Білім беру бағдарламасы студенттеріне арналған дәрістер жинағы Шымкент 2021
Дәріс №8. Сәуле шығару түрлері. Жылулық сәуле шығару заңдары. Кирхгоф заңы. Абсолют қара дене. Стефан-Больцман және Вин заңдары. Планк формуласы
жүктеу/скачать 0,79 Mb.
|
ОПТИКА НЕГІЗДЕРІ ДӘРІС
Дәріс №8. Сәуле шығару түрлері. Жылулық сәуле шығару заңдары. Кирхгоф заңы. Абсолют қара дене. Стефан-Больцман және Вин заңдары. Планк формуласы.Денелердің қыздырған кезде жарық шығаруын температуралық жарық немесе жылулық сәулелену деп атаймыз. Температуралық жарықтың тепе-теңдік сипатын дененің сәуле шығару нәтижесінде энергиясы қанша кемісе, өзі жұтқан сәулелік энергия мөлшері де сондай болумен түсіндіруге болады. Сөйтіп, жылулық сәулелену үшін тепе-теңдік күй өзінен-өзі орнауы керек. Сонда дене н аз, не көп энергия жұтқан жағдайларда шығарылатын сәуле интенсивтігі күшеюі немесе бәсеңдеуі нәтижесінде жүйе қайтадан бұрынғы күйіне оралады да, тепе-теңдік орнықты болады. Мысалы, қабырғалары жылу өткізбейтін бос қуыс ішінде температурасы әр түрлі бірнеше дене болып, олардың бірінен-біріне жылу тек сәуле арқылы ауысатын болса, онда біраз уақыт өткен соң шығару және сәуле жұтылу нәтижесінде олардың температуралары теңеледі, сөйтіп жылулық тепе-теңдік күйге түседі. Сонымен белгілі бір температурада сәулелік энергия үздіксіз шығарылып және жұтылып отырады, сондай-ақ сәулелік энергия шығару және жұтылу қабілеттері бір-біріне байланысты болады. Дененің бетінен бірлік уақытта шығарылатын сәулелік энергия мөлшері дененің сәуле шығарғыштық қабілеті немесе энергетикалық жарқыраушы деп аталады. Егер дененің сәуле шығарғыштық қабілеті ( ) спектрлік аралықтың бір алқабына есептелінсе, оны дененің спектрлік сәулешығарғыштық қабілеті деп атайды. Сөйтіп дененің сәуле шығарғыштық қабілеті мынаған тең: ( 43) Егер дене мөлдір болмаса, онда дене бетіне түскен сәулелік энергияның біраз бөлігі жұтылады. Осы жұтылған энергияның түскен энергияға қатынасы дененің сәуле жұтқыштық қабілеті деп аталады. Демек, бұл шама түскен сәулелік энергияның қандай бөлігі жұтылғанын көрсетеді. Сонда толқындар ұзындығы және + аралығындағы сәулелер энегиясының белгілі температурада дененің беті жұтқан бөлігін көрсететін шама дененің спектрлік сәуле жұтқыштық қабілеті деп аталады. Егер дене бетіне түскен сәулелік энергияны талғамай толық жұтатын болса, онда ондай дене абсолют қара дене деп аталады. Осындай дененің сәуле жұтқыштық қабілеті бірге тең ( =1). Ал абсолют қара дененің толық сәуле шығарғыштық қабілетін (43) формула арқылы табуға болады. Оңдағы абсолют қара дененің спектрлік сәуле шығарғыштық қабілеті, ол сәуленің толқын ұзындығы мен температурасы Т-ға тәуелді болады, яғни =f ( ,T ) Неміс ғалым Кирхгоф 1859 жылы термодинамика заңдарына сүйеніп, дененің сәуле шығарғыштық қабілетінің ( ), сәуле жұтқыштық қабілетіне ( ) қатынасы дененің табиғатына байланысты болмай, барлық денелерге бірдей, сәуленің толқын ұзындығы ( ) мен температурасына тәуелді эмбебап функция болады деген функция болады деген қорытынды жасады, яғни: (44) Жылулық сәулелену теориясы үшін абсолют қара дененің сәуле шығарғыштық қабілетін біле отырып, қара емес денелердің де сәуле шығарғыштығын анықтауға болады. Абсолют қара дененің сәуле шығарғыштық қабілеті оның температурасы жоғарылаған сайын күшейе түседі. Яғни, температура жоғарылағанда дененің жарқырауы да күшейіп, одан шығатын сәуленің түсі де өзгереді. Абсолют қара дененің толық жарқырауы R оның төрт дәрежеленген абсолют температурасына пропорционал болады, яғни R+ мұндағы - Стефан-Больцман тұрақтысы. Австрия физигі И.Стефан (1835-1893) 1879жылы эксперименттердің зерттей келе Және Л.Больцман 1884 жылы термодинамикалық әдісті қолданып, Теория жүзінде бір-біріне тәуелсіз абсолют қара дененің сәуле шығарғыштық қабілетінің температураға тәуелділігін анықтады. Сондықтан осы формула Стефан-Больцман заңы деп аталады. Вин заңы бойынша абсолют қара дененің спектірлік сәуле шығарғыштық қабілетінің максимал мәніне сәйкес келетін толқын ұзындығы ( ) оның (Т) абсолют температурасына кері пропорционал болады, яғни: = мұндағы С=2,9·10-3 м·К тәжірибемен табылған Вин тұрақтысы. Сондықтан сәулелік энергияның максимум шамасы толқын ұзындығына сәйкес ығысып отыратындықтан бұл өрнекті Виннің ығысу заңы деп атайды. 1900 жылы неміс физигі М.Планк бұрынғы қалыптасқан классикалық физика заңдарын қабылдамай, жаңа теориялық пікір ұсынды. Планк жарық үздік-үздік, белгілі бір мөлшерде, энергия порциялары немесе энергия кванттары түрінде шығарылады деп жорып, энергия кванты тербеліс жиілігіне пропорционал деді: мұндағы h=6,62·10-34Дж·с – Планк тұорақтысы деп аталады. Планк өзі ұсынған гипотезаны – жылулық сәулеленудің кванттық теориясының негізі ретінде қарап және статистикалық физика заңдарын пайдалана отырып, абсолют қара дененің сәуле шығарғыштық қабілетінің толқын ұзындығы мен температураға тәуелділігін дұрыс көрсететін формула қорытып шығарды. мұндағы, k – Больцман тұрақтысы, һ – Планк тұрақтысы, с – жарық жылдамдығы, Т – абсолют температура. Формуланың теориялық қорытып шығару әдісін М.Планк 1900ж. Немістің физика қоғамының мәжілісінде баяндап берді. Электромагниттік толқындарды тапқан неміс ғалымы Генрих Герц 1887ж. Электр ұшқындары пайда болатын вибратор саңылауына ультракүлгін сәулелерімен жарық түсірілгенде электр, ұшқындары көбейіп, электр разрядының күшейетіндігін бірінші рет байқаған. Онан кейін ғалымдар осы құбылысты зерттей отырып, мысалы, теріс зарядталған таза мырыш пластинаға ультракүлгін сәулелері түсірілгенде, оның теріс заряды бірте-бірте осы екі құбылысты заттың бетіне түсірілген жарық әсерінен заттан электрондардың бөлініп шығатындығымен түсіндіруге болады. Олай болса, түскен жарық ықпалынан заттан электрондардың бөлініп шығу құбылысын фотоэлетрлік эффект (фотоэффект) деп атаймыз. Фотоэффект құбылысын 1888ж. Орыс физигі А.Г.Столетов тереңірек зерттеді. Мұндай құбылыстар сыртқы фотоэлектрлік құбылыстар деп аталады. Эйнштейннің пікірінше, фотоэффект құбылысы кезінде әрбір электрон жеке әрбір фотонның әсерінен бөлініп шығады. Яғни, әрбір фотоэлектрон тек бір фотон энергиясын жұта алады. Сөйтіп жұтылған фотон энергиясы ( ) фотоэлектронды метал бетінен бөліп шығаратын шығу жұмысына ( ) және оның кинетикалық энергиясына айналады. Олай болса, Эйнштейн теңдеуі мына түрде жазылады: ( ) жүктеу/скачать 0,79 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|