Welcher Zusammenhang besteht zwischen den Energie-Leuchtkraftdichten? Das Stefan-Boltzmann-Gesetz der Wärmestrahlung ist der Zusammenhang zwischen der Energieleuchtkraft r e und der spektralen Dichte der Energieleuchtkraft eines schwarzen Körpers. Die Gefahren der ultravioletten Strahlung

d Φ e (\displaystyle d\Phi _(e)), emittiert von einem kleinen Bereich der Oberfläche der Strahlungsquelle, auf dessen Fläche d S (\displaystyle dS) : M e = d Φ e d S . (\displaystyle M_(e)=(\frac (d\Phi _(e))(dS)).)

Man sagt auch, dass die energetische Leuchtkraft die Oberflächendichte des emittierten Strahlungsflusses ist.

Numerisch ist die energetische Leuchtkraft gleich dem zeitlichen Mittelmodul der Poynting-Vektorkomponente senkrecht zur Oberfläche. In diesem Fall erfolgt die Mittelung über einen Zeitraum, der deutlich über der Periode elektromagnetischer Schwingungen liegt.

Die emittierte Strahlung kann in der Oberfläche selbst entstehen, man spricht dann von einer selbstleuchtenden Oberfläche. Eine weitere Möglichkeit ergibt sich, wenn die Oberfläche von außen beleuchtet wird. In solchen Fällen kehrt zwangsläufig ein Teil des einfallenden Flusses aufgrund von Streuung und Reflexion zurück. Dann hat der Ausdruck für energetische Leuchtkraft die Form:

M e = (ρ + σ) ⋅ E e , (\displaystyle M_(e)=(\rho +\sigma)\cdot E_(e),)

Wo ρ (\displaystyle \rho) Und σ (\displaystyle \sigma )- Reflexionskoeffizient bzw. Streukoeffizient der Oberfläche und - ihre Bestrahlungsstärke.

Andere Namen für energetische Leuchtkraft, die manchmal in der Literatur verwendet werden, aber von GOST nicht vorgesehen sind: - Emissionsgrad Und integraler Emissionsgrad.

Spektrale Dichte der energetischen Leuchtkraft

Spektrale Dichte der energetischen Leuchtkraft M e , λ (λ) (\displaystyle M_(e,\lambda )(\lambda))- Verhältnis der Größe der energetischen Leuchtkraft d M e (λ) , (\displaystyle dM_(e)(\lambda),) fällt auf ein kleines Spektralintervall d λ , (\displaystyle d\lambda ,), abgeschlossen zwischen λ (\displaystyle \lambda) Und λ + d λ (\displaystyle \lambda +d\lambda ), auf die Breite dieses Intervalls:

M e , λ (λ) = d M e (λ) d λ . (\displaystyle M_(e,\lambda )(\lambda)=(\frac (dM_(e)(\lambda))(d\lambda )).)

Die SI-Einheit ist W m−3. Da Wellenlängen optischer Strahlung üblicherweise in Nanometern gemessen werden, wird in der Praxis häufig W m −2 nm −1 verwendet.

Manchmal in der Literatur M e , λ (\displaystyle M_(e,\lambda )) werden genannt spektraler Emissionsgrad.

Leichtes Analogon

M v = K m ⋅ ∫ 380 n m 780 n m M e , λ (λ) V (λ) d λ , (\displaystyle M_(v)=K_(m)\cdot \int \limits _(380~nm)^ (780~nm)M_(e,\lambda )(\lambda)V(\lambda)d\lambda ,)

Wo K m (\displaystyle K_(m))- maximale Lichtstrahlungseffizienz von 683 lm/W im SI-System. Sein Zahlenwert ergibt sich direkt aus der Definition von Candela.

Informationen zu anderen grundlegenden energiephotometrischen Größen und ihren Lichtanalogen finden Sie in der Tabelle. Mengenangaben erfolgen nach GOST 26148-84.

Energiephotometrische SI-Größen

Name (Synonym)	Mengenbezeichnung	Definition	Notation von SI-Einheiten	Lichtstärke
Strahlungsenergie (Strahlungsenergie)	Q e (\displaystyle Q_(e)) oder W (\displaystyle W)	Durch Strahlung übertragene Energie	J	Lichtenergie
Strahlungsfluss (Strahlungsfluss)	Φ (\displaystyle \Phi ) e oder P (\displaystyle P)	Φ e = d Q e d t (\displaystyle \Phi _(e)=(\frac (dQ_(e))(dt)))	W	Lichtfluss
Strahlungsintensität (Lichtenergieintensität)	ich e (\displaystyle I_(e))	I e = d Φ e d Ω (\displaystyle I_(e)=(\frac (d\Phi _(e))(d\Omega )))	W sr −1	Die Kraft des Lichts
Volumetrische Strahlungsenergiedichte	U e (\displaystyle U_(e))	U e = d Q e d V (\displaystyle U_(e)=(\frac (dQ_(e))(dV)))	J m −3	Volumendichte der Lichtenergie
Energie Helligkeit	L e (\displaystyle L_(e))	L e = d 2 Φ e d Ω d S 1 cos ⁡ ε (\displaystyle L_(e)=(\frac (d^(2)\Phi _(e))(d\Omega \,dS_(1)\, \cos \varepsilon )))	W m−2 sr−1	Helligkeit
Integrale Energiehelligkeit	Λ e (\displaystyle \Lambda _(e))	Λ e = ∫ 0 t L e (t ′) d t ′ (\displaystyle \Lambda _(e)=\int _(0)^(t)L_(e)(t")dt")	J m −2 sr −1	Integrale Helligkeit
Bestrahlungsstärke (Bestrahlungsstärke)	E e (\displaystyle E_(e))	E e = d Φ e d S 2 (\displaystyle E_(e)=(\frac (d\Phi _(e))(dS_(2))))	W m−2

Energieleuchtkraft des Körpers- - eine physikalische Größe, die eine Funktion der Temperatur ist und numerisch gleich der Energie ist, die ein Körper pro Zeiteinheit von einer Flächeneinheit in alle Richtungen und über das gesamte Frequenzspektrum abgibt. J/s·m²=W/m²

Spektrale Dichte der energetischen Leuchtkraft- eine Funktion von Frequenz und Temperatur, die die Verteilung der Strahlungsenergie über das gesamte Frequenzspektrum (oder Wellenlängen) charakterisiert. , Eine ähnliche Funktion kann in Bezug auf die Wellenlänge geschrieben werden

Es kann nachgewiesen werden, dass die spektrale Dichte der Energieleuchtkraft, ausgedrückt in Frequenz und Wellenlänge, durch die folgende Beziehung zusammenhängt:

Absolut schwarzer Körper- eine in der Thermodynamik verwendete physikalische Idealisierung, ein Körper, der alle auf ihn einfallenden elektromagnetischen Strahlung in allen Bereichen absorbiert und nichts reflektiert. Entgegen dem Namen kann ein vollständig schwarzer Körper selbst elektromagnetische Strahlung beliebiger Frequenz aussenden und optisch eine Farbe haben. Das Strahlungsspektrum eines absolut schwarzen Körpers wird nur durch seine Temperatur bestimmt.

Die Bedeutung eines absolut schwarzen Körpers für die Frage nach dem Spektrum der Wärmestrahlung aller (grauen und farbigen) Körper im Allgemeinen liegt neben der Tatsache, dass es sich um den einfachsten nicht trivialen Fall handelt, auch darin, dass die Frage gestellt wird des Spektrums der Gleichgewichtswärmestrahlung von Körpern beliebiger Farbe und Reflexionskoeffizienten wird mit den Methoden der klassischen Thermodynamik auf die Frage der Strahlung eines absolut schwarzen Körpers reduziert (und historisch gesehen wurde dies bereits Ende des 19. Jahrhunderts getan, als das Problem der Strahlung eines absolut schwarzen Körpers trat in den Vordergrund).

Absolut schwarze Körper gibt es in der Natur nicht, daher wird in der Physik ein Modell für Experimente verwendet. Es handelt sich um einen geschlossenen Hohlraum mit einem kleinen Loch. Licht, das durch dieses Loch eindringt, wird nach wiederholter Reflexion vollständig absorbiert und das Loch erscheint von außen völlig schwarz. Wenn dieser Hohlraum jedoch erhitzt wird, entwickelt er seine eigene sichtbare Strahlung. Da die von den Innenwänden des Hohlraums emittierte Strahlung vor ihrem Verlassen (schließlich ist das Loch sehr klein) in den allermeisten Fällen eine große Menge neuer Absorption und Strahlung erfährt, können wir mit Sicherheit sagen, dass die Die Strahlung innerhalb des Hohlraums steht im thermodynamischen Gleichgewicht mit den Wänden. (Tatsächlich ist das Loch für dieses Modell überhaupt nicht wichtig, es wird nur benötigt, um die grundsätzliche Beobachtbarkeit der Strahlung im Inneren hervorzuheben; das Loch kann beispielsweise vollständig geschlossen und erst dann schnell geöffnet werden, wenn sich bereits ein Gleichgewicht eingestellt hat und die Messung wird durchgeführt).

2. Kirchhoffs Strahlungsgesetz- ein physikalisches Gesetz, das 1859 vom deutschen Physiker Kirchhoff aufgestellt wurde. In seiner modernen Formulierung lautet das Gesetz wie folgt: Das Verhältnis des Emissionsvermögens eines Körpers zu seinem Absorptionsvermögen ist für alle Körper bei einer bestimmten Temperatur und einer bestimmten Frequenz gleich und hängt nicht von ihrer Form, chemischen Zusammensetzung usw. ab.

Es ist bekannt, dass, wenn elektromagnetische Strahlung auf einen bestimmten Körper fällt, ein Teil davon reflektiert, ein Teil absorbiert und ein Teil durchgelassen werden kann. Der Anteil der bei einer bestimmten Frequenz absorbierten Strahlung wird aufgerufen Aufnahmefähigkeit Körper Andererseits gibt jeder erhitzte Körper nach einem sogenannten Gesetz Energie ab Emissionsgrad des Körpers.

Die Werte von und können beim Übergang von einem Körper zum anderen stark variieren, jedoch hängt das Verhältnis von Emissions- und Absorptionsfähigkeit nach dem Kirchhoffschen Strahlungsgesetz nicht von der Beschaffenheit des Körpers ab und ist eine universelle Funktion der Frequenz ( Wellenlänge) und Temperatur:

Per Definition absorbiert ein absolut schwarzer Körper die gesamte auf ihn einfallende Strahlung, also für ihn. Daher stimmt die Funktion mit dem Emissionsgrad eines absolut schwarzen Körpers überein, der durch das Stefan-Boltzmann-Gesetz beschrieben wird, wodurch der Emissionsgrad eines jeden Körpers nur anhand seines Absorptionsvermögens ermittelt werden kann.

Stefan-Boltzmann-Gesetz- das Gesetz der Schwarzkörperstrahlung. Bestimmt die Abhängigkeit der Strahlungsleistung eines absolut schwarzen Körpers von seiner Temperatur. Gesetzesaussage: Die Strahlungsleistung eines absolut schwarzen Körpers ist direkt proportional zur Oberfläche und der vierten Potenz der Körpertemperatur: P = Sεσ T 4, wobei ε der Emissionsgrad ist (für alle Stoffe ε).< 1, для абсолютно черного тела ε = 1).

Unter Verwendung des Planckschen Strahlungsgesetzes kann die Konstante σ wie folgt definiert werden: Wo ist die Plancksche Konstante? k- Boltzmann-Konstante, C- Lichtgeschwindigkeit.

Zahlenwert J s −1 m −2 K −4.

Der deutsche Physiker W. Wien (1864-1928) stellte unter Berufung auf die Gesetze der Thermo- und Elektrodynamik die Abhängigkeit der Wellenlänge l max vom Maximum der Funktion fest r l , T , auf Temperatur T. Entsprechend Wiensches Verschiebungsgesetz,l max =b/T

d.h. Wellenlänge l max entsprechend dem Maximalwert der spektralen Energiedichte der Leuchtkraft r l , T schwarzer Körper, ist umgekehrt proportional zu seiner thermodynamischen Temperatur, B- Wiensche Konstante: Ihr experimenteller Wert beträgt 2,9 · 10 -3 m K. Der Ausdruck (199.2) wird daher als Gesetz bezeichnet Offsets Der Fehler besteht darin, dass sich die Position des Maximums der Funktion verschiebt r l , T wenn die Temperatur in den Bereich kurzer Wellenlängen ansteigt. Das Wiener Gesetz erklärt, warum mit abnehmender Temperatur erhitzter Körper in deren Spektrum zunehmend langwellige Strahlung dominiert (z. B. der Übergang von Weißglut zu Rotglut beim Abkühlen eines Metalls).

Obwohl die Stefan-Boltzmann- und Wien-Gesetze eine wichtige Rolle in der Theorie der Wärmestrahlung spielen, handelt es sich dennoch um Sondergesetze, da sie kein allgemeines Bild der Häufigkeitsverteilung von Energie bei verschiedenen Temperaturen vermitteln.

3. Lassen Sie die Wände dieses Hohlraums das auf sie fallende Licht vollständig reflektieren. Platzieren wir einen Körper in der Höhle, der Lichtenergie aussendet. Im Inneren des Hohlraums entsteht ein elektromagnetisches Feld, das letztlich mit Strahlung gefüllt wird, die im thermischen Gleichgewicht mit dem Körper steht. Ein Gleichgewicht tritt auch dann ein, wenn der Wärmeaustausch des untersuchten Körpers mit seiner Umgebung auf irgendeine Weise vollständig eliminiert wird (wir werden dieses Gedankenexperiment beispielsweise im Vakuum durchführen, wenn es keine Phänomene der Wärmeleitfähigkeit gibt und Konvektion). Nur durch die Prozesse der Emission und Absorption von Licht wird ein Gleichgewicht erreicht: Der strahlende Körper hat eine Temperatur, die der Temperatur der elektromagnetischen Strahlung entspricht, die den Raum innerhalb des Hohlraums isotrop ausfüllt, und jeder ausgewählte Teil der Körperoberfläche wird so emittieren Es nimmt viel Energie pro Zeiteinheit auf. In diesem Fall muss das Gleichgewicht unabhängig von den Eigenschaften des in einem geschlossenen Hohlraum befindlichen Körpers eintreten, die jedoch die Zeit beeinflussen, die zur Herstellung des Gleichgewichts benötigt wird. Die Energiedichte des elektromagnetischen Feldes im Hohlraum wird, wie weiter unten gezeigt wird, im Gleichgewichtszustand nur durch die Temperatur bestimmt.

Zur Charakterisierung der Gleichgewichtswärmestrahlung ist nicht nur die volumetrische Energiedichte wichtig, sondern auch die Verteilung dieser Energie über das Spektrum. Daher werden wir die Gleichgewichtsstrahlung, die den Raum innerhalb des Hohlraums isotrop ausfüllt, mithilfe der Funktion charakterisieren u ω - spektrale Strahlungsdichte, d.h. die durchschnittliche Energie pro Volumeneinheit des elektromagnetischen Feldes, verteilt im Frequenzintervall von ω bis ω + δω und bezogen auf den Wert dieses Intervalls. Offensichtlich die Bedeutung uω sollte maßgeblich von der Temperatur abhängen, deshalb bezeichnen wir es u(ω, T). Gesamtenergiedichte U(T) verknüpft mit u(ω, T) Formel.

Streng genommen ist der Temperaturbegriff nur für die Gleichgewichtswärmestrahlung anwendbar. Unter Gleichgewichtsbedingungen muss die Temperatur konstant bleiben. Der Begriff der Temperatur wird jedoch häufig auch zur Charakterisierung glühender Körper verwendet, die sich nicht im Strahlungsgleichgewicht befinden. Darüber hinaus ist es bei einer langsamen Änderung der Parameter des Systems zu jedem Zeitpunkt möglich, seine Temperatur zu charakterisieren, die sich langsam ändert. Wenn also beispielsweise keine Wärme einströmt und die Strahlung auf eine Abnahme der Energie des leuchtenden Körpers zurückzuführen ist, sinkt auch dessen Temperatur.

Stellen wir einen Zusammenhang zwischen dem Emissionsgrad eines vollständig schwarzen Körpers und der spektralen Dichte der Gleichgewichtsstrahlung her. Dazu berechnen wir den Energiefluss, der auf einen einzelnen Bereich einfällt, der sich in einem geschlossenen Hohlraum befindet, der mit elektromagnetischer Energie mittlerer Dichte gefüllt ist U ω . Lassen Sie die Strahlung auf eine Einheitsfläche in der durch die Winkel θ und ϕ (Abb. 6a) bestimmten Richtung innerhalb des Raumwinkels dΩ fallen:

Da die Gleichgewichtsstrahlung isotrop ist, ist ein Anteil, der sich in einem bestimmten Raumwinkel ausbreitet, gleich der Gesamtenergie, die den Hohlraum füllt. Fluss elektromagnetischer Energie, der pro Zeiteinheit durch eine Flächeneinheit fließt

Ersetzen dΩ Ausdruck und Integration über ϕ innerhalb der Grenzen (0, 2π) und über θ innerhalb der Grenzen (0, π/2) erhalten wir den gesamten Energiefluss, der auf eine Flächeneinheit einfällt:

Offensichtlich ist es unter Gleichgewichtsbedingungen notwendig, den Ausdruck (13) des Emissionsvermögens eines absolut schwarzen Körpers gleichzusetzen Rω, charakterisiert den von der Plattform in einem Einheitsfrequenzintervall in der Nähe von ω abgegebenen Energiefluss:

Damit wird gezeigt, dass der Emissionsgrad eines vollständig schwarzen Körpers bis zu einem Faktor von c/4 mit der spektralen Dichte der Gleichgewichtsstrahlung übereinstimmt. Gleichheit (14) muss für jede Spektralkomponente der Strahlung erfüllt sein, daraus folgt F(ω, T)= u(ω, T) (15)

Abschließend weisen wir darauf hin, dass die Strahlung eines absolut schwarzen Körpers (z. B. Licht, das von einem kleinen Loch in einem Hohlraum emittiert wird) nicht mehr im Gleichgewicht sein wird. Insbesondere ist diese Strahlung nicht isotrop, da sie sich nicht in alle Richtungen ausbreitet. Aber die Energieverteilung über das Spektrum für eine solche Strahlung wird mit der spektralen Dichte der Gleichgewichtsstrahlung übereinstimmen, die den Raum innerhalb des Hohlraums isotrop ausfüllt. Dies ermöglicht uns die Verwendung der Beziehung (14), die bei jeder Temperatur gültig ist. Keine andere Lichtquelle weist eine ähnliche Energieverteilung im gesamten Spektrum auf. Beispielsweise weisen eine elektrische Entladung in Gasen oder ein Leuchten unter dem Einfluss chemischer Reaktionen Spektren auf, die sich deutlich vom Leuchten eines absolut schwarzen Körpers unterscheiden. Auch die Energieverteilung im Spektrum glühender Körper unterscheidet sich deutlich vom Leuchten eines absolut schwarzen Körpers, der höher war, wenn man die Spektren einer gewöhnlichen Lichtquelle (Glühlampen mit Wolframfaden) und eines absolut schwarzen Körpers vergleicht.

4. Basierend auf dem Gesetz der Gleichverteilung der Energie über die Freiheitsgrade: Für jede elektromagnetische Schwingung gibt es im Durchschnitt eine Energie, die der Summe von zwei Teilen kT entspricht. Die eine Hälfte stammt von der elektrischen Komponente der Welle, die zweite von der magnetischen Komponente. Die Gleichgewichtsstrahlung in einem Hohlraum kann an sich als ein System stehender Wellen dargestellt werden. Die Anzahl der stehenden Wellen im dreidimensionalen Raum ist gegeben durch:

In unserem Fall die Geschwindigkeit v sollte gleich gesetzt werden C Darüber hinaus können sich zwei elektromagnetische Wellen mit der gleichen Frequenz, aber mit zueinander senkrechten Polarisationen, in die gleiche Richtung bewegen, dann sollte (1) zusätzlich mit zwei multipliziert werden:

Also, Rayleigh und Jeans, wurde jeder Schwingung Energie zugeordnet. Durch Multiplikation von (2) mit erhalten wir die Energiedichte, die auf das Frequenzintervall dω fällt:

Den Zusammenhang zwischen dem Emissionsgrad eines vollständig schwarzen Körpers kennen F(ω, T) mit Gleichgewichtsdichte der thermischen Strahlungsenergie, z F(ω, T) finden wir: Die Ausdrücke (3) und (4) werden aufgerufen Rayleigh-Jeans-Formel.

Die Formeln (3) und (4) stimmen nur für lange Wellenlängen zufriedenstellend mit den experimentellen Daten überein; bei kürzeren Wellenlängen weicht die Übereinstimmung mit den experimentellen Daten stark ab. Darüber hinaus erfolgt die Integration (3) über ω im Bereich von 0 bis für die Gleichgewichtsenergiedichte u(T) ergibt einen unendlich großen Wert. Dieses Ergebnis heißt UV-Katastrophe, widerspricht offensichtlich dem Experiment: Das Gleichgewicht zwischen Strahlung und strahlendem Körper muss sich bei endlichen Werten einstellen u(T).

Ultraviolette Katastrophe- ein physikalischer Begriff, der das Paradoxon der klassischen Physik beschreibt, das darin besteht, dass die Gesamtleistung der Wärmestrahlung jedes erhitzten Körpers unendlich sein muss. Das Paradoxon erhielt seinen Namen aufgrund der Tatsache, dass die spektrale Leistungsdichte der Strahlung mit der Verkürzung der Wellenlänge auf unbestimmte Zeit zunehmen sollte. Im Wesentlichen zeigte dieses Paradoxon, wenn nicht die interne Inkonsistenz der klassischen Physik, so doch zumindest eine äußerst scharfe (absurde) Diskrepanz mit elementaren Beobachtungen und Experimenten.

5. Plancks Hypothese- eine am 14. Dezember 1900 von Max Planck aufgestellte Hypothese, die besagt, dass bei der Wärmestrahlung Energie nicht kontinuierlich, sondern in getrennten Quanten (Portionen) emittiert und absorbiert wird. Jeder dieser Quantenanteile hat Energie , proportional zur Frequenz ν Strahlung:

Wo H oder - der Proportionalitätskoeffizient, später Plancksche Konstante genannt. Basierend auf dieser Hypothese schlug er eine theoretische Ableitung des Zusammenhangs zwischen der Temperatur eines Körpers und der von diesem Körper emittierten Strahlung vor – die Plancksche Formel.

Plancks Formel- Ausdruck für die spektrale Leistungsdichte der Schwarzkörperstrahlung, der von Max Planck ermittelt wurde. Für Strahlungsenergiedichte u(ω, T):

Plancks Formel entstand, nachdem klar wurde, dass die Rayleigh-Jeans-Formel Strahlung nur im langwelligen Bereich zufriedenstellend beschreibt. Um die Formel herzuleiten, ging Planck im Jahr 1900 davon aus, dass elektromagnetische Strahlung in Form einzelner Energieanteile (Quanten) emittiert wird, deren Größe mit der Frequenz der Strahlung durch den Ausdruck zusammenhängt:

Der Proportionalitätskoeffizient wurde später Plancksches Wirkungsquantum = 1,054 · 10 −27 erg s genannt.

Um die Eigenschaften der Wärmestrahlung zu erklären, war es notwendig, das Konzept der Emission elektromagnetischer Strahlung in Portionen (Quanten) einzuführen. Die Quantennatur der Strahlung wird auch durch die Existenz einer kurzwelligen Grenze im Bremsstrahlungs-Röntgenspektrum bestätigt.

Röntgenstrahlung entsteht, wenn feste Ziele mit schnellen Elektronen beschossen werden. Hier besteht die Anode aus W, Mo, Cu, Pt – schweren feuerfesten Metallen oder Metallen mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Nur 1–3 % der Elektronenenergie werden für die Strahlung genutzt, der Rest wird an der Anode in Form von Wärme abgegeben, daher werden die Anoden mit Wasser gekühlt. In der Anodensubstanz erfahren die Elektronen eine starke Hemmung und werden zur Quelle elektromagnetischer Wellen (Röntgenstrahlen).

Die Anfangsgeschwindigkeit eines Elektrons beim Auftreffen auf die Anode wird durch die Formel bestimmt:

Wo U– Beschleunigungsspannung.

>Spürbare Emission wird nur bei einer starken Abbremsung schneller Elektronen beobachtet, ausgehend von U~ 50 kV, während ( Mit- Lichtgeschwindigkeit). In In– Betatrons – erhalten Elektronen eine Energie von bis zu 50 MeV = 0,99995 Mit. Indem wir solche Elektronen auf ein festes Ziel richten, erhalten wir Röntgenstrahlung mit kurzer Wellenlänge. Diese Strahlung hat eine große Durchschlagskraft. Nach der klassischen Elektrodynamik sollte beim Abbremsen eines Elektrons Strahlung aller Wellenlängen von Null bis Unendlich entstehen. Die Wellenlänge, bei der die maximale Strahlungsleistung auftritt, sollte mit zunehmender Elektronengeschwindigkeit abnehmen. Es gibt jedoch einen grundlegenden Unterschied zur klassischen Theorie: Null-Potenzverteilungen gehen nicht zum Koordinatenursprung, sondern brechen bei endlichen Werten ab – das ist kurzwelliges Ende des Röntgenspektrums.

Das wurde experimentell festgestellt

Die Existenz der Kurzwellengrenze ergibt sich direkt aus der Quantennatur der Strahlung. Wenn tatsächlich Strahlung aufgrund des Energieverlusts des Elektrons beim Bremsen auftritt, kann die Energie des Quants die Energie des Elektrons nicht überschreiten EU, d.h. , von hier oder .

In diesem Experiment können wir das Plancksche Wirkungsquantum bestimmen H. Von allen Methoden zur Bestimmung der Planckschen Konstante ist die Methode, die auf der Messung der kurzwelligen Grenze des Röntgen-Bremsstrahlungsspektrums basiert, die genaueste.

7. Fotoeffekt- Dies ist die Emission von Elektronen aus einer Substanz unter dem Einfluss von Licht (und im Allgemeinen jeder elektromagnetischen Strahlung). In kondensierten Stoffen (fest und flüssig) gibt es einen äußeren und inneren photoelektrischen Effekt.

Gesetze des photoelektrischen Effekts:

Formulierung 1. Gesetz des photoelektrischen Effekts: Die Anzahl der Elektronen, die Licht pro Zeiteinheit bei einer bestimmten Frequenz von der Oberfläche eines Metalls emittiert, ist direkt proportional zum Lichtfluss, der das Metall beleuchtet.

Entsprechend 2. Gesetz des photoelektrischen Effekts, Die maximale kinetische Energie der vom Licht ausgestoßenen Elektronen steigt linear mit der Frequenz des Lichts und hängt nicht von seiner Intensität ab.

3. Gesetz des photoelektrischen Effekts: Für jeden Stoff gibt es eine rote Grenze des photoelektrischen Effekts, also die minimale Lichtfrequenz ν 0 (oder maximale Wellenlänge λ 0), bei der der photoelektrische Effekt noch möglich ist, und wenn ν 0, dann ist der photoelektrische Effekt nicht mehr möglich tritt ein.

Die theoretische Erklärung dieser Gesetze wurde 1905 von Einstein gegeben. Danach ist elektromagnetische Strahlung ein Strom einzelner Quanten (Photonen) mit der Energie hν, wobei h das Plancksche Wirkungsquantum ist. Durch den photoelektrischen Effekt wird ein Teil der einfallenden elektromagnetischen Strahlung von der Metalloberfläche reflektiert, ein Teil dringt in die Oberflächenschicht des Metalls ein und wird dort absorbiert. Nachdem es ein Photon absorbiert hat, erhält das Elektron Energie von ihm und verlässt unter Ausübung einer Austrittsarbeit das Metall: Hν = Ein Aus + Wir, Wo Wir- die maximale kinetische Energie, die ein Elektron beim Verlassen des Metalls haben kann.

Aus dem Energieerhaltungssatz folgt bei der Darstellung von Licht in Form von Teilchen (Photonen) Einsteins Formel für den photoelektrischen Effekt: Hν = Ein Aus + Ek

Wo Ein Aus- sogenannt Austrittsarbeit (die minimale Energie, die erforderlich ist, um ein Elektron aus einer Substanz zu entfernen), Ek ist die kinetische Energie des emittierten Elektrons (abhängig von der Geschwindigkeit kann entweder die kinetische Energie eines relativistischen Teilchens berechnet werden oder nicht), ν ist die Frequenz des einfallenden Photons mit Energie Hν, H- Plancksche Konstante.

Arbeitsfuntkion- die Differenz zwischen der minimalen Energie (normalerweise gemessen in Elektronenvolt), die einem Elektron zu seiner „direkten“ Entfernung aus dem Volumen eines Festkörpers verliehen werden muss, und der Fermi-Energie.

„Roter“ Rand des Fotoeffekts- minimale Frequenz oder maximale Wellenlänge λ max Licht, bei dem der äußere photoelektrische Effekt noch möglich ist, d. h. die anfängliche kinetische Energie der Photoelektronen ist größer als Null. Die Frequenz hängt nur von der Ausgangsfunktion ab Ein Aus Elektron: , wo Ein Aus- Austrittsarbeit für eine bestimmte Fotokathode, H ist Plancks Konstante und Mit- Lichtgeschwindigkeit. Arbeitsfuntkion Ein Aus hängt vom Material der Fotokathode und der Beschaffenheit ihrer Oberfläche ab. Die Emission von Photoelektronen beginnt, sobald Licht der Frequenz bzw. Wellenlänge λ auf die Photokathode trifft.

Was ist also Wärmestrahlung?

Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung, die durch die Energie der Rotations- und Schwingungsbewegung von Atomen und Molekülen innerhalb eines Stoffes entsteht. Wärmestrahlung ist charakteristisch für alle Körper, deren Temperatur über dem absoluten Nullpunkt liegt.

Die Wärmestrahlung des menschlichen Körpers gehört zum Infrarotbereich elektromagnetischer Wellen. Diese Strahlung wurde erstmals vom englischen Astronomen William Herschel entdeckt. Im Jahr 1865 bewies der englische Physiker J. Maxwell, dass Infrarotstrahlung elektromagnetischer Natur ist und aus Wellen mit einer Länge von 760 besteht nm bis zu 1-2 mm. Am häufigsten wird der gesamte Bereich der IR-Strahlung in Bereiche unterteilt: nahe (750 nm-2.500nm), Durchschnitt (2.500 nm - 50.000nm) und Langstreckenrakete (50.000 nm-2.000.000nm).

Betrachten wir den Fall, dass sich Körper A im Hohlraum B befindet, der durch eine ideal reflektierende (für Strahlung undurchdringliche) Hülle C begrenzt ist (Abb. 1). Durch Mehrfachreflexion an der Innenfläche der Hülle wird die Strahlung im Spiegelhohlraum gespeichert und teilweise vom Körper A absorbiert. Unter solchen Bedingungen verliert das System Hohlraum B – Körper A keine Energie, sondern nur dort ein kontinuierlicher Energieaustausch zwischen Körper A und der Strahlung sein, die Hohlraum B füllt.

Abb.1. Mehrfachreflexion thermischer Wellen an den Spiegelwänden von Hohlraum B

Wenn die Energieverteilung für jede Wellenlänge unverändert bleibt, ist der Zustand eines solchen Systems im Gleichgewicht, und auch die Strahlung ist im Gleichgewicht. Die einzige Art der Gleichgewichtsstrahlung ist die thermische. Wenn sich aus irgendeinem Grund das Gleichgewicht zwischen Strahlung und Körper verschiebt, beginnen thermodynamische Prozesse, die das System wieder in den Gleichgewichtszustand bringen. Wenn Körper A anfängt, mehr abzugeben, als er aufnimmt, dann beginnt der Körper, innere Energie zu verlieren und die Körpertemperatur (als Maß für die innere Energie) beginnt zu sinken, was zu einer Verringerung der abgegebenen Energiemenge führt. Die Körpertemperatur sinkt, bis die abgegebene Energiemenge der vom Körper aufgenommenen Energiemenge entspricht. Somit stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein.

Die Gleichgewichtswärmestrahlung hat die folgenden Eigenschaften: homogen (die gleiche Energieflussdichte an allen Punkten des Hohlraums), isotrop (mögliche Ausbreitungsrichtungen sind gleich wahrscheinlich), unpolarisiert (die Richtungen und Werte der elektrischen und magnetischen Feldstärkevektoren). an allen Stellen des Hohlraums verändern sich chaotisch).

Die wichtigsten quantitativen Merkmale der Wärmestrahlung sind:

- energetische Leuchtkraft ist die Energiemenge elektromagnetischer Strahlung im gesamten Wellenlängenbereich der Wärmestrahlung, die ein Körper von einer Flächeneinheit pro Zeiteinheit in alle Richtungen aussendet: R = E/(S t), [J/(m 2). s)] = [W /m 2 ] Die Energieleuchtkraft hängt von der Beschaffenheit des Körpers, der Temperatur des Körpers, dem Zustand der Körperoberfläche und der Wellenlänge der Strahlung ab.

- spektrale Leuchtdichte - energetische Leuchtkraft eines Körpers für gegebene Wellenlängen (λ + dλ) bei gegebener Temperatur (T + dT): R λ,T = f(λ, T).

Die energetische Leuchtkraft eines Körpers innerhalb bestimmter Wellenlängen wird durch Integration von R λ,T = f(λ, T) für T = const berechnet:

- Absorptionskoeffizient - das Verhältnis der vom Körper aufgenommenen Energie zur einfallenden Energie. Wenn also Strahlung eines Flusses dФ inc auf einen Körper fällt, wird ein Teil davon von der Oberfläche des Körpers reflektiert – dФ neg, der andere Teil dringt in den Körper ein und verwandelt sich teilweise in Wärme dФ abs und der dritte Teil , nach mehreren inneren Reflexionen, durchdringt den Körper nach außen dФ inc : α = dФ abs./dФ down.

Der Absorptionskoeffizient α hängt von der Beschaffenheit des absorbierenden Körpers, der Wellenlänge der absorbierten Strahlung, der Temperatur und dem Zustand der Körperoberfläche ab.

- monochromatischer Absorptionskoeffizient- Absorptionskoeffizient der Wärmestrahlung einer bestimmten Wellenlänge bei einer bestimmten Temperatur: α λ,T = f(λ,T)

Unter den Körpern gibt es Körper, die alle auf sie einfallende Wärmestrahlung jeder Wellenlänge absorbieren können. Solche ideal absorbierenden Körper nennt man absolut schwarze Körper. Für sie ist α =1.

Es gibt auch graue Körper, für die α<1, но одинаковый для всех длин волн инфракрасного диапазона.

Das Schwarzkörpermodell ist eine kleine Hohlraumöffnung mit einer hitzebeständigen Hülle. Der Lochdurchmesser beträgt maximal 0,1 des Hohlraumdurchmessers. Bei konstanter Temperatur wird aus dem Loch etwas Energie abgegeben, die der energetischen Leuchtkraft eines vollständig schwarzen Körpers entspricht. Aber das Schwarze Loch ist eine Idealisierung. Doch die Gesetze der Wärmestrahlung des Schwarzen Körpers helfen dabei, realen Mustern näher zu kommen.

2. Gesetze der Wärmestrahlung

1. Kirchhoffs Gesetz. Wärmestrahlung ist ein Gleichgewicht – die Menge der von einem Körper abgegebenen Energie entspricht der Menge, die er von ihm absorbiert. Für drei Körper, die sich in einem geschlossenen Hohlraum befinden, können wir schreiben:

Die angegebene Beziehung gilt auch, wenn einer der Körper AC ist:

Weil für den schwarzen Körper α λT .
Dies ist das Kirchhoffsche Gesetz: Das Verhältnis der spektralen Dichte der energetischen Leuchtkraft eines Körpers zu seinem monochromatischen Absorptionskoeffizienten (bei einer bestimmten Temperatur und für eine bestimmte Wellenlänge) hängt nicht von der Beschaffenheit des Körpers ab und ist für alle Körper gleich die spektrale Dichte der energetischen Leuchtkraft bei gleicher Temperatur und Wellenlänge.

Folgerungen aus Kirchhoffs Gesetz:
1. Die spektrale energetische Leuchtkraft des schwarzen Körpers ist eine universelle Funktion der Wellenlänge und der Körpertemperatur.
2. Die spektrale Energieleuchtkraft des schwarzen Körpers ist am größten.
3. Die spektrale Energieleuchtkraft eines beliebigen Körpers ist gleich dem Produkt seines Absorptionskoeffizienten und der spektralen Energieleuchtkraft eines absolut schwarzen Körpers.
4. Jeder Körper sendet bei einer bestimmten Temperatur Wellen derselben Wellenlänge aus, die er bei einer bestimmten Temperatur aussendet.

Durch die systematische Untersuchung der Spektren mehrerer Elemente konnten Kirchhoff und Bunsen einen eindeutigen Zusammenhang zwischen den Absorptions- und Emissionsspektren von Gasen und der Individualität der entsprechenden Atome herstellen. Also wurde es vorgeschlagen Spektralanalyse, mit dem Sie Stoffe identifizieren können, deren Konzentration 0,1 nm beträgt.

Verteilung der spektralen Dichte der Energieleuchtkraft für einen absolut schwarzen Körper, einen grauen Körper, einen beliebigen Körper. Die letzte Kurve weist mehrere Maxima und Minima auf, was die Selektivität der Emission und Absorption solcher Körper anzeigt.

2. Stefan-Boltzmann-Gesetz.
Im Jahr 1879 stellten die österreichischen Wissenschaftler Joseph Stefan (experimentell für einen beliebigen Körper) und Ludwig Boltzmann (theoretisch für einen schwarzen Körper) fest, dass die gesamte energetische Leuchtkraft über den gesamten Wellenlängenbereich proportional zur vierten Potenz der absoluten Temperatur des Körpers ist:

3. Weingesetz.
Der deutsche Physiker Wilhelm Wien formulierte 1893 ein Gesetz, das die Lage der maximalen spektralen Dichte der Energieleuchtkraft eines Körpers im Strahlungsspektrum des schwarzen Körpers in Abhängigkeit von der Temperatur bestimmt. Nach dem Gesetz ist die Wellenlänge λ max, die die maximale spektrale Dichte der Energieleuchtkraft des schwarzen Körpers ausmacht, umgekehrt proportional zu seiner absoluten Temperatur T: λ max = В/t, wobei В = 2,9*10 -3 m·K ist die Wiensche Konstante.

Mit zunehmender Temperatur ändert sich also nicht nur die gesamte Strahlungsenergie, sondern auch die Form der Verteilungskurve der spektralen Energiedichte der Leuchtkraft. Mit zunehmender Temperatur verschiebt sich die maximale spektrale Dichte zu kürzeren Wellenlängen. Daher wird das Wiensche Gesetz als Verschiebungsgesetz bezeichnet.

Es gilt das Weingesetz in der optischen Pyrometrie- ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur aus dem Strahlungsspektrum stark erhitzter Körper, die vom Beobachter entfernt sind. Mit dieser Methode wurde erstmals die Temperatur der Sonne bestimmt (für 470 nm T = 6160 K).

Die vorgestellten Gesetze erlaubten es uns nicht, theoretisch Gleichungen für die Verteilung der spektralen Dichte der energetischen Leuchtkraft über Wellenlängen zu finden. Die Arbeiten von Rayleigh und Jeans, in denen Wissenschaftler die spektrale Zusammensetzung der Schwarzkörperstrahlung auf der Grundlage der Gesetze der klassischen Physik untersuchten, führten zu grundlegenden Schwierigkeiten, die als Ultraviolettkatastrophe bezeichnet werden. Im Bereich der UV-Wellen hätte die energetische Leuchtkraft des Schwarzen Körpers die Unendlichkeit erreichen sollen, in Experimenten ging sie jedoch auf Null zurück. Diese Ergebnisse widersprachen dem Energieerhaltungssatz.

4. Plancks Theorie. Ein deutscher Wissenschaftler stellte im Jahr 1900 die Hypothese auf, dass Körper nicht kontinuierlich, sondern in getrennten Portionen – Quanten – emittieren. Die Quantenenergie ist proportional zur Strahlungsfrequenz: E = hν = h·c/λ, wobei h = 6,63*10 -34 J·s Plancksches Wirkungsquantum.

Geleitet von Vorstellungen über die Quantenstrahlung des Schwarzen Körpers erhielt er eine Gleichung für die spektrale Dichte der Energieleuchtkraft des Schwarzen Körpers:

Diese Formel stimmt mit experimentellen Daten über den gesamten Wellenlängenbereich bei allen Temperaturen überein.

Die Sonne ist die Hauptquelle der Wärmestrahlung in der Natur. Sonnenstrahlung umfasst einen weiten Wellenlängenbereich: von 0,1 nm bis 10 m und mehr. 99 % der Sonnenenergie entsteht im Bereich von 280 bis 6000 nm. Pro Flächeneinheit der Erdoberfläche gibt es in den Bergen 800 bis 1000 W/m2. Ein zweimilliardstel Teil der Wärme erreicht die Erdoberfläche – 9,23 J/cm2. Für den Wärmestrahlungsbereich von 6000 bis 500000 nm macht 0,4 % der Sonnenenergie aus. In der Erdatmosphäre wird der Großteil der Infrarotstrahlung von Wasser-, Sauerstoff-, Stickstoff- und Kohlendioxidmolekülen absorbiert. Auch die Funkreichweite wird größtenteils von der Atmosphäre absorbiert.

Die Energiemenge, die die Sonnenstrahlen pro 1 s auf eine Fläche von 1 m² bringen, die sich außerhalb der Erdatmosphäre in einer Höhe von 82 km senkrecht zu den Sonnenstrahlen befindet, wird als Sonnenkonstante bezeichnet. Sie beträgt 1,4 * 10 3 W/m 2.

Die spektrale Verteilung der normalen Flussdichte der Sonnenstrahlung stimmt mit der des Schwarzen Körpers bei einer Temperatur von 6000 Grad überein. Daher ist die Sonne im Verhältnis zur Wärmestrahlung ein schwarzer Körper.

3. Strahlung von realen Körpern und dem menschlichen Körper

Bei der Wärmeübertragung spielt die Wärmestrahlung von der Oberfläche des menschlichen Körpers eine große Rolle. Es gibt folgende Methoden der Wärmeübertragung: Wärmeleitfähigkeit (Leitung), Konvektion, Strahlung, Verdunstung. Abhängig von den Bedingungen, unter denen sich eine Person befindet, kann jede dieser Methoden eine dominierende Rolle spielen (bei sehr hohen Umgebungstemperaturen spielt beispielsweise die Verdunstung die führende Rolle, bei kaltem Wasser die Leitung und eine Wassertemperatur von 15 °C). Grad ist eine tödliche Umgebung für nackte Personen, und nach 2–4 Stunden kommt es zu Ohnmacht und Tod aufgrund von Unterkühlung des Gehirns. Der Anteil der Strahlung an der gesamten Wärmeübertragung kann zwischen 75 und 25 % liegen. Unter normalen Bedingungen etwa 50 % im physiologischen Ruhezustand.

Wärmestrahlung, die im Leben lebender Organismen eine Rolle spielt, wird in kurze Wellenlängen (von 0,3 bis 3) unterteilt µm) und lange Wellenlänge (von 5 bis 100). µm). Die Quelle der kurzwelligen Strahlung sind die Sonne und offene Flammen, und lebende Organismen sind ausschließlich Empfänger dieser Strahlung. Langwellige Strahlung wird von lebenden Organismen sowohl emittiert als auch absorbiert.

Der Wert des Absorptionskoeffizienten hängt vom Verhältnis der Temperaturen des Mediums und des Körpers, der Fläche ihrer Wechselwirkung, der Ausrichtung dieser Flächen und bei kurzwelliger Strahlung von der Farbe der Oberfläche ab. So werden bei Schwarzen nur 18 % der kurzwelligen Strahlung reflektiert, während es bei Menschen der weißen Rasse etwa 40 % sind (höchstwahrscheinlich hatte die Hautfarbe der Schwarzen in der Evolution nichts mit der Wärmeübertragung zu tun). Bei langwelliger Strahlung liegt der Absorptionskoeffizient nahe bei 1.

Die Berechnung der Wärmeübertragung durch Strahlung ist eine sehr schwierige Aufgabe. Das Stefan-Boltzmann-Gesetz kann nicht auf reale Körper angewendet werden, da diese eine komplexere Abhängigkeit der energetischen Leuchtkraft von der Temperatur aufweisen. Es stellt sich heraus, dass es von der Temperatur, der Beschaffenheit des Körpers, der Form des Körpers und dem Zustand seiner Oberfläche abhängt. Bei einer Temperaturänderung ändern sich der Koeffizient σ und der Temperaturexponent. Die Oberfläche des menschlichen Körpers hat eine komplexe Konfiguration, die Person trägt Kleidung, die die Strahlung verändert, und der Prozess wird durch die Körperhaltung der Person beeinflusst.

Für einen grauen Körper wird die Strahlungsleistung im gesamten Bereich durch die Formel bestimmt: P = α d.t. σ·T 4 ·S Wenn man davon ausgeht, dass reale Körper (menschliche Haut, Bekleidungsstoffe) mit bestimmten Näherungsbedingungen den grauen Körpern nahe kommen, können wir eine Formel zur Berechnung der Strahlungsleistung realer Körper bei einer bestimmten Temperatur finden: P = α· σ·T 4 ·S Unter verschiedenen Bedingungen Temperaturen des strahlenden Körpers und der Umgebung: P = α·σ·(T 1 4 - T 2 4)·S
Es gibt Merkmale der spektralen Dichte der Energieleuchtkraft realer Körper: bei 310 ZU, was der durchschnittlichen menschlichen Körpertemperatur entspricht, liegt die maximale Wärmestrahlung bei 9700 nm. Jede Änderung der Körpertemperatur führt zu einer Änderung der Leistung der Wärmestrahlung von der Körperoberfläche (0,1 Grad reichen aus). Daher hilft die Untersuchung von Hautbereichen, die über das Zentralnervensystem mit bestimmten Organen verbunden sind, bei der Identifizierung von Krankheiten, aufgrund derer sich die Temperatur erheblich ändert ( Thermographie der Zakharyin-Ged-Zonen).

Eine interessante Methode der berührungslosen Massage mit dem menschlichen Biofeld (Juna Davitashvili). Wärmestrahlungsleistung der Handfläche 0,1 W und die thermische Empfindlichkeit der Haut beträgt 0,0001 W/cm 2 . Wenn Sie auf die oben genannten Zonen einwirken, können Sie die Arbeit dieser Organe reflexartig anregen.

4. Biologische und therapeutische Wirkungen von Hitze und Kälte

Der menschliche Körper sendet und absorbiert ständig Wärmestrahlung. Dieser Vorgang hängt von der Temperatur des menschlichen Körpers und der Umgebung ab. Die maximale Infrarotstrahlung des menschlichen Körpers liegt bei 9300 nm.

Mit kleinen und mittleren Dosen der IR-Bestrahlung werden Stoffwechselprozesse gefördert und enzymatische Reaktionen, Regenerations- und Reparaturprozesse beschleunigt.

Durch die Einwirkung von Infrarotstrahlen und sichtbarer Strahlung werden im Gewebe biologisch aktive Substanzen (Bradykinin, Kalidin, Histamin, Acetylcholin, hauptsächlich vasomotorische Substanzen, die eine Rolle bei der Umsetzung und Regulierung des lokalen Blutflusses spielen) gebildet.

Durch die Einwirkung von Infrarotstrahlen werden Thermorezeptoren in der Haut aktiviert, von denen Informationen an den Hypothalamus gesendet werden, wodurch sich die Blutgefäße der Haut erweitern, das darin zirkulierende Blutvolumen zunimmt und es zu Schwitzen kommt erhöht sich.

Die Eindringtiefe der Infrarotstrahlen hängt von der Wellenlänge, der Hautfeuchtigkeit, der Blutfüllung, dem Pigmentierungsgrad usw. ab.

Unter dem Einfluss von Infrarotstrahlen treten auf der menschlichen Haut rote Erytheme auf.

In der klinischen Praxis wird es zur Beeinflussung der lokalen und allgemeinen Hämodynamik, zur Steigerung des Schwitzens, zur Muskelentspannung, zur Schmerzlinderung, zur Beschleunigung der Resorption von Hämatomen, Infiltraten usw. eingesetzt.

Unter Hyperthermiebedingungen wird die Antitumorwirkung der Strahlentherapie – Thermoradiotherapie – verstärkt.

Die Hauptindikationen für den Einsatz der IR-Therapie: akute nichteitrige Entzündungsprozesse, Verbrennungen und Erfrierungen, chronische Entzündungsprozesse, Geschwüre, Kontrakturen, Verwachsungen, Verletzungen von Gelenken, Bändern und Muskeln, Myositis, Myalgie, Neuralgie. Hauptkontraindikationen: Tumore, eitrige Entzündungen, Blutungen, Kreislaufversagen.

Kälte wird eingesetzt, um Blutungen zu stoppen, Schmerzen zu lindern und bestimmte Hautkrankheiten zu behandeln. Härten führt zu Langlebigkeit.

Unter dem Einfluss von Kälte sinken Herzfrequenz und Blutdruck, Reflexreaktionen werden gehemmt.

In bestimmten Dosen stimuliert Kälte die Heilung von Verbrennungen, eitrigen Wunden, trophischen Geschwüren, Erosionen und Bindehautentzündungen.

Kryobiologie- untersucht die Prozesse, die in Zellen, Geweben, Organen und im Körper unter dem Einfluss niedriger, nicht physiologischer Temperaturen ablaufen.

Wird in der Medizin verwendet Kryotherapie Und Hyperthermie. Die Kryotherapie umfasst Methoden, die auf der dosierten Kühlung von Geweben und Organen basieren. Bei der Kryochirurgie (Teil der Kryotherapie) wird lokales Einfrieren von Geweben zum Zweck ihrer Entfernung verwendet (Teil der Mandeln. Wenn überhaupt - Kryotonsillektomie. Tumore können entfernt werden, zum Beispiel Haut, Gebärmutterhals usw.) Kryoextraktion basierend auf Kryoadhäsion (Adhäsion von nasse Körper bis hin zu einem gefrorenen Skalpell ) - Trennung eines Teils von einem Organ.

Durch Hyperthermie ist es möglich, die Funktionen von Organen in vivo für einige Zeit aufrechtzuerhalten. Unterkühlung mit Hilfe einer Anästhesie wird zur Erhaltung der Organfunktion bei fehlender Blutversorgung eingesetzt, da der Gewebestoffwechsel verlangsamt wird. Gewebe werden resistent gegen Hypoxie. Es kommt eine Kaltanästhesie zum Einsatz.

Die Wärmeeinwirkung erfolgt mit Glühlampen (Minin-Lampe, Solux, Licht-Thermalbad, IR-Strahlenlampe) unter Verwendung physikalischer Medien mit hoher Wärmekapazität, schlechter Wärmeleitfähigkeit und gutem Wärmespeichervermögen: Schlamm, Paraffin, Ozokerit, Naphthalin usw.

5. Physikalische Grundlagen der Thermografie

Die Thermografie bzw. Wärmebildgebung ist eine funktionsdiagnostische Methode, die auf der Aufzeichnung der Infrarotstrahlung des menschlichen Körpers basiert.

Es gibt zwei Arten der Thermografie:

- Kontakt-Cholesterin-Thermographie: Die Methode nutzt die optischen Eigenschaften cholesterischer Flüssigkristalle (Mehrkomponentenmischungen aus Estern und anderen Cholesterinderivaten). Solche Stoffe reflektieren selektiv unterschiedliche Wellenlängen, was es ermöglicht, auf Filmen dieser Stoffe Bilder des Wärmefeldes der Oberfläche des menschlichen Körpers zu erhalten. Ein weißer Lichtstrahl wird auf den Film gerichtet. Abhängig von der Temperatur der Oberfläche, auf die das Cholesterin aufgetragen wird, werden unterschiedliche Wellenlängen unterschiedlich vom Film reflektiert.

Unter Temperatureinfluss können Cholesterinstoffe ihre Farbe von Rot nach Lila ändern. Dadurch entsteht ein Farbbild des Wärmefeldes des menschlichen Körpers, das bei Kenntnis der Temperatur-Farb-Beziehung leicht zu entziffern ist. Es gibt Cholesterintests, mit denen sich ein Temperaturunterschied von 0,1 Grad messen lässt. Somit ist es möglich, die Grenzen des Entzündungsprozesses und die Herde der entzündlichen Infiltration in verschiedenen Stadien seiner Entwicklung zu bestimmen.

In der Onkologie ermöglicht die Thermographie die Identifizierung von metastatischen Knoten mit einem Durchmesser von 1,5-2 mm in der Brustdrüse, der Haut, der Schilddrüse; in der Orthopädie und Traumatologie die Blutversorgung jedes Gliedmaßensegments beurteilen, z. B. vor einer Amputation, die Tiefe der Verbrennung vorhersehen usw.; in der Kardiologie und Angiologie Störungen der normalen Funktion des Herz-Kreislauf-Systems, Durchblutungsstörungen aufgrund von Vibrationserkrankungen, Entzündungen und Verstopfungen von Blutgefäßen identifizieren; Krampfadern usw.; in der Neurochirurgie den Ort von Nervenleitungsläsionen bestimmen, den Ort einer durch Schlaganfall verursachten Neuroparalyse bestätigen; in der Geburtshilfe und Gynäkologie bestimmen Sie die Schwangerschaft und die Lokalisierung des Kindes; diagnostizieren ein breites Spektrum entzündlicher Prozesse.

- Telethermographie - basiert auf der Umwandlung der Infrarotstrahlung des menschlichen Körpers in elektrische Signale, die auf dem Bildschirm einer Wärmebildkamera oder eines anderen Aufzeichnungsgeräts aufgezeichnet werden. Die Methode ist berührungslos.

IR-Strahlung wird von einem Spiegelsystem wahrgenommen, wonach die IR-Strahlen auf den IR-Wellenempfänger gerichtet werden, dessen Hauptbestandteil der Detektor ist (Fotowiderstand, Metall- oder Halbleiterbolometer, Thermoelement, fotochemischer Indikator, elektronenoptischer Wandler, piezoelektrisch). Detektoren usw.).

Elektrische Signale vom Empfänger werden an einen Verstärker und dann an ein Steuergerät übertragen, das dazu dient, Spiegel zu bewegen (ein Objekt abzutasten), eine TIS-Punktlichtquelle aufzuheizen (proportional zur Wärmestrahlung) und fotografischen Film zu bewegen. Jedes Mal wird der Film entsprechend der Körpertemperatur am Untersuchungsort mit TIS beleuchtet.

Nach dem Steuergerät kann das Signal an ein Computersystem mit Display übermittelt werden. Dadurch können Sie Thermogramme speichern und mit Analyseprogrammen weiterverarbeiten. Zusätzliche Möglichkeiten bieten Farbwärmebildkameras (Farben mit ähnlicher Temperatur werden in Kontrastfarben angezeigt) und es können Isothermen gezeichnet werden.

Viele Unternehmen haben in letzter Zeit erkannt, dass es manchmal ziemlich schwierig ist, einen potenziellen Kunden zu erreichen; ihr Informationsfeld ist so mit Werbebotschaften aller Art überladen, dass sie einfach nicht mehr wahrgenommen werden.
Der aktive Telefonverkauf entwickelt sich zu einer der effektivsten Möglichkeiten, den Umsatz in kurzer Zeit zu steigern. Ziel der Kaltakquise ist es, Kunden zu gewinnen, die sich bisher noch nicht für ein Produkt oder eine Dienstleistung beworben haben, aber aus mehreren Gründen potenzielle Kunden sind. Nach dem Wählen der Telefonnummer muss der aktive Vertriebsleiter den Zweck des Kaltanrufs klar verstehen. Schließlich erfordern Telefongespräche vom Vertriebsleiter besonderes Geschick und Geduld sowie Kenntnisse über Verhandlungstechniken und -techniken.

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EMISSION UND ABSORPTION VON ENERGIE

ATOME UND MOLEKÜLE

FRAGEN AN DIE KLASSE ZUM THEMA:

1. Wärmestrahlung. Seine Hauptmerkmale: Strahlungsfluss Ф, Energieleuchtkraft (Intensität) R, spektrale Dichte der Energieleuchtkraft r λ; Absorptionskoeffizient α, monochromatischer Absorptionskoeffizient α λ. Absolut schwarzer Körper. Kirchhoffs Gesetz.

2. Wärmestrahlungsspektren von a.ch.t. (Zeitplan). Die Quantennatur der Wärmestrahlung (Plancks Hypothese; es ist nicht nötig, sich die Formel für ε λ zu merken). Abhängigkeit des Spektrums von a.ch.t. zur Temperatur (Grafik). Weingesetz. Stefan-Boltzmann-Gesetz für a.ch.t. (ohne Ausgabe) und für andere Stellen.

3. Die Struktur der elektronischen Hüllen von Atomen. Energieniveaus. Emission von Energie bei Übergängen zwischen Energieniveaus. Bohrs Formel ( für Frequenz und für Wellenlänge). Spektren von Atomen. Spektrum eines Wasserstoffatoms. Spektralserie. Allgemeines Konzept der Spektren von Molekülen und kondensierter Materie (Flüssigkeiten, Feststoffe). Das Konzept der Spektralanalyse und seine Verwendung in der Medizin.

4. Lumineszenz. Arten der Lumineszenz. Fluoreszenz und Phosphoreszenz. Die Rolle metastabiler Ebenen. Lumineszenzspektren. Stokes-Regel. Lumineszenzanalyse und ihre Verwendung in der Medizin.

5. Gesetz der Lichtabsorption (Bouguer-Gesetz; Schlussfolgerung). Transmissionsgrad τ und optische Dichte D. Bestimmung der Konzentration von Lösungen durch Lichtabsorption.

Laborarbeit: „Aufzeichnung des Absorptionsspektrums und Bestimmung der Konzentration der Lösung mit einem Photoelektrokolorimeter.“

LITERATUR:

Obligatorisch: A. N. Remizov. „Medizinische und biologische Physik“, M., „Higher School“, 1996, Kap. 27, §§ 1–3; Kapitel 29, §§ 1,2

• zusätzlich: Emission und Absorption von Energie durch Atome und Moleküle, Vortrag, Risograph, Hrsg. Abteilung, 2002

GRUNDLEGENDE DEFINITIONEN UND FORMELN

1. Wärmestrahlung

Alle Körper senden auch ohne äußere Einwirkung elektromagnetische Wellen aus. Die Energiequelle dieser Strahlung ist die thermische Bewegung der Teilchen, aus denen der Körper besteht, weshalb er auch genannt wird Wärmestrahlung. Bei hohen Temperaturen (ca. 1000 K oder mehr) fällt diese Strahlung teilweise in den Bereich des sichtbaren Lichts, bei niedrigeren Temperaturen werden Infrarotstrahlen und bei sehr niedrigen Temperaturen Radiowellen ausgesendet.

Strahlungsfluss F - Das Strahlungsleistung, die von der Quelle abgegeben wird, oder Pro Zeiteinheit emittierte Strahlungsenergie: Ф = Р = ; Durchflusseinheit - Watt.

Energetische Leuchtkraft R - Das Strahlungsfluss, der von einer Einheitsoberfläche eines Körpers emittiert wird: ; Einheit der energetischen Leuchtkraft – W.m –2 .

Spektrale Dichte der energetischen Leuchtkraft R λ - Das das Verhältnis der energetischen Leuchtkraft eines Körpers innerhalb eines kleinen Wellenlängenintervalls (ΔR λ ) auf den Wert dieses Intervalls Δ λ:

Maß r λ – W.m - 3

Absolut schwarzer Körper (A.B.T.) namens t was gegessen hatvöllig absorbiert einfallende Strahlung. In der Natur gibt es solche Körper nicht, aber ein gutes Modell eines a.ch.t. ist ein kleines Loch in einem geschlossenen Hohlraum.

Charakterisiert die Fähigkeit von Körpern, einfallende Strahlung zu absorbieren Absorptionskoeffizient α , also Verhältnis von absorbiertem zu einfallendem Strahlungsfluss: .

Monochromatischer Absorptionskoeffizient ist der Wert des Absorptionskoeffizienten, der in einem engen Spektralbereich um einen bestimmten Wert λ gemessen wird.

Kirchhoffs Gesetz: bei konstanter Temperatur das Verhältnis der spektralen Dichte der energetischen Leuchtkraft bei einer bestimmten Wellenlänge zum monochromatischen Absorptionskoeffizienten bei derselben Wellenlänge für alle Körper gleich und ist gleich der spektralen Dichte der Energieleuchtkraft des a.b.t. bei dieser Wellenlänge:

(manchmal bezeichnet r λ A.Ch.T ε λ)

Ein vollständig schwarzer Körper absorbiert und emittiert Strahlung alle Wellenlängen, Deshalb Spektrum von a.h.t. immer solide. Typ dieses Spektrums hängt von der Körpertemperatur ab. Wenn die Temperatur steigt Erstens nimmt die energetische Leuchtkraft deutlich zu; Zweitens, Wellenlänge, die der maximalen Strahlung entspricht(λ max ) , verschiebt sich zu kürzeren Wellenlängen :, wobei b ≈ 29090 µm.K -1 ( Wiensches Gesetz).

Stefan-Boltzmann-Gesetz: energetische Leuchtkraft von a.h.t. proportional zur vierten Potenz der Körpertemperatur auf der Kelvin-Skala: R = σT 4

2. Energieemission durch Atome und Moleküle

Bekanntlich kann die Energie eines Elektrons in der Elektronenhülle eines Atoms nur streng definierte Werte annehmen, die für ein bestimmtes Atom charakteristisch sind. Auf andere Weise sagen sie das Elektron kann nur auf bestimmten lokalisiert werdenEnergieniveaus. Wenn sich ein Elektron auf einem bestimmten Energieniveau befindet, ändert es seine Energie nicht, das heißt, es absorbiert oder emittiert kein Licht. Beim Übergang von einer Ebene zur anderen Die Energie des Elektrons ändert sich, und zwar gleichzeitig absorbiert oder abgegebenLichtquant (Photon).Die Energie eines Quants ist gleich der Differenz der Energien der Niveaus, zwischen denen der Übergang stattfindet: E QUANTUM = hν = E n – E m wobei n und m Niveauzahlen sind (Bohr-Formel).

Elektronenübergänge zwischen verschiedenen Ebenentreten mit unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit auf. In manchen Fällen liegt die Übergangswahrscheinlichkeit sehr nahe bei Null; Die entsprechenden Spektrallinien werden unter normalen Bedingungen nicht beobachtet. Solche Übergänge heißen verboten.

In vielen Fällen wird die Energie eines Elektrons möglicherweise nicht in Quantenenergie umgewandelt, sondern eher in die Energie der thermischen Bewegung von Atomen oder Molekülen. Solche Übergänge heißen nicht strahlend.

Neben der Übergangswahrscheinlichkeit ist die Helligkeit der Spektrallinien direkt proportional zur Anzahl der Atome des emittierenden Stoffes. Diese Abhängigkeit liegt zugrunde quantitative Spektralanalyse.
3. Lumineszenz

Lumineszenz ruf irgendjemanden an keine Wärmestrahlung. Die Energiequellen für diese Strahlung können dementsprechend unterschiedlich sein; verschiedene Arten von Lumineszenz. Die wichtigsten davon sind: Chemilumineszenz– Leuchten, das bei bestimmten chemischen Reaktionen auftritt; Biolumineszenz– das ist Chemilumineszenz in lebenden Organismen; Kathodolumineszenz – Leuchten unter dem Einfluss eines Elektronenflusses, das in Fernsehbildröhren, Kathodenstrahlröhren, Gaslampen usw. verwendet wird; Elektrolumineszenz– Leuchten, das in einem elektrischen Feld auftritt (am häufigsten in Halbleitern). Die interessanteste Art der Lumineszenz ist Photolumineszenz. Hierbei handelt es sich um einen Prozess, bei dem Atome oder Moleküle Licht (oder UV-Strahlung) in einem Wellenlängenbereich absorbieren und in einem anderen abstrahlen (z. B. absorbieren sie blaue Strahlen und emittieren gelbe Strahlen). In diesem Fall absorbiert der Stoff Quanten mit relativ hoher Energie hν 0 (mit kurzer Wellenlänge). Dann kehrt das Elektron möglicherweise nicht sofort zum Bodenniveau zurück, sondern gelangt zunächst zum Zwischenniveau und dann zum Bodenniveau (es kann mehrere Zwischenniveaus geben). In den meisten Fällen sind einige Übergänge strahlungslos, das heißt, die Elektronenenergie wird in die Energie der thermischen Bewegung umgewandelt. Daher ist die Energie der während der Lumineszenz emittierten Quanten geringer als die Energie des absorbierten Quants. Die Wellenlänge des emittierten Lichts muss größer sein als die Wellenlänge des absorbierten Lichts. Wenn wir das oben Gesagte in allgemeiner Form formulieren, erhalten wir Gesetz Stokes : Das Lumineszenzspektrum ist relativ zum Spektrum der Lumineszenz verursachenden Strahlung zu längeren Wellen verschoben.

Es gibt zwei Arten von Leuchtstoffen. In einigen Fällen hört das Leuchten fast augenblicklich auf, nachdem das aufregende Licht ausgeschaltet wurde. Das kurzfristig das Leuchten heißt Fluoreszenz.

Bei Substanzen einer anderen Art verblasst das Leuchten nach dem Ausschalten des anregenden Lichts schrittweise(nach dem Exponentialgesetz). Das langfristig das Leuchten heißt Phosphoreszenz. Der Grund für das lange Leuchten liegt darin, dass die Atome oder Moleküle solcher Stoffe enthalten metastabile Ebenen.Metastabil Dieses Energieniveau wird aufgerufen in dem Elektronen viel länger verbleiben können als auf normalen Niveaus. Daher kann die Dauer der Phosphoreszenz Minuten, Stunden und sogar Tage betragen.
4. Gesetz der Lichtabsorption (Bouguer-Gesetz)

Wenn ein Strahlungsfluss einen Stoff durchdringt, verliert er einen Teil seiner Energie (die absorbierte Energie wird in Wärme umgewandelt). Das Gesetz der Lichtabsorption heißt Bouguersches Gesetz: Ф = Ф 0 ∙ e – κ λ · L ,

wobei Ф 0 die einfallende Strömung ist, Ф die Strömung ist, die durch eine Stoffschicht mit der Dicke L verläuft; der Koeffizient κ λ heißt natürlich Absorptionsrate ( seine Größe hängt von der Wellenlänge ab) . Für praktische Berechnungen verwenden sie lieber dezimale Logarithmen als natürliche Logarithmen. Dann nimmt das Bouguersche Gesetz die Form an: Ф = Ф 0 ∙ 10 – k λ ∙ L ,

wobei k λ – Dezimal Absorptionsrate.

Transmission Nennen Sie die Menge

Optische Dichte D - Dies ist die durch die Gleichung definierte Größe: . Wir können es anders sagen: Die optische Dichte D ist ein Wert, der im Exponenten der Formel des Bouguer-Gesetzes steht: D = k λ ∙ L

Für Lösungen der meisten Stoffe Die optische Dichte ist direkt proportional zur Konzentration des gelösten Stoffes:D = χ λ ∙ C∙ L ;

Koeffizient χ λ heißt molare Absorptionsrate(wenn die Konzentration in Mol angegeben wird) oder spezifische Absorptionsrate(wenn die Konzentration in Gramm angegeben ist). Aus der letzten Formel erhalten wir: Ф = Ф 0 ∙10 - χ λ ∙ C ∙ L(Gesetz Bugera–Bera)

Diese Formeln liegen den häufigsten Formeln in klinischen und biochemischen Labors zugrunde Methode zur Bestimmung der Konzentrationen gelöster Stoffe durch Lichtabsorption.

TYPISCHE PROBLEME MIT LÖSUNGEN UNTERRICHTEN

(Zukünftig werden wir der Kürze halber einfach „Trainingsaufgaben“ schreiben.)

Lernziel Nr. 1

Eine elektrische Heizung (Heizkörper) sendet einen Infrarotstrahlenstrom von 500 W aus. Die Oberfläche des Heizkörpers beträgt 3300 cm2. Ermitteln Sie die vom Strahler in 1 Stunde abgegebene Energie und die energetische Leuchtkraft des Strahlers.

Gegeben: Finden

Ф = 500 W W und R

t = 1 Stunde = 3600 s

S = 3300 cm 2 = 0,33 m 2

Lösung:

Der Strahlungsfluss Ф ist die pro Zeiteinheit emittierte Strahlungsleistung oder Energie: . Von hier

W = F t = 500 W 3600 s = 18 10 5 J = 1800 kJ

Lernziel Nr. 2

Bei welcher Wellenlänge ist die Wärmestrahlung der menschlichen Haut maximal (also r λ = max)? Die Hauttemperatur an exponierten Körperstellen (Gesicht, Hände) beträgt ca. 30 °C.

Gegeben: Finden:

Т = 30 о С = 303 К λ max

Lösung:

Wir setzen die Daten in die Wien-Formel ein: ,

das heißt, fast die gesamte Strahlung liegt im IR-Bereich des Spektrums.

Lernziel Nr. 3

Das Elektron befindet sich auf einem Energieniveau mit einer Energie von 4,7,10 –19 J

Bei Bestrahlung mit Licht der Wellenlänge 600 nm gelangte es auf ein höheres Energieniveau. Finden Sie die Energie dieser Ebene.

Lösung:

Lernziel Nr. 4

Die dezimale Wasserabsorptionsrate für Sonnenlicht beträgt 0,09 m–1. Welcher Anteil der Strahlung erreicht die Tiefe L = 100 m?

Gegeben Finden:

k = 0,09 m – 1

Lösung:

Schreiben wir das Gesetz von Bouguer auf: . Der Anteil der Strahlung, der die Tiefe L erreicht, beträgt offensichtlich

das heißt, ein Milliardstel Sonnenlicht wird eine Tiefe von 100 m erreichen.
Lernziel Nr. 5

Licht durchläuft nacheinander zwei Filter. Der erste hat eine optische Dichte D 1 = 0,6; der zweite hat D 2 = 0,4. Wie viel Prozent des Strahlungsflusses werden dieses System passieren?

Gegeben: Finden:

D 1 = 0,6 (in %%)

Lösung:

Wir beginnen die Lösung mit einer Zeichnung dieses Systems

SF-1 SF-2

Finden Sie Ф 1: Ф 1 = Ф 0 10 – D 1

Ebenso ist der durch den zweiten Lichtfilter fließende Fluss gleich:

Ф 2 = Ф 1 10 – D 2 = Ф 0 10 – D 1 10 – D 2 = Ф 0 10 – (D 1 + D 2)

Das erzielte Ergebnis hat allgemeine Bedeutung: wenn Licht nacheinander ein System aus mehreren Objekten durchdringt,Die gesamte optische Dichte entspricht der Summe der optischen Dichten dieser Objekte .

Unter den Bedingungen unseres Problems wird ein Fluss von F 2 = 100 %∙10 – (0,6 + 0,4) = 100 %∙10 – 1 = 10 % ein System aus zwei Lichtfiltern passieren

Lernziel Nr. 6

Nach dem Bouguer-Baer-Gesetz ist es insbesondere möglich, die Konzentration von DNA zu bestimmen. Im sichtbaren Bereich sind Lösungen von Nukleinsäuren transparent, im UV-Teil des Spektrums absorbieren sie jedoch stark; Das Absorptionsmaximum liegt bei etwa 260 nm. Es liegt auf der Hand, dass gerade in diesem Bereich des Spektrums die Absorption der Strahlung gemessen werden muss; In diesem Fall sind Empfindlichkeit und Genauigkeit der Messung am besten.

Bedingungen des Problems: Bei der Messung der Absorption von UV-Strahlen mit einer Wellenlänge von 260 nm durch eine DNA-Lösung wurde der durchgelassene Strahlungsfluss um 15 % abgeschwächt. Die Weglänge des Strahls in der Küvette mit der Lösung „x“ beträgt 2 cm. Der molare Absorptionsindex (dezimal) für DNA bei einer Wellenlänge von 260 nm beträgt 1,3.10 5 mol – 1,cm 2. Finden Sie die DNA-Konzentration in die Lösung.

Gegeben:

Ф 0 = 100 %; F = 100 % – 15 % = 85 % Finden: Mit DNA

x = 2 cm; λ = 260 nm

χ 260 = 1.3.10 5 mol –1 .cm 2

Lösung:

(Wir haben den Bruch „umgedreht“, um den negativen Exponenten loszuwerden). . Nun logarithmieren wir: , und ; wir ersetzen:

0,07 und C = 2,7.10 – 7 mol/cm3

Bitte beachten Sie die hohe Empfindlichkeit der Methode!

AUFGABEN ZUR UNABHÄNGIGEN LÖSUNG
Nehmen Sie beim Lösen von Problemen die Werte der Konstanten:

b = 2900 µm.K; σ = 5,7,10 – 8 W.K 4; h = 6,6,10 – 34 J.s; c = 3,10 8 m.s –1

1. Wie groß ist die energetische Leuchtkraft der Oberfläche des menschlichen Körpers, wenn die maximale Strahlung bei einer Wellenlänge von 9,67 Mikrometern auftritt? Die Haut kann als absolut schwarzer Körper betrachtet werden.

2. Zwei Glühbirnen haben genau den gleichen Aufbau, nur dass bei der einen der Glühfaden aus reinem Wolfram besteht (α = 0,3) und bei der anderen mit Platinschwarz beschichtet ist (α = 0,93). Welche Glühbirne hat mehr Strahlungsfluss? Wie oft?

3. In welchen Bereichen des Spektrums liegen die Wellenlängen, die der maximalen spektralen Dichte der Energieleuchtkraft entsprechen, wenn die Strahlungsquelle ist: a) die Spirale einer elektrischen Glühbirne (T = 2.300 K); b) die Oberfläche der Sonne (T = 5.800 K); c) die Oberfläche des Feuerballs einer nuklearen Explosion in dem Moment, in dem seine Temperatur etwa 30.000 K beträgt? Der Unterschied in den Eigenschaften dieser Strahlungsquellen zum a.ch.t. Vernachlässigung.

4. Ein glühender Metallkörper mit einer Oberfläche von 2,10 - 3 m 2 emittiert bei einer Oberflächentemperatur von 1000 K einen Fluss von 45,6. Di. Wie groß ist der Absorptionskoeffizient der Oberfläche dieses Körpers?

5. Die Glühbirne hat eine Leistung von 100 W. Die Oberfläche des Filaments beträgt 0,5,10 - 4 m². Die Temperatur des Filaments beträgt 2.400 K. Wie hoch ist der Absorptionskoeffizient der Filamentoberfläche?

6. Bei einer Hauttemperatur von 27 0 C werden von jedem Quadratzentimeter der Körperoberfläche 0,454 W abgestrahlt. Ist es möglich (mit einer Genauigkeit von nicht weniger als 2 %), die Haut als einen absolut schwarzen Körper zu betrachten?

7. Im Spektrum eines blauen Sterns entspricht die maximale Emission einer Wellenlänge von 0,3 Mikrometern. Wie hoch ist die Oberflächentemperatur dieses Sterns?

8. Welche Energie strahlt ein Körper mit einer Oberfläche von 4.000 cm 2 in einer Stunde ab?

bei einer Temperatur von 400 K, wenn der Absorptionskoeffizient des Körpers 0,6 beträgt?

9. Platte (A) hat eine Oberfläche von 400 cm 2 ; sein Absorptionskoeffizient beträgt 0,4. Eine weitere Platte (B) mit einer Fläche von 200 cm 2 hat einen Absorptionskoeffizienten von 0,2. Die Temperatur der Platten ist gleich. Welche Platte gibt wie viel mehr Energie ab?

10 – 16. Qualitative Spektralanalyse. Basierend auf dem Absorptionsspektrum einer der organischen Verbindungen, deren Spektren

sind in der Abbildung dargestellt, bestimmen Sie, welche funktionellen Gruppen Teil dieses Stoffes sind. Verwenden Sie die Tabellendaten:

Gruppe; Verbindungstyp	Absorbierte Wellenlängen, Mikrometer	Gruppe, Verbindungstyp	Absorbiert Wellenlängen, µm
-ER	2,66 – 2,98	-NH 4	7,0 – 7,4
-NH	2,94 – 3,0	-SCH	7,76
 CH	3,3	-CF	8,3
-N  N	4,67	-NH 2	8,9
-C=N	5,94	-NEIN	12,3
-N=N	6,35	-SO 2	19,2
-CN 2	6,77	-C=O	23,9

10 – Grafik a); 11 – Grafik b); 12 – Grafik c); 13 – Grafik d);

14 – Grafik d); 15 – Grafik f); 16 – Grafik g).

Achten Sie darauf, welcher Wert in Ihrem Diagramm auf der vertikalen Achse aufgetragen ist!

17. Licht durchläuft nacheinander zwei Lichtfilter mit Transmissionskoeffizienten von 0,2 und 0,5. Wie viel Prozent der Strahlung wird aus einem solchen System austreten?

18. Licht durchläuft nacheinander zwei Filter mit optischen Dichten von 0,7 und 0,4. Wie viel Prozent der Strahlung passieren ein solches System?

19. Zum Schutz vor der Lichtstrahlung einer nuklearen Explosion braucht man Brillen, die das Licht mindestens um das Millionenfache schwächen. Das Glas, aus dem sie solche Gläser herstellen wollen, hat eine optische Dichte von 3 bei einer Dicke von 1 mm. Welche Glasdicke sollte verwendet werden, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen?

20 Zum Schutz der Augen beim Arbeiten mit einem Laser ist es erforderlich, dass ein Strahlungsfluss von maximal 0,0001 % des vom Laser erzeugten Flusses in das Auge gelangen kann. Welche optische Dichte sollte eine Brille haben, um Sicherheit zu gewährleisten?

Allgemeine Aufgabenstellung für die Aufgaben 21 – 28 (quantitative Analyse):

Die Abbildung zeigt die Absorptionsspektren farbiger Lösungen einiger Substanzen. Darüber hinaus geben die Aufgaben die Werte von D (die optische Dichte der Lösung bei der Wellenlänge, die der maximalen Lichtabsorption entspricht) und an X(Küvettendicke). Finden Sie die Konzentration der Lösung.

Achten Sie auf die Einheiten, in denen die Absorptionsrate in Ihrem Diagramm angegeben wird.

21. Grafik a). D = 0,8 x = 2 cm

22. Grafik b). D = 1,2 x = 1 cm

... 23. Grafik c). D = 0,5 x = 4 cm

24. Grafik d). D = 0,25 x = 2 cm

25 Anlage d). D = 0,4 x = 3 cm

26. Grafik e) D = 0,9 x = 1 cm

27. Grafik g). D = 0,2 x = 2 cm

Die Energie, die ein Körper durch Wärmestrahlung verliert, wird durch folgende Größen charakterisiert.

Strahlungsfluss (F) - Energie, die pro Zeiteinheit von der gesamten Körperoberfläche abgegeben wird.

Tatsächlich ist dies die Kraft der Wärmestrahlung. Die Dimension des Strahlungsflusses beträgt [J/s = W].

Energieleuchtkraft (Re) - Energie der Wärmestrahlung, die pro Zeiteinheit von einer Oberflächeneinheit eines erhitzten Körpers abgegeben wird:

Im SI-System wird die energetische Leuchtkraft gemessen – [W/m 2 ].

Der Strahlungsfluss und die energetische Leuchtkraft hängen von der Struktur des Stoffes und seiner Temperatur ab: Ф = Ф(Т),

Charakteristisch ist die Verteilung der energetischen Leuchtkraft über das Spektrum der Wärmestrahlung spektrale Dichte. Bezeichnen wir die Energie der Wärmestrahlung, die von einer einzelnen Oberfläche in 1 s in einem engen Wellenlängenbereich emittiert wird λ Vor λ +d λ, über dRe.

Spektrale Leuchtdichte (r) oder Emissionsgrad Das Verhältnis der energetischen Leuchtkraft in einem schmalen Teil des Spektrums (dRe) zur Breite dieses Teils (dλ) heißt:

Ungefähre Form der spektralen Dichte und der energetischen Leuchtkraft (dRe) im Wellenlängenbereich von λ Vor λ +d λ, in Abb. dargestellt. 13.1.

Reis. 13.1. Spektrale Dichte der energetischen Leuchtkraft

Die Abhängigkeit der spektralen Dichte der energetischen Leuchtkraft von der Wellenlänge wird aufgerufen Strahlungsspektrum des Körpers. Die Kenntnis dieser Abhängigkeit ermöglicht es, die energetische Leuchtkraft eines Körpers in jedem Wellenlängenbereich zu berechnen. Die Formel zur Berechnung der energetischen Leuchtkraft eines Körpers in einem Wellenlängenbereich lautet:

Die Gesamtleuchtkraft beträgt:

Körper emittieren nicht nur Wärmestrahlung, sondern absorbieren sie auch. Die Fähigkeit eines Körpers, Strahlungsenergie zu absorbieren, hängt von seiner Substanz, der Temperatur und der Wellenlänge der Strahlung ab. Die Aufnahmefähigkeit des Körpers wird charakterisiert durch monochromatischer Absorptionskoeffizient α.

Lassen Sie einen Strahl auf die Körperoberfläche fallen monochromatisch Strahlung Φ λ mit der Wellenlänge λ. Ein Teil dieses Flusses wird reflektiert, ein Teil wird vom Körper absorbiert. Bezeichnen wir die Größe des absorbierten Flusses Φ λ abs.

Monochromatischer Absorptionskoeffizient α λ ist das Verhältnis des von einem bestimmten Körper absorbierten Strahlungsflusses zur Größe des einfallenden monochromatischen Flusses:

Der monochromatische Absorptionskoeffizient ist eine dimensionslose Größe. Seine Werte liegen zwischen Null und Eins: 0 ≤ α ≤ 1.

Funktion α = α(λ,Τ) , der die Abhängigkeit des monochromatischen Absorptionskoeffizienten von Wellenlänge und Temperatur ausdrückt, heißt Aufnahmefähigkeit Körper. Sein Aussehen kann recht komplex sein. Im Folgenden werden die einfachsten Arten der Absorption besprochen.

Rein schwarzer Körper ist ein Körper, dessen Absorptionskoeffizient für alle Wellenlängen gleich eins ist: α = 1.

Grauer Körper ist ein Körper, dessen Absorptionskoeffizient nicht von der Wellenlänge abhängt: α = const< 1.

Absolut weißer Körper ist ein Körper, dessen Absorptionskoeffizient für alle Wellenlängen Null ist: α = 0.

Kirchhoffs Gesetz

Kirchhoffs Gesetz- Das Verhältnis des Emissionsvermögens eines Körpers zu seinem Absorptionsvermögen ist für alle Körper gleich und entspricht der spektralen Dichte der Energieleuchtkraft eines absolut schwarzen Körpers:

= /

Folgerung des Gesetzes:

1. Wenn ein Körper bei einer bestimmten Temperatur keine Strahlung absorbiert, gibt er diese auch nicht ab. Wenn nämlich für eine bestimmte Wellenlänge der Absorptionskoeffizient α = 0 ist, dann ist r = α∙ε(λT) = 0

1. Bei gleicher Temperatur schwarzer Körper strahlt mehr als alle anderen. Tatsächlich für alle Körper außer Schwarz,α < 1, поэтому для них r = α∙ε(λT) < ε

2. Wenn wir für einen bestimmten Körper experimentell die Abhängigkeit des monochromatischen Absorptionskoeffizienten von Wellenlänge und Temperatur bestimmen – α = r = α(λT), dann können wir das Spektrum seiner Strahlung berechnen.