XXV. Класическа теория на топлинното излъчване от нагрети тела: спектрална плътност на енергията, излъчвателна и поглъщателна способност на телата. Закон на Кирхов. Закон на Стефан-Болцман. Закон на Вин. Формула на Релей – Джинс. Теория на Планк за топлинното излъчване.
1. Енергия. Топлинна енергия.
а) Енергия – идеалистична мярка за количеството работа, което може да се получи от даден процес или явление.
б) топлинна енергия - мярка за количество работа, което можем да получим от топлинни трептения и движения на атомите, молекули и йони на нагретите тела.
2. Топлина – енергията, която е запасена и топлинни трептения и движения на атомите, молекулите и йоните и частичките на нагретите до определени  материални тела.
- енергия е запасена в частиците на течните тела.
В природата и техниката се обменят огромни количества енергия под формата на топлина.
3. Температура – мярката, с която измерваме големината на топлинните трептения и движения.
4. Предаване на топлината / топлинна енергия / между нагретите тела. Класическа теория на топлинното излъчване на нагретите тела.
а) Всяко нагрято тяло в следствие на своите топлинни трептения излъчва електромагнитни вълни, които ние наричаме топлинно излъчване.
Топлинните трептения представляват ускорителното движение на заредените частици на веществото и съгласно класическата динамика, при такова движение се излъчват електромагнитни вълни. Ако  е ниска ние не виждаме вълните и са инфрачервени.
б) материални тела, до които достигне топлинно инфрачервено излъчване го поглъщат и неговите частички започват да извършват топлинни трептения.
Извод: По този начин се обменя топлината в природата и техниката и понякога този начин го срещаме под понятието лъчист топлообмен.
в) Всяко материално тяло, което е в термодинамично равновесие / t = const /, постоянно излъчва и поглъща електромагнитна топлинна енергия.
г) когато Т = 0[0K] би следвало топлината да изчезне и наистина е така.
Изчезват електрическото съпротивление, вътрешното триене / вискозитетът на течностите /, което показва, че тези две неща са свързани с топлинни трептения на частичките на веществото.
д) класическата теория на топлинното излъчване не успява правилно да обясни принципите на поглъщане и излъчване на топлина, тъй като не изхожда правилно.
Тези процеси са описани правилно от квантовата теория, която изхожда от това, че енергията в микросвета се предава само на определени порции кванти.
5. Основни величини в теорията на топлинното излъчване:
а) диференциална излъчвателна способност на материалните тела - повърхностната плътност на топлинното излъчване dW в един честотен интервал.
б) диференциална поглъщателна способност на нагретите тела  - показва каква част от падащото върху материалното тяло, топлинното излъчване се поглъща от материалното тяло.
в) интегрална излъчвателна способност (ЕТ) – повърхностна плътност на излъчваното топлинно лъчение за всички възможни честоти от една повърхност.
г) интегрална поглъщателна способност ( АТ ) – показва какво е общото количество погълната топлинна енергия в целия частичен диапазон
5. Абсолютно черно тяло, което поглъща напълно попадналата върху него топлинно излъчване, при всяка I всяка честота
напр: сажди, които са много финно смляни и интегриращи сфера.
6. Закон на класическата теория на топлинното излъчване.
а) Закон на Кирьоф – отношението на излъчващото към поглъщащото способност на произволно не прозрачно тяло е винаги равна на излъчващата способност на абсолютно черно тяло
Извод 1: Ако познаваме излъчвателната способност на абсолютно твърдо тяло, можем да опишем излъчвателната способност на всяко друго тяло, ако знаем неговата поглъщателна способност
Извод 2: Едно нагрято тяло не излъчва в дадена честотен интервал, то тогава това тяло при същата не може да поглъща топлинно излъчване в същия честотен интервал.
б) Закон на Стефан-Болцман – излъчвателната способност на абсолютно черно тяло пропорционално на константа.
, - константа на Болцман
в) Закон на Вин – излъчвателната способност на абсолютно черно тяло е равна на скороста на светлината, по-често на 3 степен, по отноението към Т
г) Формула на Релей – Джинс – излъчвателната способност на абсолютно черно тяло е:
, k – констнта на Болцман
Извод: Законите на класическата теория на успяват правилно да опишат топлинното излъчване.
7. Теория на Планк – изхождайки от квантова гледна точка, според която енергетичните състояния на частиците на веществото могат да бъдат само дискретни и, че енергията и микросвета се обменя само на определени порции / кванти /, Планк пръв успява да опише правилни излъчвателната способност на абсолютно черно тяло, което се намира в темп. Т
h – константа на Планк
exp – експоненциална функция
exp(x) = expx = ex
Извод: Формулата на Фланк е вярна, защото е изведена от квантовата физика, според която нагретите тела могат да излъчват и поглъщат енергия / вкл. Топлина / само на отделни порции и да изменят енергетичното си състояние само между дискретните енергетични нива на веществото и следователно не могат да излъчват и поглъщат безкрайно голямо количество енергия.
XXVI. Външен фото електричен ефект. Уравнение на Айнщаин за фото ефекта. Закони на фотоефекта
1. Определение – Външен фото ефект – п-сът на взаимодействие на електромагнитно светлинно излъчване / фотон / с електродите на веществото, при което от обема на веществото се избиват свободни електрони се нарича външен фото ефект.
Значение : Това явление широко се използва в модерните прибори за регистрация на светлинно излъчване като фото електронен умножител, вакумни фотодиоди .
Вътрешен фото ефект – явление, при което вследствие на поглъщането на енергията на светлинните фотони. Електрони от валентната зона на полупроводници преминават в зоната на проводимостта и по този начин създават свободни токове – носители, които регистрираме като фото ток от съвременните фотодиоди и т. н., без при което електрона да напуска обема на твърдото тяло.
2. Външният фото ефект е явление, с което в зората на създаване на съвременната физика е използвано като доказателство, че енергията в микросвета се предава и изменя само на определени порции кванти.
-
Уравнение на Айнщайн
Ако между облъчвания катод и 1 добавен анод приложим ел. поле, което създава определена потенциална разлика за са възможни 2 случая:
• ако анодът е положителен, а катодът отрицателен то тогава ел. полето ще ускорява избитите електрони и ще протече фото ток. При това като увеличим потенциалната разлика фото токът ще достигне някакво насищане, когато всички избити електроди достигат анода.
• ако анодът е отрицателен, а катодът е положителен, при което приложеното ел. поле ще зававя фото тока и при някаква стойност на , той ще спре.
За да бъде напълно спрян фото токът трябва:
Уравнение на Айнщайн
енергията на фотона е = на сумата от от-делителната работа + кинетичната енергия на избития електрон
-
Закони за фотоефекта:
а) скоростта на избитите фото електрони зависи от честотата на светлинната вълна и не зависи от нейната интензивност.
б) големината на фото тока е пропорционален на интензивността на падащата светлинна вълна.
в) външния фотоефект протича за времена от порядъка на
-
Приложение на външния фотоефект
• при фотоелектр. умножител
• вакуумни фотодиоди
• при приборите за нощно виждане
27 тема
-
Основи на квантовата електроника
Квантовата електроника и лазерите почиват върху явлението стимулирано излъчване на светлина. Излъчването на светлинни фотони може да се осъществи по 2 начина:
а) спонтанно излъчване – Спонтанно имаме, когато енергията от външното излъчване или някаква друга се предаде на електроните на атомите на веще-ството, те осъществяват енергетичен преход и след определено време на живот на електрона на възбуденото ниво (n-нивото), електрона преминава в по-ниско енергетично състояние, като излъчва светлинен фотон. Електрона само-произволно релаксира на по-ниско ниво.
б) стимулиране излъчване на светлина – при него преди изтичане на времето , покрай възбудения електрон премине друг фотон, който принудително да накара възбудения електрон да излъчи абсолютно идентичен друг фотон.
При стимулираното излъчване се излъчва фотон близнак. Следствие на стимулираното излъчване се раждат напълно идентични фотони, за които е харектерно, че:
• имат еднакви енергии
• всички фотони имат една и съща честота
• всички фотони имат еднаква поляризация
• еднаква посока на разпространение
Извод:
Чрез стимулирано излъчване на светлината могат да се създадат кохерентни светлинни снопове. Лазерите са светлинни източници, които работят на основата на стимулираното излъчване на светлина.
-
Лазери
а) устройство – активна среда, в която трябва да се родят кохерентните фотони с определени енергетични нива; енергетичен източник за възбуждане на активната среда; оптически резонатор - в него е поставена активната среда, той усилва само фотони с определено направление на разпространението, състои се от едно напълно отразяващо огледало и едно 98% огледало.
б) възникване – възможността да се създават лазерни източници на светлина исторически е била разработена от руск. учени, а америнканския учен Чарлс Таунс го осъществява практически (1961 г.)
-
Основни видове лазерни източници
Най-често лазерните източници се класифицират по вида на активната среда. Когато активната среда е твърдо, прозрачно кристално или аморфно вещество са
а) твърдотелни лазери – имат вида показан на схемата. Биват:
• рубинови лазери
• неодимови лазери
• Er лазери
• други
б) газови лазери – най-разпространените. При тях активната среда е газова смес, в която се създава електрически разряд. При ел. разряд енергетичните нива на атомите се възбуждат, когато електроните от газовия разряд отдават своята енергия на атомите на газа.
• с непрекъснато действие – с непрекъснат газов разряд:
Устройството им е подобно на неоновите лампи. Най-известни са He-Ne-овите лазери, , имат по-малка мощност . Те дават едни от най-качествените лазерни излъчвания, тъй като имат висока степен на кохерентност и монохроматичност. Използват се в датчици и др.; Аргонови лазери – излъчват зелена светлина. При тях се използва силно токов дъбов разряд, също между 2 електрода, . Използват се за рязане на различни материали.
• с импулсно действие – възбуждат се с импулсен газов разряд:
Азотни лазери , , продължителността на лазерните импулси е ; Използват се в химията, биолог., за настройване на резистори, кондензатори и пр. в ИС.
Ексимерни лазери – във времето на протичане на импулсен ел. разряд се образуват определени молекули, които могат да съществуват само, ако молекулата е във възбудено състояние. При разпадането на тази молекула се излъчва лазерно излъчване в ултравиолетовата област.
-лазер ; ;
С тези лазери могат да се режат повечето от материалите.
• газови лазери на метални пари:
Кадмиев лазер – в тези лазери чрез нагряване на метали до няколко стотин градуса металните атоми се изпаряват в газовата смес, възбуждат се в ел. газовия разряд и се получава лазерно излъчване
в) полупроводникови лазери – когато протича ел. ток в полупроводник, то е възможно електрони от валентната зона да преминат в зоната на проводи-мостта и когато се върнат да има лазерно излъчване. Този процес се осъществява в P-N прехода.
Извод 1:
Полупроводниковите лазери са много компактни. Директно преобразуват ел. енергия в светлинна и имат най-висока КПД (60%-80)
Извод 2:
Тези лазери са най-широко разпространените.
Извод 3:
Когато хиляди полупроводникови лазери се обединят в общо у-во може да се получи мощност на лазера няколко KW!
г) лазери на органични багрила (DYE) – при тях разтвор на органични багрила като например родамин се облъчи с друг лазер, тогава молекулите на органичното багрило се възбуждат и се ражда лазерно излъчване с друга дължина на вълната, която може плавно да се пренастройва в широк диапа-зон . Тези лазери са незаменими в химията, биологията и т.н. изследвания.
-
Основни свойства на лазерното излъчване
а) висока монохроматичност
б) висока насоченост – от всички светлинни източници лазерът има най-висока насоченост
в) висока кохерентност – дължи се на това, че фотоните на лазерното излъчване се идентични на своите характ.
Извод 1:
Вследствие основните физични свойства на лазерното излъчване, то може да се фокусира в пространствени области от порядъка на размера на светлинната вълна. D~ , което не може да се постигне със светлина от др. източници.
Извод 2:
Може да се фокусира в много малки времеви интервали
Извод 3:
В следствие високата си насоченост лазерното излъчване може да се разпростира на най-големите разстояния спрямо, които можем да изпратим светлината от друг светлинен източник.
-
Приложения:
Лазерните технологии стават все по-разпространени. Прилагат се в хиляди направления и все повече изместват традиционните технологии.
а) лазерно заваряване – най-качественото
б) в биологията, химията, генетиката, метеорологията, в датчици, военното дело, медицината и др.
в) в информационните технологии – запис, четене на информация
28 тема
-
Определение
Квантовата механика е механика, която описва състоянието и движението на атомите и суб-атомните обекти на материята и по същество представлява една микромеханика.
-
Структура на обектите в пространството и времето в микросвета
За разлика от макрообектите, микро-обектите, от които е изграден света се харектеризират с това, че те представляват структури, изградени от физични полета и вещество, нямат рязки граници и проявяват двойнствени свойства на частица и на вълна. По същество представляват вълнов пакет на дадено физично поле и някакви веществени частици => такъв обект в явление, в които се проявява физично поле, такива частици проявяват вълнови свойства. В явления, в които частицата взаимодейства напълно, тя притежава корпусколярни свойства.
Извод 1:
Обектите в микросвета имат двойнствена корпусколярна-вълнова природа.
Извод 2:
Всички материални обекти и частици в микросвета могат да съществуват само в дискретни стойности на своята енергия.
Извод 3:
Енергетичните състояния на микрообектите са квантувани.
Извод 4:
Изменението на енергията на микрообектите оже да става само на определени енергетични порции (кванти), които съответстват на енергетичните нива, в които съществува микрочастицата.
Извод 5:
В микросвета пространството и времето са също квантувани.
Общ Извод:
Механичното движение и състояние в микросвета е дискретно!
-
Вълни на дьо Бройл
Ако микрообектът е частица, то тогава неговия импулс би бил:
, обаче в същото време обектът е и вълна => .
Следователно:
;
Дьо Бройл съпоставя на всяка частица с определена маса и импулс, определена дължина на вълната, която да описва нейните вълнови св-ва.
На практика дължината на вълната определена по формулата се регистрира експериментално и в свойствата на частиците.
-
Вълнова функция. Уравнение на Шрьодингер
Състоянието и движението на микрообектите се описва чрез функцията:
, така както става чрез уравнението за движението в класическата механика. В квантовата механика се стремим да определим вида на -функцията, която описва състоянието и движението. Също така в класическата механика основно уравнение е II-рия закон Нютон, чрез който търсим закона за движение, в квантовата механика роля на основно уравнение играе уравнението на Шрьодингер. Чрез решаване на уравнението се получава вида на вълновата фукция за всеки конретен случай. Уникалното е това, че трябва да стигнеме до дискр. изменение и движение на микрочастиците.
Стационарно уравнение на Шрьодингер:
- оператор на Лаплаз
Е – енергията на частицата
Чрез решаването на уравнението получаваме фунцията
- енергетичните състояния
-
Съотношение за неопределеност на Хайзенберг
Те ни оказват, че е безсмислено да определяме коорд. импулса, енергията, времето на микрочастиците под стойността на дискретния квант на тяхното изменение. Най-малкото възможно изменение се оказва от константата на Планк => когато определяме физични величини под ние изпадаме в безсмисленост. Поради тази причина Хайзенберг написва своето съотношение за неопределеност:
Произведението от точността, с количеството опред. коорд. и импулси на една частица не може да бъде по-малко от .
По този начин съотношението не ни оказва, че светът е неопределен, а само ни предпазва от стремежа да определим величините по-точно под кванта на тяхното изменение.
Аналогично на горното уравнение е написано и следващото:
-
Приложение
Квантовата механика се използва за описание и анализ на процесите в микросвета и при всички микро-прибори.
29 тема
-
Частица в едномерна правоъгълна яма.
L – ширина на ямата
-
Преминаване на частици през потенциална бариера
а) потенциална бариера – това е област, в която потенциалът нараства и се явява пречка за микрочастицата да напусне определена област. Такива бариери се образуват около йоните на твърдите тела, в атомите около атомните ядра. Бариерите се получават, когато между 2 частици действат едновременно близкодействаща сила на привличане /ядрена/ и далекодействащи сили на отблъскване.
Една частица се намира пред потенциална бариера, ако нейната енергия е по-малко от енергията на бариерата .
б) преминаване на частица през потенциална бариера – преминаването на микрочастица през потенциална бариера е възможно по 2 начина:
• когато придадем на частицата /е-/ енергия по-голяма от тази на потенциалната бариера
• когато частицата без да преодолява потенциалната бариера директно излиза, което се нарича тунелен ефект. Този ефект е квантово-механично явление, което се дължи на това, че в микросвета вероятността частица с по-малка енергия да премине през потенциална бариера не е 0.
в) приложение – в определени случаи тунелният ефект може да протича с най-голяма вероятност от всички други процеси и в този случай се използва за направата на ел. прибори работещи с този ефект – например тунелен диод – генерира високи честоти.
-
Квантова теория на атомите. Обяснение на спектъра на водородния атом.
а) Квантовата теория на атомите се основава на описание на атомните системи и квантово-механичните зависимости. При това енергитичното състояние на е- в атомите се получават като решение на уравнението на Шрьодингер.
б) едноелектронни атоми, водородни атоми – атоми, които имат само 1 е- се наричат едноелектронни. Такъв е водородния, който е най-простата атомна система.
Квантовата механика описва атомите чрез стационарното уравнение на Шрьодингер.
Сподели с приятели: |
