Примеры решения задач. Пример 1. Максимум спектральной плотности энергетической светимости Солнца приходится на длину волны =0,48 мкм

Пример 1. Максимум спектральной плотности энергетической светимости Солнца приходится на длину волны =0,48 мкм. Считая, что Солнце излучает как черное тело, определить: 1) температуру его поверхности; 2) мощность, излучаемую его поверхностью.

Согласно закону смещения Вина, искомая температура поверхности Солнца:

где b= - постоянная Вина.

Мощность, излучаемая поверхностью Солнца:

где - энергетическая светимость черного тела (Солнца), - площадь поверхности Солнца, - радиус Солнца.

Согласно закону Стефана - Больцмана:

где = Вт/ - постоянная Стефана - Больцмана.

Подставим записанные выражения в формулу (2), найдем искомую мощность, излучаемую поверхностью Солнца:

Вычисляя, получим: Т=6,04 кК; Р= Вт.

Пример 2. Определить длину волны , массу и импульс фотона с энергией = 1 МэВ.

Энергия фотона связана с дли- ной волны света соотношением: ,

где h – постоянная Планка, с – скорость света в вакууме. Отсюда .

Подставив численные значения, получим: м.

Массу фотона определим, используя формулу Эйнштейна . Масса фотона = кг.

Импульс фотона = кг м/с.

Пример 3. Натриевый катод вакуумного фотоэлемента освещается монохроматическим светом с длиной волны =40 нм. Определить задерживающее напряжение, при котором фототок прекращается. "Красная граница" фотоэффекта для натрия =584 нм.

Электрическое поле, препят- ствующее движению электронов от катода к аноду, называют обратным. Напряжение, при котором фототок полностью прекращается, называется задерживающим напряжением. При таком задерживающем напряжении ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью , не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. При этом начальная кинетическая энергия фотоэлектронов () переходит в потенциальную ( , где е= Кл – элементарный заряд, а - наименьшее задерживающее напряжение). По закону сохранения энергии

Кинетическую энергию электронов найдем, используя уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:

Отсюда (3)

Работа выхода электронов А в определяется красной границей фотоэффекта:

Подставив выражение (4) в уравнение (3), получим:

Тогда, из уравнения (1) .

Вычисляя, получим В.

Пример 4. Кинетическая энергия протона в четыре раза меньше его энергии покоя. Вычислить длину волны де Бройля для протона.

Длина волны де Бройля определяется по формуле: , (1)

где h – постоянная Планка, - импульс частицы.

По условию задачи кинетическая энергия протона сравнима по величине с его энергией покоя Е 0 . Следовательно, импульс и кинетическая энергия связаны между собой релятивистским соотношением:

где с – скорость света в вакууме.

Используя условие задачи, получим: . Подставив полученное выражение в формулу (1), найдем длину волны де Бройля:

Энергию покоя электрона найдем по формуле Эйнштейна , где m 0 - масса покоя электрона, с - скорость света в вакууме.

Подставив числовые значения, получим: м.

Пример 5. Электронный пучок ускоряется в электронно-лучевой трубке разностью потенциалов U=0,5 кВ. Принимая, что неопределенность импульса электрона равна 0,1 % от его числового значения, определить неопределенность координаты электрона. Является ли в данных условиях электрон квантовой или классической частицей?

В направлении движения пучка электронов (ось X) соотношение неопределенностей имеет вид:

где - неопределенность координаты электрона; - неопределенность его импульса; - постоянная Планка.

Пройдя ускоряющую разность потенциалов, электрон приобретает кинетическую энергию , равную работе сил электрического поля:

Расчет дает значение Е к =500 эВ, что много меньше энергии покоя электрона (Е 0 = 0,51 Мэв). Следовательно, в данных условиях электрон является нерелятивистской частицей, имеющей импульс, связанный с кинетической энергией формулой .

Согласно условию задачи, неопределенность импульса =0,001 = , т.е. << .

Это значит, что волновые свойства в данных условиях несущественны и электрон может рассматриваться как классическая частица. Из выражения (1) следует, что искомая неопределенность координаты электрона

Вычислив, получим 8,51 нм.

Пример 6. В результате перехода из одного стационарного состояния в другое атомом водорода был испущен квант с частотой . Найти, как изменились радиус орбиты и скорость движения электрона, используя теорию Бора.

Излучение с частотой соответствует длине волны = =102,6 нм (с – скорость света в вакууме), лежащей в ультрафиолетовой области. Следовательно, спектральная линия принадлежит серии Лаймана, возникающей при переходе электрона на первый энергетический уровень (n=1).

Используем обобщенную формулу Бальмера, чтобы определить номер энергетического уровня (k), с которого был совершен переход: .

Выразим из этой формулы k:

Подставляя имеющиеся данные, получим k=3. Следовательно, излучение произошло в результате перехода электрона с третьей орбиты на первую.

Значения радиусов орбит и скоростей движения электронов на этих орбитах найдем из следующих соображений.

На электрон, находящийся на стационарной орбите в атоме водорода, со стороны ядра действует сила Кулона

которая сообщает ему нормальное ускорение . Следовательно, согласно основному закону динамики:

Кроме того, согласно постулату Бора, момент импульса электрона на стационарной орбите должен быть кратен постоянной Планка, т.е.

где n = 1, 2, 3 …. – номер стационарной орбиты.

Из уравнения (2) скорость . Подставив это выражение в уравнение (1), получим

Отсюда радиус стационарной орбиты электрона в атоме водорода: .

Тогда скорость электрона на этой орбите:

Принимая, что до излучения кванта электрон имел характеристики r 3 , v 3 , а после излучения r 1 , v 1 несложно получить:

то есть, радиус орбиты уменьшился в 9 раз, скорость электрона увеличилась в 3 раза.

Пример 7. Электрон в одномерной прямоугольной "потенциальной яме" шириной =200 пм с бесконечно высокими "стенками" находится в возбужденном состоянии (n=2). Определить: 1) вероятность W обнаружения электрона в средней трети "ямы"; 2) точки указанного интервала, в которых плотность вероятности обнаружения электрона максимальна и минимальна.

1. Вероятность обнаружить частицу в интервале

Возбужденному состоянию (n=2) отвечает собственная волновая функция:

Подставим (2) в (1) и учтем, что и :

Выразив через косинус двойного угла с использованием тригонометрического равенства , получим выражение для искомой вероятности: = = = = = 0,195.

2. Плотность вероятности существования частицы в некоторой области пространства определяется квадратом модуля ее волновой функции . Используя выражение (2), получим:

Зависимость квадрата модуля волновой функции частицы от ее координаты, определяемая выражением (3), приведена на рисунке.

Очевидно, что минимальная плотность вероятности w=0 соответствует значениям x, при которых .

То есть, ,

где k = 0, 1, 2…

Максимального значения в пределах ямы плотность вероятности w достигает при условии: . Соответствующие значения .

Как видно из графика зависимости w= w(x), приведенного на рисунке, в интервал

Как видим, плотность вероятности обнаружить электрон на границах заданного интервала - одинакова. Следовательно, , .

Пример 8. Определить количество теплоты, необходимое для нагревания кристалла NaCl массой m=20г на от температуры Т 1 = 2К. Характеристическую температуру Дебая для NaCl принять равной 320К..

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела массой m от температуры Т 1 до температуры Т 2 можно вычислить по формуле:

где С – молярная теплоемкость вещества, М – молярная масса.

Согласно теории Дебая, при температуре молярная теплоемкость кристаллических твердых тел определяется выражением:

Подставив выражение (2) в (1), и проинтегрировав, получим:

Подставив численные значения и произведя вычисления, найдем Q= 1,22 мДж.

Пример 9. Вычислить дефект массы, энергию связи и удельную энергию связи ядра .

Дефект массы ядра определим по формуле:

Для ядра : Z=5; А=11.

Вычисление дефекта массы выполним во внесистемных единицах – атомных еди- ницах массы (а.е.м.). Необходимые данные возьмем из таблицы (приложение 3):

1,00783 а.е.м., =1,00867 а.е.м., = 11,00931 а.е.м.

В результате расчета по формуле (1) получим: =0,08186 а.е.м.

Энергию связи ядра найдем также во внесистемных единицах (МэВ), воспользовавшись формулой:

Коэффициент пропорциональности = 931,4 МэВ/а.е.м., т.е.

После подстановки численных значений получим:

Удельная энергия связи, по определению, равна:

Определить порядковый номер и массовое число второго ядра, дать символическую запись ядерной реакции и определить ее энергетический эффект.

Тепловым излучением тел называется электромагнитное излучение, возникающее за счет той части внутренней энергии тела, которая связана с тепловым движением его частиц.

Основными характеристиками теплового излучения тел нагретых до температуры T являются:

1. Энергетическая светимость R (T ) -количество энергии, излучаемой в единицу времени с единицы поверхности тела, во всем интервале длин волн. Зависит от температуры, природы и состояния поверхности излучающего тела. В системе СИR ( T ) имеет размерность [Вт/м 2 ].

2. Спектральная плотность энергетической светимости r (  ,Т) =dW / d  - количество энергии, излучаемое единицей поверхности тела, в единицу времени в единичном интервале длин волн (вблизи рассматриваемой длины волны  ). Т.е. эта величина численно равна отношению энергииdW , испускаемой с единицы площади в единицу времени в узком интервале длин волн от до +d  , к ширине этого интервала. Она зависит от температуры тела, длины волны, а также от природы и состояния поверхности излучающего тела. В системе СИr ( , T ) имеет размерность [Вт/м 3 ].

Энергетическая светимостьR (T ) связана со спектральной плотностью энергетической светимостиr ( , T ) следующим образом:

(1) [Вт/м 2 ]

3. Все тела не только излучают, но и поглощают падающие на их поверхность электромагнитные волны. Для определения поглощательной способности тел по отношению к электромагнитным волнам определенной длины волны вводится понятиекоэффициента монохроматического поглощения -отношение величины поглощенной поверхностью тела энергии монохроматической волны к величине энергии падающей монохроматической волны:

Коэффициент монохроматического поглощения является безразмерной величиной, зависящей от температуры и длины волны. Он показывает, какая доля энергии падающей монохроматической волны поглощается поверхностью тела. Величина ( , T ) может принимать значения от 0 до 1.

Излучение в адиабатически замкнутой системе (не обменивающейся теплотой с внешней средой) называется равновесным . Если создать маленькое отверстие в стенке полости состояние равновесия измениться слабо и выходящее из полости излучение будет соответствовать равновесному излучению.

Если в такое отверстие направить луч, то после многократных отражений и поглощения на стенках полости он не сможет выйти обратно наружу. Это значит, что для такого отверстия коэффициент поглощения( , T ) = 1.

Рассмотренная замкнутая полость с небольшим отверстием служит одной из моделей абсолютно черного тела.

Абсолютно черным телом называется тело, которое поглощает все падающее на него излучение независимо от направления падающего излучения, его спектрального состава и поляризации (ничего не отражая и не пропуская).

Для абсолютно черного тела, спектральная плотность энергетической светимости является некоторой универсальной функцией длины волны и температурыf ( , T ) и не зависит от его природы.

Все тела в природе частично отражают падающее на их поверхность излучение и поэтому не относятся к абсолютно черным телам.Если коэффициент монохроматического поглощения тела одинаков для всех длин волн и меньше единицы (( , T ) = Т =const<1),то такое тело называется серым . Коэффициент монохроматического поглощения серого тела зависит только от температуры тела, его природы и состояния его поверхности.

Кирхгофом было показано, что для всех тел, независимо от их природы, отношение спектральной плотности энергетической светимости к коэффициенту монохроматического поглощения является той же универсальной функцией длины волны и температурыf ( , T ) , что и спектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела:

Уравнение (3) представляет собой закон Кирхгофа.

Закон Кирхгофа можно сформулировать таким образом:для всех тел системы, находящихся в термодинамическом равновесии, отношение спектральной плотности энергетической светимости к коэффициенту монохроматического поглощения не зависит от природы тела, является одинаковой для всех тел функцией, зависящей от длины волны  и температуры Т.

Из вышесказанного и формулы (3) ясно, что при данной температуре сильнее излучают те серые тела, которые обладают большим коэффициентом поглощения, а наиболее сильно излучают абсолютно черные тела. Так как для абсолютно черного тела( , T )=1, то из формулы (3) следует, что универсальная функцияf ( , T ) представляет собой спектральную плотность энергетической светимости абсолютно черного тела

Говорят также, что энергетическая светимость - это поверхностная плотность испускаемого потока излучения.

Численно энергетическая светимость равна среднему по времени модулю составляющей вектора Пойнтинга , перпендикулярной поверхности. Усреднение при этом проводится за время, существенно превосходящее период электромагнитных колебаний.

Испускаемое излучение может возникать в самой поверхности, тогда говорят о самосветящейся поверхности. Другой вариант наблюдается при освещении поверхности извне. В таких случаях некоторая часть падающего потока в результате рассеяния и отражения обязательно возвращается обратно. Тогда выражение для энергетической светимости имеет вид:

где ρ {\displaystyle \rho } и σ {\displaystyle \sigma } - коэффициент отражения и коэффициент рассеяния поверхности соответственно, а - её облучённость .

Другие, иногда используемые в литературе, но не предусмотренные ГОСТОм наименования энергетической светимости: - излучательность и интегральная испускательная способность .

Спектральная плотность энергетической светимости

Спектральная плотность энергетической светимости M e , λ (λ) {\displaystyle M_{e,\lambda }(\lambda)} - отношение величины энергетической светимости d M e (λ) , {\displaystyle dM_{e}(\lambda),} приходящейся на малый спектральный интервал d λ , {\displaystyle d\lambda ,} , заключённый между λ {\displaystyle \lambda } и λ + d λ {\displaystyle \lambda +d\lambda } , к ширине этого интервала:

Единицей измерения в системе СИ является Вт·м −3 . Поскольку длины волн оптического излучения принято измерять в нанометрах , то на практике часто используется Вт·м −2 ·нм −1 .

Иногда в литературе M e , λ {\displaystyle M_{e,\lambda }} именуют спектральной испускательной способностью .

Световой аналог

где K m {\displaystyle K_{m}} - максимальная световая эффективность излучения , равная в системе СИ 683 лм /Вт . Её численное значение следует непосредственно из определения канделы .

Сведения о других основных энергетических фотометрических величинах и их световых аналогах приведены в таблице. Обозначения величин даны по ГОСТ 26148-84 .

Энергия, которую теряет тело вследствие теплового излучения, характеризуется следующими величинами.

Поток излучения (Ф) - энергия, излучаемая за единицу времени со всей поверхности тела.

Фактически, это мощность теплового излучения. Размерность потока излучения - [Дж/с = Вт].

Энергетическая светимость (Re) - энергия теплового излучения, испускаемого за единицу времени с единичной поверхности нагретого тела:

В системе СИ энергетическая светимость измеряется - [Вт/м 2 ].

Поток излучения, и энергетическая светимость зависят от строения вещества и его температуры: Ф = Ф(Т),

Распределение энергетической светимости по спектру теплового излучения характеризует ее спектральная плотность. Обозначим энергию теплового излучения, испускаемого единичной поверхностью за 1 с в узком интервале длин волн от λ до λ + dλ, через dRe.

Спектральной плотностью энергетической светимости(r) или испускательной способностью называется отношение энергетической светимости в узком участке спектра (dRe) к ширине этого участка (dλ):

Примерный вид спектральной плотности и энергетичекая светимость (dRe) в интервале волн от λ до λ + dλ, показаны на рис. 13.1.

Рис. 13.1. Спектральная плотность энергетической светимости

Зависимость спектральной плотности энергетической светимости от длины волны называют спектром излучения тела . Знание этой зависимости позволяет рассчитать энергетическую светимость тела в любом диапазоне длин волн. Формула для расчета энергетической светимости тела в диапазоне длин волн имеет вид:

Полная светимость равна:

Тела не только испускают, но и поглощают тепловое излучение. Способность тела к поглощению энергии излучения зависит от его вещества, температуры и длины волны излучения. Поглощательную способность тела характеризует монохроматический коэффициент поглощенияα .

Пусть на поверхность тела падает поток монохроматического излучения Φ λ с длиной волны λ. Часть этого потока отражается, а часть поглощается телом. Обозначим величину поглощенного потока Φ λ погл.

Монохроматическим коэффициентом поглощения α λ называется отношение потока излучения, поглощенного данным телом, к величине падающего монохроматического потока:

Монохроматический коэффициент поглощения - величина безразмерная. Его значения лежат между нулем и единицей: 0 ≤ α ≤ 1.

Функция α = α(λ,Τ) , выражающая зависимость монохроматического коэффициента поглощения от длины волны и температуры, называется поглощательной способностью тела. Ее вид может быть весьма сложным. Ниже рассмотрены простейшие типы поглощения.

Абсолютно черное тело - это тело, коэффициент поглощения которого равен единице для всех длин волн: α = 1.

Серое тело - это тело, для которого коэффициент поглощения не зависит от длины волны: α = const < 1.

Абсолютно белое тело - это тело, коэффициент поглощения которого равен нулю для всех длин волн: α = 0.

Закон Кирхгофа

Закон Кирхгофа - отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел и равно спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела:

= /

Следствие из закона:

1. Если тело при данной температуре не поглощает какое-либо излучение, то оно его и не испускает. Действительно, если для некоторой длины волны коэффициент поглощения α = 0, то и r = α∙ε(λT) = 0

1. При одной и той же температуречерное тело излучает больше чем любое другое. Действительно, для всех тел, кроме черного, α < 1, поэтому для них r = α∙ε(λT) < ε

2. Если для некоторого тела экспериментально определить зависимость монохроматического коэффициент поглощения от длины волны и температуры - α = r = α(λT), то можно рассчитать спектр его излучения.