Оптична пірометрія та її застосування

 

Пірометри – це прилади для вимірювання температури, або енергії, що випромінюється тілом. Побудовані на законах теплового випромінювання.

Пірометри розрізняють оптичні і колірні в залежності від того, які закони теплового випромінювання використано в їх конструкції.

Пірометри застосовуються для вимірювання відносно високих температур (T >1000°С), позаяк вони не потребують контакту з тілом температура якого вимірюється, а також самосвітних тіл, віддалених від спостерігача (наприклад, зір).

 

 

Фотони

 

Фотоефект. Види фотоефекту. Закони фотоефекту. Фотодіоди та фоторезистори

 

Одним із явищ, яке може бути пояснене на основі представлення світла у вигляді частинок, або корпускул, що називаються фотонами – є явище фотоефекту.

Фотоефектом називається явище виривання електронів під дією світла з атомів.

Якщо електрони лишаються в об’ємі речовини, то при цьому збільшується концентрація носіїв, зменшується опір, - такий фотоефект називається внутрішнім.

Якщо ж електрони вилітають за межі речовини, то фотоефект буде зовнішнім, при цьому електрони, що вирвались із матеріалу під дією прикладеного електричного поля, можуть утворити електричний струм в колі.

 

 

Схема дослідження фотоефекту показана на рис. 2.4, а вольт-амперна характеристика вакуумного фотоелемента на рис. 2.5.

 

Закони фотоефекту:

1. Струм насичення пропорційний світловому потоку: , (див. рис. 2.5, де Ф ₂> Ф ₁).

2. Існує червона межа фотоефекту, тобто така мінімальна частота світла, при якій ще можливий фотоефект: , де А_в – робота виходу електрона.

3. Максимальна швидкість фотоелектронів не залежить від інтенсивності світла, а залежить тільки від його частоти.

Ейнштейн запропонував формулу фотоефекту:

.

Енергія фотона цілком засвоюється електроном і йде на подолання роботи виходу із матеріалу і надання електрону кінетичної енергії.

Як видно із рис. 2.5, навіть при напрузі U <0 може існувати невеликий струм, пов’язаний із тим, що деякі електрони мають можливість долетіти від катода до анода.

По запірній напрузі (U_з) визначають величину кінетичної енергії електронів при фотоефекті (див. рис. 2.4):

.

Запірна напруга – це така напруга, при якій ні один вирваний під дією фотоефекту електрон, не долітає від катода до анода.

Фотодіоди – це прилади (вакуумні або твердотільні), які служать джерелами електричного струму.

Фоторезистори – це твердотільні прилади, в яких під дією світла збільшується провідність.

Твердотільні фотодіоди відрізняються від твердотільних резисторів тим, що в них є p-n-перехід.

Наявність p-n-переходу приводить до розділення пар носіїв, що виникають під дією світла, і утворення різниці потенціалів.

 

Фотони. Їх властивості

 

Ейнштейн висунув гіпотезу, згідно якої світло не тільки поглинається або випромінюється, але й розповсюджується у вигляді особливих частинок – фотонів. Як уже зазначалось:

1. .

2. Імпульс фотона , де K – хвильове число, .

3. Фотони мають масу, яка визначається як:

;

маса спокою фотона дорівнює нулю.

Крім того:

4. Тиск фотонів дорівнює об’ємній густині енергії, що несе світло p = w.

5. Фотони – це частинки з цілочисельним спіном, що відносяться до класу бозонів, тобто описуються статистикою Бозе-Ейнштейна.

6. Фотони не мають електричного заряду, не відхиляються в електричному і магнітному полях.

Завдяки значній відмінності по властивостях від інших елементарних частинок фотони виділені в окремий клас елементарних частинок.

 

 

Ефект Комптона

 

Ефект Комптона полягає в тому, що при розсіянні Х- (рентгенівського) випромінювання в спектрі розсіяння, крім довжини хвилі l, під деяким кутом q (q - кут розсіяння) спостерігається випромінювання довжиною хвилі l ¢.

 

Константа Комптона для електрона: l_с =0,0243 Å

Із законів збереження енергії і імпульса при взаємодії рентгенівських фотонів з вільними електронами атомів опроміненої речовини, випливає, що внаслідок зміни імпульсу і енергії цих електронів повинна змінитися величина енергії і імпульсу фотонів, що розсіяні під кутом q.

Як бачимо, при аналізі явища враховується енергія спокою частинок на основі теорії відносності. Із даної системи рівнянь можна прийти до вище вказаної експериментально отриманої залежності довжини хвилі в спектрі розсіяння фотонів від кута між первинним пучком і напрямком розсіяного випромінювання. Dl не залежить від природи речовини і довжини l.