, многократно отразившись от стенок, почти полностью будет поглощен.

Тело, коэффициент поглощения которого меньше единицы и не зависит от длины волны света, падающего на него, называют серым.

Тело человека иногда считают серым, имеющим коэффициент поглощения ≈0,9 в инфракрасной части спектра.

Закон Кирхгофа: при одинаковой температуре отношение спектральной плотности энергетической светимости к монохроматическому коэффициенту поглощения одинаково для любых тел, в том числе и для черных:

, (4)

где - спектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела.

Излучение абсолютно черного тела имеет сплошной спектр. Существует максимум спектральной плотности энергетической светимости, который с повышением температуры смещается в сторону коротких волн. Энергетическая светимость абсолютно черного тела R_e можно найти как площадь, ограниченную кривой и осью абсцисс, или

(5)

Энергетическая светимость увеличивается по мере нагревания абсолютно черного тела. Зависимость спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела от температуры описывается формулой Планка, который высказал гипотезу о квантовом характере излучения и поглощения энергии:

, (6)

где h - постоянная Планка, k - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура, -длина волны излучения, с – скорость света в вакууме.

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

, (7)

где - постоянная Стефана-Больцмана.

Закон смещения Вина: длина волны, соответствующая максимуму излучения абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его абсолютной температуре:

, (8)

где b - постоянная Вина.

2. Термография- это регистрация излучения различных участков поверхности тела с целью диагностической интерпретации. Определение температуры осуществляется жидкокристаллическими индикаторами, оптические свойства которых очень чувствительны к небольшим изменениям температуры. Другой метод основан на применении тепловизоров, в которых используются чувствительные приемники инфракрасного излучения.

В основе термографии лежит явление увеличения интенсивности ИК – излучения над патологическими очагами. Обычно это проявляется появлением «горячей зоны».

Термографическая диагностика не оказывает никакого внешнего воздействия или неудобства для пациента и позволяет «увидеть» аномалии тепловой картины на коже пациента, которые характерны для многих заболеваний и физических расстройств.