Распределение энергии в спектре излучения

 

Немецкий физик Планк предположил, что свет излучается не в виде волн, а виде определенных и неделимых порций энергии, которые он назвал квантами (квантум – количество, масса (латинский)). В современной физике кванты света называют фотонами.

При взаимодействии излучения с веществом в одних случаях наблюдаемые явления лучше объясняются волновыми свойствами (распространение света), а в других – квантовыми свойствами (испускание, поглощение света). Квантовая теория света объединила волновые и корпускулярные свойства света. Связь между волновыми и корпускулярными свойствами света выражается формулой Планка:

 

,

где e - энергия кванта; n - частота колебаний электромагнитного излучения. Чем больше частота, тем больше и квант излучаемой энергии. – постоянная Планка.

Атом вещества может испускать фотон при самопроизвольном переходе одного из электронов данного атома с более высокой орбиты с энергией на более низкую орбиту с энергией . При этом:

Согласно квантовой теории световое излучение заданной частоты n состоит из отдельных фотонов (квантов) определенной энергии e. Поскольку , то: – чем меньше длина волны l, тем больше квант излучаемой энергии. Опытным путем установлено, что пока фотон существует, он движется со скоростью света и ни при каких условиях не может замедлить свое движение или остановиться. При встрече с веществом фотон исчезает, а его энергия целиком переходит к поглотившей его частице, т.е. фотон не имеет массы покоя.

По квантовой теории объединение корпускулярных и волновых свойств является природным качеством всей материи вообще. Т.е. каждая частичка вещества обладает волновыми свойствами, а каждая

Рисунок 27. Распределение энергии в спектре излучения

волна обладает корпускулярными свойствами.

Рассмотрим распределение энергии излучения абсолютно черного тела по длинам волн, полученное Планком для нескольких температур (рисунок 27). Жирная кривая показывает распределение энергии в спектре Солнца. Энергия излучения вещества растет с уменьшением длины волны, а пройдя максимум, уменьшается до 0 при малых длинах волн.

Объяснить эти графики можно только на основании гипотезы Планка: при низких температурах энергии теплового движения частиц тела недостаточно для создания квантов большой энергии. Поэтому чем выше температура тела, тем больше вероятность возникновения квантов большой энергии и тем интенсивнее излучение. Длина волны, на которую приходится наибольшая энергия излучения, тем меньше, чем выше температура излучающего тела.

Установив с помощью опыта, на какую длину волны приходится наибольшая интенсивность в спектре излучения тела, можно определить температуру тела. Такой способ определения температуры источника излучения называется оптической пирометрией, а приборы – пирометрами. Пирометрами бесконтактно измеряют температуру расплавленного металла, нити лампы накаливания и т.д.

Химическое действие света на светочувствительную бумагу хорошо объясняется квантовой теорией света. Поглощение фотонов света (квантов) увеличивает энергию молекул бумаги, активирует их, что и вызывает химические процессы в веществе. Чем больше величина энергии квантов, тем больше химическая активность вещества. Следовательно, химическое действие излучения выражено тем ярче, чем короче длина волны излучения. Поэтому красные лучи на обычную фотобумагу не действуют и можно печатать фотографии при красном свете.

Солнечные лучи приносят ежесекундно 1370 Дж энергии на каждый квадратный метр поперечного сечения Земли. Эта величина называется солнечной постоянной γ=1370 Дж/(м c)=1370 Вт/м². Энергия, отдаваемая Земле Солнцем, значительно больше, чем энергия, используемая всей промышленностью земного шара.

 

Лазер

 

Во второй половине 20 века был создан лазер – оптический квантовый генератор. Пучок света от лазера может прожечь отверстие в самом твердом материале, расплавить броню. С помощью лазера выполняются тонкие хирургические операции внутри человеческого глаза.

Физические основы работы лазера.

Известно, что атом может испускать излучение при самопроизвольном переходе атома из более высокого энергетического состояния в более низкое (рисунок 28). Такое излучение называется спонтанным (самопроизвольным). Оно происходит некогерентно, так как каждый атом начинает и заканчивает излучение независимо от других.

 

Рисунок 28. Спонтанное излучение атомом фотона с энергией

 

А.Эйнштейн теоретически показал, что переход электрона с внешнего энергетического уровня на нижний уровень может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля с частотой, равной собственной частоте перехода . Такое излучение называется вынужденным или индуцированным.

В результате взаимодействиявозбужденного атома c фотоном, частота которого равна частоте перехода , получаются 2 совершенно одинаковых по энергии и направлению движения фотона (рисунок29).

 

Рисунок 29. Индуцированное излучение атома

Происходит усиление электромагнитного колебания, причем индуцированное излучение является монохроматичным и когерентным. Это излучение и используется в лазерной технике.

При прохождении света через вещество, происходит поглощение фотонов атомами, находящимися в основном состоянии и переход этих атомов в возбужденное состояние. Тот же свет создает индуцированное излучение, переводя атомы из возбужденного состояния в основное.

Мощность индуцированного излучения зависит от числа атомов, находящихся в возбужденном состоянии. Состояние вещества, в котором меньше половины атомов находится в возбужденном состоянии, называется состоянием с нормальной населенностью энергетических уровней (рисунок 30,а). Состояние, в котором больше половины атомов вещества находится в возбужденном состоянии, называется состоянием с инверсной населенностью энергетических уровней (рисунок 30,б).

 

Рисунок 30. Нормальная (а) и инверсная (б) населенность энергетических уровней

 

При прохождении света определенной частоты через вещество с инверсной населенностью уровней, поток света усиливается.