Оптическая пирометрия
Пирометрия (от греч. pýr — огонь и… метрия), группа методов измерения температуры. Раньше к пирометрии относили все методы измерения температуры, превышающей предельную для ртутных термометров; с 60-х гг. 20 в. к П. всё чаще относят лишь оптические методы, в частности основанные на применении пирометров, и не включают в неё методы, в которых применяются термометры сопротивления, термоэлектрические термометры с термопарами, и ряд др. методов.
Почти все оптические методы основаны на измерении интенсивности теплового излучения (иногда — поглощения) тел. Интенсивность теплового излучения сильно зависит от температуры Т тел и очень резко убывает с её уменьшением. Поэтому методы П. применяют для измерения относительно высоких температур (например, серийным радиационным пирометром от 200 °С и выше). При Т £ 1000 °С методы П. играют в целом второстепенную роль, но при Т > 1000 °С они становятся главными, а при Т > 3000 °С — практически единственными методами измерения Т.
Методами П. в промышленных и лабораторных условиях определяют:
- температуру в печах и др. нагревательных установках,
- температуру расплавленных металлов и изделий из них (проката и т.п.),
- температуру пламён, нагретых газов, плазмы.
Методы П. не требуют контакта датчика измерительного прибора с телом, температура которого измеряется, и поэтому могут применяться для измерения очень высоких температур. Основное условие применимости методов П.— излучение тела должно быть чисто тепловым, т. е. оно должно подчиняться Кирхгофа закону излучения.
Твёрдые тела и жидкости при высоких температурах обычно удовлетворяют этому требованию, в случае же газов и плазмы необходима специальная проверка для каждого нового объекта или новых физических условий. Так, излучение однородного слоя плазмы подчиняется закону Кирхгофа, если распределения молекул, атомов, ионов и электронов плазмы по скоростям соответствуют Максвелла распределению, заселённости возбуждённых уровней энергии соответствуют закону Больцмана, а диссоциация и ионизация определяются: действующих масс законом, причём во все эти соотношения входит одно и то же значение Т. Такое состояние плазмы называется термически равновесным. Интенсивность излучения однородной равновесной плазмы и в линейчатом, и в сплошном спектрах однозначно определяется её химическим составом, давлением, атомными константами и равновесной температурой. Если плазма неоднородна, то даже при повсеместном выполнении условий термического равновесия её излучение не подчиняется закону Кирхгофа. В этом случае методы П. применимы лишь к источникам света, обладающим осевой симметрией.
Оптическая пирометрия -это метод бесконтактного (дистанционного) измерения температуры нагретых тел. Приборы для измерения температуры бесконтактным методом называют пирометрами. С их помощью можно измерять температуру звезд. Солнца, расплавленного металла, нити накаливания ламп и т.п.
В зависимости от того, какая характеристика излучения нагретого тела измеряется, различают:
1. Цветовую температуру,определяемую по положению максимума (r0T,l)mфункции Планка r0T,l: T=b/lm -это первый закон Вина. Цветовая температура совпадает с истинной температурой тела.
2. Яркостную температуру,измеряемую по испускательной способности:
rT,l=aTr0T,l, Для чего надо знать коэффициент черноты тела aT,температура которого измеряется. Для выделения излучения с данной длиной волны l используется светофильтр.
3. Радиационную температуру,измеряемую по энергетической светимости серого тела: RT =aTR0T.
Яркостная и радиационная температуры не совпадают с истинной температурой тела. Это обусловлено тем, что все пирометры градуируются по светимоcти(спектральной r0T,l или интегральной R0T) АЧТ, и серому телу приписывается температура АЧТ, имеющего такую же светимость(яркость), что и серое тело.
Фотоэффект. Законы фотоэффекта. Различные виды современных фотоэлементов.
Фотоэффектом называется освобождение (полное или частичное) электронов от связей с атомами и молекулами вещества под воздействием света (видимого, инфракрасного и ультрафиолетового). Если электроны выходят за пределы освещаемого вещества (полное освобождение), то фотоэффект называется внешним (открыт в 1887 г. Герцем и подробно исследован в 1888 г. Л. Г. Столетовым). Если же электроны теряют связь только со «своими» атомами и молекулами, но остаются внутри освещаемого вещества в качестве «свободных электронов» (частичное освобождение), увеличивая тем самым электропроводность вещества, то фотоэффект называется внутренним (открыт в 1873 г. американским физиком У. Смитом).
Внешний фотоэффект наблюдается у металлов. Если, например, цинковую пластинку, соединенную с электроскопом и заряженную отрицательно, осветить ультрафиолетовыми лучами, то электроскоп быстро разрядится; в случае положительно заряженной пластинки разрядки не происходит. Отсюда следует, что свет вырывает из металла отрицательно заряженные частицы; определение величины их заряда (выполненное в 1898 г. Дж. Дж. Томсоном) показало, что эти частицы являются электронами.
Экспериментальные исследования, выполненные Столетовым, а также другими учеными, привели к установлению следующих основных законов внешнего фотоэффекта.
1. Фототок насыщения I (т. е. максимальное число электронов. освобождаемых светом в 1 с) прямо пропорционален световому потоку Ф: 
где коэффициент пропорциональности 
называется фоточувствительностью освещаемой поверхности (измеряется в микроамперах на люмен)
2. Скорость фотоэлектронов возрастает с увеличением частоты падающего света и не зависит от его интенсивности.
3. Независимо от интенсивности света фотоэффект начинается только при определенной (для данного металла) минимальной частоте света, называемой «красной границей» фотоэффекта.
Второй и третий законы фотоэффекта нельзя объяснить на основе волновой теории света. Действительно, по этой теории, интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды электромагнитной волны, «раскачивающей» электрон в металле. Поэтому свет любой частоты, но достаточно большой интенсивности, должен был бы вырывать электроны из металла; иначе говоря, не должно было бы существовать «красной границы» фотоэффекта. Этот вывод противоречит третьему закону фотоэффекта. Далее, чем больше интенсивность света, тем большую кинетическую энергию должен был бы получить от него электрон. Поэтому скорость фотоэлектрона должна была бы возрастать с увеличением интенсивности света; этот вывод противоречит второму закону фотоэффекта.
Законы внешнего фотоэффекта получают простое истолкование на основе квантовой теории света. По этой теории, величина светового потока определяется числом световых квантов (фотонов), падающих в единицу времени на поверхность металла. Каждый фотон может взаимодействовать только с одним электроном. Поэтому максимальное число фотоэлектронов должно быть пропорционально световому потоку (первый закон фотоэффекта).
Энергия фотона поглощенная электроном, расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла,оставшаяся часть этой энергии представляет собой кинетическую энергию фотоэлектрона масса электрона, его скорость). Тогда, согласно закону сохранения энергии, можно написать
Эта формула, предложенная в 1905 г. Эйнштейном и подтвержденная затем многочисленными экспериментами, называется уравнением Эйнштейна.
Из уравнения Эйнштейна непосредственно видно, что скорость фотоэлектрона возрастает с увеличением частоты света и не зависит от его интенсивности. Этот вывод соответствует второму закону фотоэффекта.
На внешнем фотоэффекте основан важный физико-технический прибор, называемый вакуумным фотоэлементом.
Большинство современных фотоэлементов имеет сурьмяно-цезиевые или кислородно-цезиевые катоды, обладающие высокой фоточувствительностью. Кисйородно-цезиевые фотоэлементы чувствительны к инфракрасному и видимому свету (чувствительность сурьмяно-цезиевые фотоэлементы чувствительны к видимому и ультрафиолетовому свету)
В некоторых случаях для увеличения чувствительности фотоэлемента его наполняют аргоном при давлении порядка 1 Па. Фототок в таком фотоэлементе усиливается вследствие ионизации аргона, вызванной столкновениями фотоэлектронов с атомами аргона. Фоточувствительность газонаполненных фотоэлементов составляет около 1000 мкА/лм.
Внутренний фотоэффект наблюдается у полупроводников и в меньшей мере у диэлектриков.
Фотоэлементы, основанные на внутреннем фотоэффекте, называются полупроводниковыми фотоэлементамиили фотосопротивлениями. Для их изготовления используют селен, сернистый свинец, сернистый кадмий и некоторые другие полупроводники. Фоточувствительность полупроводниковых фотоэлементов в сотни раз превышает фоточувствительность вакуумных фотоэлементов. Некоторые фотоэлементы обладают отчетливо выраженной спектральной чувствительностью. У селенового фотоэлемента спектральная чувствительность близка к спектральной чувствительности человеческого глаза.
Недостатком полупроводниковых фотоэлементов является их заметная инерционность: изменение фототока запаздывает относительно изменения освещенности фотоэлемента. Поэтому полупроводниковые фотоэлементы непригодны для регистрации быстропеременных световых потоков.
На внутреннем фотоэффекте основана еще одна разновидность фотоэлемента — полупроводниковый фотоэлемент с запирающий слоем или вентильный фотоэлемент.
Таким образом, вентильный фотоэлемент представляет собой генератор тока, непосредственно преобразующий световую энергию в электрическую.
В качестве полупроводников в вентильном фотоэлементе используют селен, закись меди, сернистый таллий, германий, кремний. Коэффициент полезного действия современных кремниевых фотоэлементов (освещаемых солнечным светом) достигает 12-15% по теоретическим расчетам, его можно повысить до 22%.
Поскольку фототок пропорционален световому потоку, фотоэлементы используются в качестве фотометрических приборов. К таким приборам относятся, например, люксметр (измеритель освещенности) и фотоэлектрический экспонометр.
Фотоэлемент позволяет преобразовывать колебания светового потока в соответствующие колебания фототока, что находит широкое применение в технике звукового кино, телевидения и т. п.
Исключительно велико значение фотоэлементов для телемеханизации и автоматизации производственных процессов. В сочетании с электронным усилителем и реле фотоэлемент является неотъемлемой частью автоматических устройств, которые, реагируя на световые сигналы, управляют работой различных промышленных и сельскохозяйственных установок и транспортных механизмов.
Весьма перспективным является практическое использование вентильных фотоэлементов в качестве генераторов электроэнергии. Батареи кремниевых фотоэлементов, получившие название солнечных батарей, успешно применяются на советских космических спутниках и кораблях для питания радиоаппаратуры. Для этого общая площадь фотоэлементов должна быть достаточно большой. Например, на космическом корабле «Союз-3» площадь поверхности солнечных батарей составляла около 14 м2.
Когда коэффициент полезного действия солнечных батарей будет повышен до 20—22%, они, несомненно, приобретут первостепенное значение среди источников, вырабатывающих электроэнергию для производственных и бытовых нужд.
Масса и импульс фотона.
Фотон - это квант света. Согласно гипотезе световых квантов Эйнштейна, испускание, поглощение и распространение света происходит дискретными порциями (квантами), названными фотонами (фото – свет). Энергия фотона:
Эйнштейн получил формулу, связывающую массу и энергию. Формула Эйнштейна: 
Для фотона Е= Е0, следовательно 
. Отсюда масса фотона: 
Фотон отличается от макроскопических тел и элементарных частиц тем, что он является элементарной частицей света, которая в любой среде движется со скоростью света и не имеет массы покоя m0фотона = 0.Масса покоя - это масса, которой обладает частица при V =0, т.о., покоящихся фотонов не существует. Если свет остановить, то это означает, что энергия света поглотится веществом и света не будет. Массу фотона следует считать полевой массой, это означает, что свет обладает массой связанной с элементарным полем световой волны. Фотон обладает энергией, но всякой энергия соответствует масса (это следует из ). Если понимать под Е энергию электромагнитного поля, то под m следует понимать массу электромагнитного поля световой волны, т.о., поле, как и вещество, имеет энергию и массу. Поле - одна из форм существования материи. Наличие у поля энергии и массы является доказательством материальности электромагнитного поля.
Помимо энергии и массы, фотон обладает импульсом Р. В общей теории относительности получена связь между энергией и импульсом:
где с= 3 · 108 м/с,
m0 - масса покоя, т.к. для фотона m0= 0, то. Е = ср, следовательно, 
Из сказанного выше следует, что фотон, как и любая другая частица, обладает энергией, импульсом и массой. Эти корпускулярные характеристики фотона связаны с волновой характеристикой света – частотой:
Проявление корпускулярно-волновой двойственности света - свет является волной и частицей.
Экспериментальным доказательством наличия у фотона импульса является световое давление. Излучение, падающее на поверхность тела, оказывает на него давление. Вектор 
волны приводит в упорядоченное движение элементарные заряды в веществе, а магнитное поле 
действует на эти заряды с силой Лоренца. Эта сила оказывается направленной в сторону распространения излучения. Равнодействующая всех этих сил воспринимается как давление, оказываемое излучением на тело. Это объяснение давления с волновой точки зрения. С точки зрения квантовой теории давление света на поверхность обусловлено тем, что каждый фотон при соударении с поверхностью передает ей свой импульс.
Пусть свет падает на нормали к поверхности. Если в единицу времени (t = 1с) на единицу площади (S = 1м2) поверхности тела задает N фотонов, то при коэффициенте отражения
света от поверхности ρ – N фотонов отразится, а (1 – ρ) N - поглотится. Каждый фотон, поглощенный поверхностью, передаст ей импульс 
а каждый отраженный 
Давление света на поверхность равно импульсу, который передают поверхности в 1 с N фотонов:
где 
- энергетическая освещенность - энергия всех фотонов, падающая на единицу поверхности в единицу времени, 
, 
- объемная плотность энергии.
Давление света при нормальном падении
Давление света, если свет падает под углом і:
Число фотонов в единице объема (концентрация фотонов): 
[ n ] = м-3.
Число фотонов, падающих в единицу времени на единицу площади: 