Законы теплового излучения

Задание для студентов

1. Сделать конспект + рисунок №1.

2. Посмотреть фильм по ссылке №2.

3. Сфотографировать работу и выслать по указанному адресу

Записать:

Урок 89. ФИЗИКА. Тема: ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. ДАВЛЕНИЕ СВЕТА

Группа_____. Дата _________

Фамилия Имя студента____________

Записать:

План

СДЕЛАТЬ КОНСПЕКТ ПО ВСЕМ ВОПРОСАМ

МАТЕРИАЛ ДЛЯ КОНСПЕКТА ЗДЕСЬ:

1. Химическое действие света и его применение

Химическое действие света проявляется в том, что существует целый ряд химических превращений, происходящих только под действием света. Химические реакции, протекающие под действием света, называют фотохимическими. (слово «Фото» - переводится как свет).

Фотохимические реакции могут протекать либо по пути синтеза (образование под действием света из молекул исходных веществ более сложных молекул), либо по пути разложения (образование под действием света простых молекул из более сложных).

Закономерности фотохимических реакций объясняют на основе квантовой теории: атомы в молекулах удерживаются благодаря химическим связям. Если энергии, поглощенной молекулой фотона, хватает для разрыва химической связи то фотохимическая реакция происходит, если же нет - то реакция не происходит.

Многие фотохимические реакции играют большую роль в природе и технике.

Важнейшие фотохимические реакции происходят в зеленых листьях деревьев и травы, в иглах хвои и во многих микроорганизмах. Листья поглощают из воздуха углекислый газ и расщепляют его молекулы на составные части: углерод и кислород. Происходит это, как установил русский биолог К. А. Тимирязев, в молекулах хлорофилла под действием красных лучей солнечного спектра. Пристраивая к углеродной цепочке атомы других элементов, извлекаемых корнями из земли, растения строят молекулы белков, жиров и углеводов — пищу для человека и животных. Все это происходит за счет энергии солнечных лучей. Итак, фотосинтез — это процесс образования углеводов под действием света с выделением кислорода в растениях и некоторых микроорганизмах.

Химическое действие света лежит и в основе фотографии. Чувствительный слой фотопластинки состоит из маленьких кристалликов бромида серебра (AgBr), вкрапленных в желатин. Попадание фотонов в кристаллик приводит к отрыву электронов от отдельных ионов брома. Эти электроны захватываются ионами серебра, и в кристаллике образуется небольшое количество нейтральных атомов серебра.

Под действием света происходит химическая реакция «выгорания» различных тканей, пожелтение бумаги на свету.

2. Давление света.

Давление света открыто русским ученым П.Н. Лебедевым в 1901 году. В своих опытах он установил, что давление света зависит от интенсивности света и от отражающей способности тела. В опытах была использована вертушка, имеющая черные и зеркальные лепестки, помещенная в вакуумированную колбу (зарисовать рис.1).

Из опыта Лебедев выяснил, что световое излучение оказывает давление на материальные предметы, причем величина давления пропорциональна интенсивности излучения. Сила давления света составила: 4,5*10^-6Н.

Одним из следствий давления солнечного света, является то, что кометы, пролетающие вблизи Солнца, имеют «хвосты», направленные от Солнца (см. рис. 2, не рисовать).

Тепловое излучение тел

Известно, что летом в чёрной футболке лучше не выходить на улицу, потому что она сильно нагревается под лучами Солнца; в белой футболке заметно прохладнее. Это и другие многие наблюдения приводят нас к такому обобщению: тёмные тела лучше поглощают излучение, чем светлые. Особенно плохо поглощают лучистую энергию отполированные, зеркальные тела; основную долю падающего на них излучения они отражают обратно.

В XIX веке немецкий физик Г. Кирхгоф установил закон, из которого следует, что тела, интенсивно поглощающие энергию, также интенсивно будут её излучать. Рассмотрим пример, подтверждающий эту закономерность. Проделаем опыт с физическим прибором «куб Лесли». Это металлический ящик, одна грань которого выкрашена чёрной краской, вторая – белой краской, а третья – отполирована до зеркального блеска. Внутрь наливают кипяток. Поднося ладонь на равное расстояние к различным граням, заметим, что чёрная грань сильно излучает тепло, а белая и зеркальная грани – слабее (рис. 3).

Все тела непрерывно испускают излучение: большие и маленькие, твёрдые и жидкие, горячие и холодные, светящиеся и тёмные. Однако при повышении температуры мощность теплового излучения возрастает, то есть ежесекундно тело начинает излучать больше теплоты. Например, горячий чайник ежесекундно отдаёт рядом расположенной ладони больше теплоты, чем тёплый чайник – проверьте опытом.

Пусть одно из тел в полости обладает свойством поглощать всю падающую на его поверхность лучистую энергию любого спектрального состава. Такое тело называют абсолютно черным. При заданной температуре собственное тепловое излучение абсолютно черного тела, находящегося в состоянии теплового равновесия с излучением, должно иметь тот же спектральный состав, что и окружающее это тело равновесное излучение. В противном случае равновесие между абсолютно черным телом и окружающем его излучением не могло бы установиться. Поэтому задача сводится к изучению спектрального состава излучения абсолютно черного тела. Решить эту задачу классическая физика оказалась не в состоянии.

Абсолютно черных тел в природе не бывает. Хорошей моделью такого тела является небольшое отверстие в замкнутой полости. Свет, падающий через отверстие внутрь полости, после многочисленных отражений будет практически полностью поглощен стенками, и снаружи отверстие будет казаться совершенно черным. Но если полость нагрета до определенной температуры T, и внутри установилось тепловое равновесие, то собственное излучение полости, выходящее через отверстие, будет излучением абсолютно черного тела. Именно таким образом во всех экспериментах по исследованию теплового излучения моделируется абсолютно черное тело.

С увеличением температуры внутри полости будет возрастать энергия выходящего из отверстия излучения и изменяться его спектральный состав.

Законы теплового излучения

Распределение энергии по длинам волн в излучении абсолютно черного тела при заданной температуре T характеризуется излучательной способностью r (λ, T), равной мощности излучения с единицы поверхности тела в единичном интервале длин волн.

К концу XIX века излучение абсолютно черного тела было хорошо изучено экспериментально.

В 1879 году Йозеф Стефан на основе анализа экспериментальных данных пришел к заключению, что интегральная светимость R(T) абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры T:

R(T) = σT⁴

Несколько позднее, в 1884 году, Л. Больцман вывел эту зависимость теоретически, исходя из термодинамических соображений. Этот закон получил название закона Стефана–Больцмана. Числовое значение постоянной σ, по современным измерениям, составляет σ = 5,671·10^–8 Вт / (м² · К⁴)