Вопрос 2. Оптическая пирометрия.

Вопрос 1. Квантовая теория теплового излучения. Гипотеза и формула Планка.

Согласно квантовой теории Планка, атомные осцилляторы излучают энергию не непрерывно, а определенными порциями -- квантами, причем энергия кванта пропорциональна частоте колебания , где -- постоянная Планка. Т.к. излучение испускается порциями, то энергия осциллятора (стоячей волны) может принимать лишь определенные дискретные значения, кратные целому числу эл-тарн порций энергии : (n=0,1,2,…). Ф-ла Планка (нахождение универсальной функции Кирхгофа):

, где , -- спектральные плотности энергетической светимости ЧТ, -- длина волны, -- круговая частота, с – скорость света в вакууме, к – постоянная Больцмана, Т – термодинамическая температура, h – постоянная Планка, -- постоянная Планка, дел.на = . Следствие: если , то и из ф-лы Планка следует ф-ла Релея-Джинса: . В области больших частот и единицей в знаменателе ф-лы можно пренебречь по сравнению с , тогда получим ф-лу , эта ф-ла совпадает с ф-лой , причем а₁=h/k

 

 

Вопрос 2. Оптическая пирометрия.

Законы теплового излучения используются для измерения температуры раскаленных и самосветящихся тел (например, звезд). Методы измерения высоких температур, использующие зависимость спектральной плотности энергетической светимости тел от температуры, называются оптической пирометрией. Приборы для измерения температуры нагретых тел по интенсивности их теплового излучения наз-ся пирометрами. В зависимости от того, какой закон теплового излучения используются при измерении температуры радиационную, цветную и яркостную температуры. 1. Радиационная температура – это такая температура черного тела, при которой его энергетическая светимость равна энергетической светимости исследуемого тела. В данном случае регистрируется энергетическая светимость исследуемого тела и по закону С.-Б.вычисляется его радиационная температура. . Радиационная температура всегда меньше истинной температуры тела. 2. Цветовая температура. Для серых тел (серое тело – тело, поглощательная способность которых меньше 1, но одинакова ля всех частот и зависит только от температуры, материала и состояния пов-ти тела) спектральная плотность энергетической светимости , где = const<1/. Следовательно распределение энергии в спектре излучения серого тела такое же, как и в спектре черного тела, имеющего ту же температуру. Поэтому к серым телам применим закон Вина (), т.е. зная длину волны , соответствующую максимальной спектральной плотности энергетической светимости исследуемого тела, можно определить его температуру , которая наз-ся цветовой температурой. Для серых тел она совпадает с истинной температурой, для других тел это понятие теряет смысл. 3. Яркостная температура. -- это температура черного тела, при которой для определенной длины волны его спектральная плотность энергетической светимости равна энергетической светимости исследуемого тела, т.е. , где Т – истинная температура тела. Истинная температура для нечерного тела всегда больше яркостной.

 

Вопрос 5. Фотонная теория света. Масса, энергия и импульс фотона.

Свет испускается, поглощается и распространяется дискретными порциями (квантами), названными фотонами. Энергия фотона . Его масса находится из закона взаимосвязи массы и энергии: . Фотон – элементарная частица, которая всегда (в любой среде) движется со скоростью с и имеет массу покоя, равную нулю. Следовательно масса фотона отличается от массы таких эл-тарных частиц, как электрон, протон и нейтрон, которые обладают отличной от нуля массой покоя и могут находиться в состоянии покоя. Импульс фотона получим, если в общей ф-ле теории относительности (Е – полная энергия) положить массу покоя фотона = 0: . Следовательно, фотон, как и любая другая частица, характеризуется энергией, массой и импульсом.

Вопрос 15. Виды спектров. Спектральный анализ.

 

Виды спектров.

Спектральный состав излучения различных веществ весьма разнообразен. Но, несмотря на это, все спектры, как показывает опыт, можно разделить на три сильно отличающихся друг от друга типа.

Непрерывные спектры.

Солнечный спектр или спектр дугового фонаря является непрерывным. Это означает, что в спектре представлены все длины волн. В спектре нет разрывов, и на экране спектрографа можно видеть сплошную разноцветную полосу.

Распределение энергии по частотам, т.е. спектральная плотность интенсивности излучения, для различных тел различно. Например, тело с очень черной поверхностью излучает электромагнитные волны всех частот, но кривая зависимости спектральной плотности от частоты имеет максимум при определенной частоте vmax. Энергия излучения, приходящаяся на очень малые (v → 0) и очень большие (v → ∞) частоты, ничтожно мала. При повышении температуры максимум спектральной плотности излучения смещается в сторону коротких волн.

Непрерывные (или сплошные) спектры, как показывает опыт, дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также плотные газы. Для получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры.

Характер непрерывного спектра и сам факт его существования определяются не только свойствами отдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом.

Непрерывный спектр дает также высокотемпературная плазма. Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновении электронов с ионами.

Линейчатые спектры.

Внесем в бледное пламя газовой горелки кусочек асбеста, смоченного раствором обыкновенной поваренной соли. При наблюдении пламени в спектроскоп на фоне едва различимого непрерывного спектра пламени вспыхнет ярко желтая линия. Эту желтую линию дают пары натрия, которые образуются при расщеплении молекул поваренной соли в пламени. На спектроскопе также можно увидеть частокол цветных линий различной яркости, разделенных широкими темными полосами. Такие спектры называются линейчатыми. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполне определенных длин волн (точнее, в определенных очень узких спектральных интервалах). Каждая из линий имеет конечную ширину.

Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. В этом случае свет излучают атомы, которые практически не взаимодействуют друг с другом. Это самый фундаментальный, основной тип спектров.

Изолированные атомы данного химического элемента излучают строго определенные длины волн.

Обычно для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом.

При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются и, наконец при очень большой плотности газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр.

Полосатые спектры.

Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. С помощью очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.
Для наблюдения молекулярных спектров так же, как и для наблюдения линейчатых спектров, обычно используют свечение паров в пламени или свечение газового разряда.

Спектры поглощения.

Все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают световые волны, энергия которых определенным образом распределена по длинам волн. Поглощение света веществом также зависит от длины волны. Так, красное стекло пропускает волны, соответствующие красному свету (l»8·10-5 см), и поглощает все остальные.
Если пропускать белый свет сквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии. Газ поглощает наиболее интенсивно свет как раз тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра - это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения.

Спектральный анализ.

Главное свойство линейчатых спектров состоит в том, что длины волн (или частоты) линейчатого спектра какого-либо вещества зависят только от свойств атомов этого вещества, но совершенно не зависят от способа возбуждения свечения атомов. Атомы любого химического элемента дают спектр, не похожий на спектры всех других элементов: они способны излучать строго-определенный набор длин волн.

На этом основан спектральный анализ - метод определения химического состава вещества по его спектру. Точно так же благодаря индивидуальности спектров имеется возможность определить химический состав тела. С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества если даже его масса не превышает 10-10.

Количественный анализ состава вещества по его спектру затруднен, так как яркость спектральных линий зависит не только от массы вещества, но и от способа возбуждения свечения. Так, при низких температурах многие спектральные линии вообще не появляются. Однако при соблюдении стандартных условий возбуждения свечения можно проводить и количественный спектральный анализ.
В настоящее время определены спектры всех атомов и составлены таблицы спектров. С помощью спектрального анализа были открыты многие новые элементы: рубидий, цезий и др.

Именно с помощью спектрального анализа узнали химический состав Солнца и звезд. Другие методы анализа здесь вообще невозможны. Оказалось, что звезды состоят из тех же самых химических элементов, которые имеются и на Земле. Любопытно, что гелий первоначально открыли на Солнце и лишь затем нашли в атмосфере Земли. Название этого элемента напоминает об истории его открытия: слово гелий означает в переводе «солнечный».
Благодаря сравнительной простоте и универсальности спектральный анализ является основным методом контроля состава вещества в металлургии, машиностроении, атомной индустрии. С помощью спектрального анализа определяют химический состав руд и минералов.
Состав сложных, главным образом органических, смесей анализируется по их молекулярным спектрам.
Спектральный анализ можно производить не только по спектрам испускания, но и по спектрам поглощения. Именно линии поглощения в спектре Солнца и звезд позволяют исследовать химический состав этих небесных тел.

 

Потенциальной яме

При изучении одномерного движения микрочастицы в бесконечно глубокой потенциальной яме, потенциальная энергия частицы имеет вид:

Решение стационарного уравнения Шредингера в этом случае дает следующую волновую функцию: ,

где a - ширина ямы, A - постоянная нормировки, получаемая из требования нормировки волновой функции:

В этом случае энергетический спектр микрочастицы является дискретным, энергия может быть найдена как: ,

где n =1, 2, … - квантовое число, определяющее энергию частицы в яме.

Расстояние между соседними энергетическими уровнями:

,

т.е. с ростом n происходит относительное сближение энергетических уровней.

Плотность вероятности местонахождения частицы внутри ямы:

зависит от местонахождения частицы.

 

 

Принцип действия лазера.

В качестве активной средыиспользовался рубин (окись алюминия (А1 ₂ О ₃), в некоторых узлах решетки которого алюминий замещен трижды ионизированным атомом хрома (Сr ⁺⁺⁺).

Изготовленный из такого рубина цилиндр 3 (рис 9.6) диаметром

(0,4– 2) см, длиной (3–20) см располагается между зеркалами 1 и 2 резонатора. Кристалл должен быть в высокой степени оптически однородным, чтобы не происходило рассеяние излучения. В качестве источника возбуждения используется лампа накачки 4, имеющая вид спирали, обвивающейся вокруг ци­линдра 3.

 

 

Рис. 9.6 Рис. 9.7

Устройство накачки представляет собой мощную импульсную газоразрядную лампу, питающуюся от источника высокого постоянного напряжения через конденсатор постоянной емкости.

Торцы кристалла тщательно отполированы и расположены строго перпендикулярно оси кристалла. Если нанести специальный слой серебра на эти торцы,то они будут играть роль зеркал резонатора.

При интенсивном облучении рубина светом лампы атомы хрома переходят с нижнего уровня 1 на уровни широкой полосы 3(рис. 9.7).Так как время жизни атомов хрома в возбужденных состояниях мало (меньше10^-7 с), то осуществляются либо спонтанные переходы 3®1 (они незначительны), либо наиболее вероятные безызлучательные переходы наметастабильныйуровень 2 с передачей избытка энергии решетке кристалла рубина. Переход 2®1 запрещен правилами отбора, поэтому длительность возбужденного состояния 2атомов хрома порядка 10^-3 с, т.е. примерно на четыре порядка больше, чем для состояния 3. Это приводит к «накоплению» атомов хрома на уровне 2. При достаточной мощности накачки их концентрация на уровне 2будет гораздо больше, чем на уровне 1, т. е. возникает среда с инверсной населенностью уровня 2.

Каждый фотон, случайно возникший при спонтанных переходах, в принципе может инициировать (порождать) в активной среде множество вынужденных переходов 2®1, в результате чего появляется целая лавина вторичных фотонов, являющихся копиями первичных. Однако спонтанные переходы носят случайный характер, и спонтанно излученные фотоныраспространяются в разных направлениях и в конечном итоге выходят из активной среды.Фотоны, движущиеся под углами к оси кристалла или кюветы, выходят из активной среды через ее боковую поверхность. Те же из фотонов, которые движутся вдоль оси, многократно отразятся от зеркал, каждый раз вызывая вынужденное испускание вторичных фотонов, которые, в свою очередь, вызовут вынужденное излучение, и т. д. Так как фотоны, возникшие при вынужденном излучении, движутся в том же направлении, что и первичные, то поток фотонов, параллельный оси кристалла или кюветы, будет лавинообразно нарастать (рис 9.8).

 

 

Рис. 9.8

Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая строго направленный световой пучок огромной яркости. Таким образом, оптический резонатор формирует направление (вдоль оси) усиливаемого фотонного потока, т.е. лазерного излучения с высокими когерент­ными свойствами.Лазер на рубине работает в импульсном режиме на длине волны 694,3 нм (темно-вишневый свет), мощность излучения может достигать в импульсе(10⁶–10⁹) Вт.

Вопрос 38. Типы лазеров.

Лазеры можно классифицировать по особенностям активной среды (твердотельные, газовые, на красителях, полупроводниковые, жидкостные), по способу накачки (лазеры с оптической накачкой, газоразрядные, химическиеи др.),по режиму генерации (импульсного или непрерывного действия) и по другим признакам. Все эти лазеры генерируют излучение оптического диапазона.

Применения лазеров.

Применения лазеров чрезвычайно разнообразны. Это − лазерная технология (сварка, резка и др.), технология электронных приборов, медицина, лазерная локация, системы контроля состава атмосферы, оптическая обработка информации, интегральная и волоконная оптика, лазерная спектроскопия, лазерная диагностика плазмы и управляемый термоядерный синтез, лазерная химия и лазерное разделение изотопов, нелинейная оптика, сверхскоростная фотография, лазерные гироскопы, сейсмографы и другие точные физические приборы.

Мощные импульсные лазеры видимого и ИК-диапапазонов используются для создания активной средырентгеновского лазера.

Другим перспективным направлением применения лазеров является

управляемый термоядерный синтез.

 

Реакции деления. В 1938г немецкие ученые О. Ган (1879-1968) и Ф. Штрассман (1902-1980) обнаружили, что при бомбардировке урана нейтронами иногда возникают ядра приблизительно вдвое меньшие, чем исходное ядро урана. Это явление было названо делением ядра.

Оно представляет собой первую экспериментально наблюдаемую реакцию ядерных превращений. Примером может служить одна из возможных реакций деления ядра урана-235:

. (7.14)

Процесс деления ядер протекает очень быстро (в течение времени ~10^-12 с). Энергия, которая выделяется в процессе реакции типа (7.14), составляет примерно 200 МэВ на один акт деления ядра урана-235.

В общем случае реакцию деления ядра урана–235 можно записать в виде:

+нейтроны (7.15)

Объяснить механизм реакции деления можно в рамках гидродинамической моделиядра. Согласно этой модели при поглощении нейтрона ядром урана оно переходит в возбужденное состояние (рис. 7.2).

Избыточная энергия, которую получает ядро вследствие поглощения нейтрона, вызывает более интенсивное движение нуклонов. В результатеядро деформируется, что приводит к ослаблению короткодействующего ядерного взаимодействия. Если энергия возбуждения ядра больше некоторой энергии, называемой энергией активации, то под влиянием электростатического отталкивания протонов ядро расщепляется на две части, с испусканием нейтронов деления. Если энергия возбуждения при поглощении нейтрона меньше энергии активации, то ядро не доходит до

критической стадии деления и, испустив -квант, возвращается в основное

состояние.

 

Важной особенностью ядерной реакции деления является возможность реализовать на ее основе самоподдерживающуюся цепную ядерную реакцию. Это обусловлено тем, что при каждом акте деления выделяется в среднем больше одного нейтрона. Масса, заряд и кинетическая энергия осколков Х и У, образующихся в процессе реакции деления типа (7.15), различны. Эти осколки быстро тормозятся средой, вызывая ионизацию, нагревание и нарушение ее структуры. Использование кинетической энергии осколков деления за счет нагревания ими среды является основой превращения ядерной энергии в тепловую. Осколки деления ядра находятся после реакции в возбужденном состоянии и переходят в основное состояние путем испускания β - частиц и –квантов.

Управляемая ядерная реакция осуществляется в ядерном реакторе и сопровождается выделением энергии. Первый ядерный реактор был построенв 1942 г в США (Чикаго) под руководством физика Э.Ферми (1901 – 1954). В СССР первый ядерный реактор создан в 1946 г под руководством И. В. Курчатова. Затем, после накопления опытов управления ядерными реакциями, начали строить атомные электростанции.

 

 

Вопрос 1. Квантовая теория теплового излучения. Гипотеза и формула Планка.

Согласно квантовой теории Планка, атомные осцилляторы излучают энергию не непрерывно, а определенными порциями -- квантами, причем энергия кванта пропорциональна частоте колебания , где -- постоянная Планка. Т.к. излучение испускается порциями, то энергия осциллятора (стоячей волны) может принимать лишь определенные дискретные значения, кратные целому числу эл-тарн порций энергии : (n=0,1,2,…). Ф-ла Планка (нахождение универсальной функции Кирхгофа):

, где , -- спектральные плотности энергетической светимости ЧТ, -- длина волны, -- круговая частота, с – скорость света в вакууме, к – постоянная Больцмана, Т – термодинамическая температура, h – постоянная Планка, -- постоянная Планка, дел.на = . Следствие: если , то и из ф-лы Планка следует ф-ла Релея-Джинса: . В области больших частот и единицей в знаменателе ф-лы можно пренебречь по сравнению с , тогда получим ф-лу , эта ф-ла совпадает с ф-лой , причем а₁=h/k

 

 

Вопрос 2. Оптическая пирометрия.

Законы теплового излучения используются для измерения температуры раскаленных и самосветящихся тел (например, звезд). Методы измерения высоких температур, использующие зависимость спектральной плотности энергетической светимости тел от температуры, называются оптической пирометрией. Приборы для измерения температуры нагретых тел по интенсивности их теплового излучения наз-ся пирометрами. В зависимости от того, какой закон теплового излучения используются при измерении температуры радиационную, цветную и яркостную температуры. 1. Радиационная температура – это такая температура черного тела, при которой его энергетическая светимость равна энергетической светимости исследуемого тела. В данном случае регистрируется энергетическая светимость исследуемого тела и по закону С.-Б.вычисляется его радиационная температура. . Радиационная температура всегда меньше истинной температуры тела. 2. Цветовая температура. Для серых тел (серое тело – тело, поглощательная способность которых меньше 1, но одинакова ля всех частот и зависит только от температуры, материала и состояния пов-ти тела) спектральная плотность энергетической светимости , где = const<1/. Следовательно распределение энергии в спектре излучения серого тела такое же, как и в спектре черного тела, имеющего ту же температуру. Поэтому к серым телам применим закон Вина (), т.е. зная длину волны , соответствующую максимальной спектральной плотности энергетической светимости исследуемого тела, можно определить его температуру , которая наз-ся цветовой температурой. Для серых тел она совпадает с истинной температурой, для других тел это понятие теряет смысл. 3. Яркостная температура. -- это температура черного тела, при которой для определенной длины волны его спектральная плотность энергетической светимости равна энергетической светимости исследуемого тела, т.е. , где Т – истинная температура тела. Истинная температура для нечерного тела всегда больше яркостной.