Дискретный характер испускания и поглощения электромагниного теплового излучения веществом

Тепловое излучение

Теплово́е излуче́ние — электромагнитное излучение с непрерывным спектром, испускаемое нагретыми телами за счёт их тепловой энергии.

Тепловое излучение является одним из трёх элементарных видов переноса тепловой энергии.

Равновесное излучение — тепловое излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с веществом.

 

Интегральные и спектральные характеристики излучения

Тепловое излучение характеризуют следующими интегральными величинами:

W - энергия излучения (в Дж);

световой поток или мощность излучения - это энергия, излучаемая (или поглощаемая) за единицу времени;

 

энергетическая светимость ( DS - площадь излучающей поверхности). Энергетическая светимость R - по смыслу – это энергия, излучаемая единичной площадью за единицу времени по всем длинам волн l от 0 до .

Кроме этих характеристик, называемых интегральными, используют также спектральные характеристики, которые учитывают количество излучаемой энергии, приходящейся на единичный интервал длин волн или единичный интервал частот:

излучательная способность - по смыслу -это энергия, излучаемая единичной площадью в единицу времени в единичном интервале: 1) длин волн или 2) частот.

 

 

поглощательная способность (коэффициент поглощения) - это отношение поглощенного светового потока к падающему потоку, взятых в малом интервале длин волн вблизи данной длины волны.

 

Закон Кирхгофа

температурный коэффициент теплового эффекта химической реакции равен изменению теплоёмкости системы в ходе реакции. Уравнение Кирхгофа, являющееся следствием этого закона используется для расчёта тепловых эффектов при разных температурах.

Дифференциальная форма закона:

Интегральная форма закона:

где C_p и C_V — изобарная и изохорная теплоёмкости, — разность изобарных теплоёмкостей продуктов реакции и исходных веществ, — разность изохорных теплоёмкостей продуктов реакции и исходных веществ, а Δ _rH и Δ _rU — соответствующие тепловые эффекты.

 

Закон смещения Вина

Закон смещения Вина даёт зависимость длины волны, на которой поток излучения энергии чёрного тела достигает своего максимума, от температуры чёрного тела.

де T — температура в кельвинах, а λ_max — длина волны с максимальной интенсивностью в метрах. Следует отметить, что коэффициент b, называемый постоянной Вина, и имеющий значение 0,002898, в данной формуле имеет при этом размерность [ м К].

Для частоты света ν (в Герцах) закон смещения Вина имеет вид:

где α ≈ 2.821439... Гц/К — постоянная величина, k — постоянная Больцмана, h — постоянная Планка, T — температура (в Кельвинах).

 

Закон Стефана — Больцмана

Мощность излучения абсолютно чёрного тела прямо пропорциональна площади поверхности и четвёртой степени температуры тела:

где - степень черноты (для всех веществ , для абсолютно черного тела ). При помощи закона Планка для излучения, постоянную σ можно определить как

где — постоянная Планка, k — постоянная Больцмана, c — скорость света.

Численное значение Дж·с⁻¹·м⁻² · К⁻⁴.

Дискретный характер испускания и поглощения электромагниного теплового излучения веществом

Спонтанное излучение или спонтанное испускание — процесс самопроизвольного испускания электромагнитного излучения квантовыми системами (атомами,молекулами) при их переходе из возбуждённого состояния в стабильное.

Спонтанное испускание фотона

Частота спонтанного электромагнитного излучения ν_ik определяется разностью энергий i-ого и k-ого уровней системы:

E_i − E_k = hν_ik

Если населённость уровня с энергией E_i равна N_i, то мощность спонтанного излучения равна:

Полная вероятность спонтанного излучения:

Ai =	∑	Aik
	i

Вынужденное излучение - индуцированное излучение, испускание электромагнитного излучения квантовыми системами под действием падающего на них излучения. Фотоны, испускаемые при В. и., совпадают по частоте, направлению распространения и поляризации с фотонами, вынуждающими их испускание.

 

Фотоэффе́кт — это испускание электронов веществом под действием света (и, вообще говоря, любого электромагнитного излучения). В конденсированных веществах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект.

Законы фотоэффекта:

Формулировка 1-го закона фотоэффекта: количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за единицу времени на данной частоте, прямо пропорционально световому потоку, освещающему металл.

Согласно 2-му закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

3-ий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света (или максимальная длина волны λ₀), при которой ещё возможен фотоэффект, и если , то фотоэффект уже не происходит.

формула Эйнштейна для фотоэффекта:

где — т. н. работа выхода (минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества), — кинетическая энергиявылетающего электрона. — частота падающего фотона с энергией , h — постоянная Планка. Из этой формулы следует существование красной границы фотоэффекта, то есть существование наименьшей частоты, ниже которой энергии фотона уже не достаточно для того, чтобы «выбить» электрон из металла. Суть формулы заключается в том, что энергия фотона расходуется на ионизацию атома вещества и на работу, необходимую для «вырывания» электрона, а остаток переходит в кинетическую энергию электрона.