Атомная физика. Физика твердого тела. Квантовая физика.

В этом разделе мы рассмотрим явления, связанные с взаимодействием света с веществом: тепловое излучение, фотоэффект и эффект Комптона.

Закономерности этих явлений хорошо объясняются только на основе квантовых представлений, т.е. в предположении, что свет – это частицы (кванты, фотоны).

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

При переходе электрона в возбужденном атоме на более низкий энергетический уровень атом излучает квант энергии - электромагнитное излучение с определенной длиной волны. Если вещество представляет собой разреженный газ, в котором атомы практический не взаимодействуют друг с другом, то излучение состоит из определенного набора волн. Разлагая излучение разреженного газа в спектр, мы будем наблюдать отдельные линии (линейчатый спектр). Если газ образуют молекулы, которые вращаются, а атомы в них совершают колебания, то изменения в этих движениях (переходы) также сопровождаются излучением электромагнитных волн определенных частот. Так как при таких переходах энергия меняется значительно меньше, чем при электронных, линии в спектре будут располагаться более тесно, образуя полосы (полосатые спектры). Жидкости, в которых имеется сильное взаимодействие молекул между собой, также дают полосатые спектры излучения.

Излучение твердого тела дает сплошной спектр. Твердое тело можно представить себе как множество осцилляторов (излучателей), колеблющихся с самыми разнообразными частотами. Молекулы-осцилляторы находятся в непрерывном тепловом движении. Взаимодействуя друг с другом, они изменяют свои скорости, вследствие чего происходит излучение электромагнитных волн всевозможных частот. При температурах свыше 700^оС излучение становится видимым («красное каление»), при более высоких температурах наблюдается «белое каление

Излучение электромагнитных волн, происходящее за счет энергии теплового движения молекул, называют тепловым излучением. Если излучение находится в равновесии с излучающим телом, то излучение называют равновесным тепловым излучением.

Рассмотрим физические величины, характеризующие тепловое излучение. При этом мы не будем касаться углового распределения излучения, т.к. оно представляет чисто технический интерес при конструировании источников света.

Интегральные характеристики:

W (Дж)	энергия, излучаемая по всем длинам волн во всех направлениях
Дж/с = Вт	поток излучаемой энергии или мощность излучения - по смыслу это энергия, излучаемая в единицу времени
	Дж/(с.м2) = =Вт/м2	энергетическая (интегральная) светимость – это энергия, излучаемая в единицу времени с единичной площади по всем длинам волн

В спектре излучения твердого тела на разные длины волн приходится различная энергия, поэтому вводятся спектральные характеристики, учитывающие распределение излучаемой энергии по различным длинам волн:

Дж/(с.м2.м) =Вт/м3	излучательная способность (лучеиспускательная способность, спектральная плотность потока излучения) - это энергия, излучаемая в единицу времени единицей площади в единичном интервале длин волн (l - длина волны излучения)
Дж/(м2)	--²-- в единичном интервале частот (n- частота излучения)
	поглощательная способность (коэффициент поглощения) -это отношение поглощенного к падающему потоков, взятых в узком интервале длин волн вблизи данной длины волны
	отражательная способность (коэффициент отражения) - это отношение отраженного к падающему потоков, взятых в узком интервале длин волн вблизи данной длины волны
	соотношение между коэффициентами отражения и поглощения, следует из закона сохранения энергии

Энергетическая светимость R зависит только от температуры тела R=R(Т), спектральные характеристики излучения - r, а и r зависят как от температуры, так и от длины волны света l: r = r(l,Т), а = а(l,Т) и r = r (l,Т).

§		связь между излучательной способностью и энергетической светимостью в дифференциальной и интегральной формах для длин волн и частот	с – скорость света в вакууме
§§

Если в каких-либо формулах мы хотим перейти от l к n (и наоборот), следует приравнивать общее количество энергии, излученной в интервалах dl и dn:

dR=rl×dl = rn×dn

rl = rn (dn / dl)

При исследовании теплового излучения используется научная абстракция - абсолютно черное тело (АЧТ) –это тело, которое поглощает всё, падающее на него излучение, т.е. коэффициент поглощения АЧТ а_АЧТ = 1. Реальной моделью АЧТ может служить замкнутая полость с небольшим отверстием, цилиндр с перегородками, конус (см. рис.). На конусной установке можно получить коэффициент поглощения 0,99999. Если поддерживать температуру указанных тел постоянной, то из отверстия будет выходить электромагнитное излучение всевозможных длин волн, близкое к равновесному излучению АЧТ.

замкнутая полость с отверстием

цилиндр с перегородками

конусный излучатель

Еще одной моделью излучения реальных тел является серое тело – это тело, у которого коэффициент поглощения меньше единицы и при данной температуре является постоянным для всех длин волн. Кривая излучения серого тела повторяет ход кривой излучения АЧТ (см. дальше) при той же температуре, но идет ниже.

	Закон Кирхгофа: «Для всех тел отношение излучательной способности к его поглощательной способности при данной температуре Т и данной длине волны l является постоянным и равным излучательной способности АЧТ при тех же Т и l». Следствия из закона Кирхгофа:
	Все реальные тела при данной температуре излучают всегда меньше, чем АЧТ; r=ro×a< ro, т.к. для всех тел a< 1
	Если тело не поглощает каких-либо волн, оно и не будет их излучать, поэтому спектры излучения и спектры поглощения идентичны, но как бы перевернуты (максимум на одном соответствует минимуму на другом)
	Тело, которое сильно поглощает, должно и сильно излучать. Если на пластине на белом фоне нарисовать черный крест, то при нагревании крест будет светиться более интенсивно, чем фон..

Вывод закона Кирхгофа. Пусть некоторое тело 1 обменивается излучением с АЧТ (2), Температуры тел одинаковы. На единицу площади тела 1 падает поток излучения от АЧТ – ro. Часть этого потока r rо отражается от тела 1. В свою очередь тело излучает поток r. При тепловом равновесии ro = r +r rо = r + (1- а) rо Þ r / а = rо (r - коэффициент отражения, а – коэффициент поглощения)