กฎของการแผ่รังสีความร้อน ความอบอุ่นที่เปล่งประกาย

นี่อาจเป็นข่าวสำหรับบางคน แต่การถ่ายโอนอุณหภูมิไม่เพียงเกิดขึ้นจากการนำความร้อนผ่านการสัมผัสของวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่งเท่านั้น แต่ละวัตถุ (ของแข็ง ของเหลว และก๊าซ) ปล่อยรังสีความร้อนออกมาเป็นคลื่นจำนวนหนึ่ง รังสีเหล่านี้ซึ่งออกจากร่างหนึ่งจะถูกดูดซับโดยอีกร่างหนึ่งและรับความร้อน และฉันจะพยายามอธิบายให้คุณฟังว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร และเราสูญเสียความร้อนไปเท่าใดจากการแผ่รังสีที่บ้าน (ผมคิดว่าหลายๆ คนคงจะสนใจที่จะเห็นตัวเลขเหล่านี้) ในตอนท้ายของบทความเราจะแก้ไขปัญหาจากตัวอย่างจริง

บทความนี้จะมีสูตรสามชั้นและสำนวนอินทิกรัลสำหรับนักคณิตศาสตร์ แต่อย่ากลัวเลย คุณไม่จำเป็นต้องเจาะลึกสูตรเหล่านี้ด้วยซ้ำ ในโจทย์ ฉันจะให้สูตรที่สามารถแก้ไขได้ในคราวเดียว และคุณไม่จำเป็นต้องรู้คณิตศาสตร์ขั้นสูงด้วยซ้ำ แค่รู้เลขคณิตเบื้องต้นก็เพียงพอแล้ว

ฉันเชื่อเรื่องนี้มากกว่าหนึ่งครั้งว่าขณะนั่งข้างกองไฟ (โดยปกติจะเป็นกองไฟขนาดใหญ่) ใบหน้าของฉันก็ถูกรังสีเหล่านี้เผา และถ้าฉันเอาฝ่ามือปิดไฟและกางแขนออก ปรากฎว่าใบหน้าของฉันก็หยุดไหม้ เดาได้ไม่ยากว่ารังสีเหล่านี้จะตรงเท่ากับแสง ไม่ใช่อากาศที่ไหลเวียนรอบไฟ หรือแม้แต่อากาศที่เผาไหม้ฉัน แต่เป็นรังสีความร้อนโดยตรงที่มองไม่เห็นซึ่งมาจากไฟ

ในอวกาศมักจะมีสุญญากาศระหว่างดาวเคราะห์ ดังนั้นการถ่ายโอนอุณหภูมิจึงกระทำโดยรังสีความร้อนโดยเฉพาะ (รังสีทั้งหมดเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า)

การแผ่รังสีความร้อนมีลักษณะเช่นเดียวกับแสงและรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (คลื่น) พูดง่ายๆ ก็คือ คลื่น (รังสี) เหล่านี้มีความยาวคลื่นต่างกัน

ตัวอย่างเช่น ความยาวคลื่นในช่วง 0.76 - 50 ไมครอน เรียกว่าอินฟราเรด ร่างกายทั้งหมดที่อุณหภูมิห้อง + 20 °C จะปล่อยคลื่นอินฟราเรดเป็นส่วนใหญ่ โดยมีความยาวคลื่นประมาณ 10 ไมครอน

วัตถุใดๆ เว้นแต่อุณหภูมิจะแตกต่างจากศูนย์สัมบูรณ์ (-273.15 ° C) ก็สามารถส่งรังสีออกสู่อวกาศโดยรอบได้ ดังนั้นวัตถุใดๆ ก็ตามจะปล่อยรังสีไปยังวัตถุที่อยู่รอบๆ วัตถุนั้น และในทางกลับกัน ก็จะได้รับอิทธิพลจากรังสีของวัตถุเหล่านี้ด้วย

เฟอร์นิเจอร์ใดๆ ในบ้าน (เก้าอี้ โต๊ะ ผนัง หรือแม้แต่โซฟา) จะปล่อยรังสีความร้อนออกมา

รังสีความร้อนสามารถดูดซับหรือส่งผ่านร่างกายได้ และยังสามารถสะท้อนออกจากร่างกายได้อีกด้วย การสะท้อนของรังสีความร้อนจะคล้ายกับรังสีแสงที่สะท้อนจากกระจก การดูดกลืนรังสีความร้อนจะคล้ายคลึงกับการที่หลังคาสีดำจะร้อนมากจากรังสีดวงอาทิตย์ และการทะลุผ่านของรังสีจะคล้ายกับการที่รังสีผ่านกระจกหรืออากาศ รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่พบมากที่สุดในธรรมชาติคือรังสีความร้อน

คุณสมบัติที่ใกล้เคียงกับวัตถุสีดำมากคือสิ่งที่เรียกว่ารังสีไมโครเวฟพื้นหลังคอสมิกหรือพื้นหลังไมโครเวฟคอสมิก - รังสีที่เติมจักรวาลด้วยอุณหภูมิประมาณ 3 เค

โดยทั่วไปในวิทยาศาสตร์วิศวกรรมความร้อน เพื่อที่จะอธิบายกระบวนการของการแผ่รังสีความร้อน สะดวกในการใช้แนวคิดเรื่องวัตถุสีดำเพื่ออธิบายกระบวนการของการแผ่รังสีความร้อนในเชิงคุณภาพ มีเพียงตัวสีดำเท่านั้นที่ทำให้การคำนวณง่ายขึ้นในทางใดทางหนึ่ง

ตามที่อธิบายไว้ข้างต้น ร่างกายใดๆ ก็สามารถ:

ตัวสีดำ- นี่คือร่างกายที่ดูดซับพลังงานความร้อนได้อย่างสมบูรณ์นั่นคือมันไม่สะท้อนรังสีและรังสีความร้อนไม่ผ่านเข้าไป แต่อย่าลืมว่าวัตถุสีดำนั้นปล่อยพลังงานความร้อนออกมา

ด้วยเหตุนี้จึงเป็นเรื่องง่ายมากที่จะใช้การคำนวณกับเนื้อหานี้

จะเกิดปัญหาอะไรขึ้นในการคำนวณหากร่างกายไม่ใช่วัตถุสีดำ

ร่างกายที่ไม่ใช่ร่างกายสีดำมีปัจจัยดังต่อไปนี้:

ปัจจัยทั้งสองนี้ทำให้การคำนวณซับซ้อนมากจน “แม่ไม่ต้องห่วง” มันยากมากที่จะคิดอย่างนั้น แต่นักวิทยาศาสตร์ยังไม่ได้อธิบายวิธีคำนวณวัตถุสีเทาจริงๆ อย่างไรก็ตาม ตัวสีเทาคือตัวที่ไม่ใช่ตัวสีดำ

นอกจากนี้ยังมีแนวคิด: ตัวสีขาวและตัวโปร่งใส แต่มีรายละเอียดเพิ่มเติมด้านล่าง

การแผ่รังสีความร้อนมีความถี่ต่างกัน (คลื่นต่างกัน) และร่างกายแต่ละบุคคลสามารถมีความยาวคลื่นรังสีต่างกันได้ นอกจากนี้ เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ความยาวคลื่นนี้สามารถเปลี่ยนแปลงได้ และความเข้ม (ความแรงของรังสี) ก็สามารถเปลี่ยนแปลงได้เช่นกัน

ปัจจัยทั้งหมดเหล่านี้จะทำให้กระบวนการซับซ้อนขึ้นมากจนเป็นการยากที่จะหาสูตรสากลในการคำนวณการสูญเสียพลังงานอันเนื่องมาจากความกระจ่างใส ดังนั้นในตำราเรียนและวรรณกรรมใดๆ วัตถุสีดำจึงถูกนำมาใช้ในการคำนวณ และใช้วัตถุสีเทาอื่นๆ เป็นส่วนหนึ่งของวัตถุสีดำ ในการคำนวณตัวสีเทา จะใช้ค่าสัมประสิทธิ์ความมืด ค่าสัมประสิทธิ์เหล่านี้มีอยู่ในหนังสืออ้างอิงสำหรับวัสดุบางชนิด

ลองดูภาพที่ยืนยันความซับซ้อนในการคำนวณการแผ่รังสี

รูปนี้แสดงลูกบอลสองลูกที่มีอนุภาคของลูกบอลนี้ ลูกศรสีแดงคือรังสีที่ปล่อยออกมาจากอนุภาค

พิจารณาร่างกายสีดำ

ภายในตัวสีดำ ลึกเข้าไปข้างในมีอนุภาคบางอย่างแสดงเป็นสีส้ม พวกมันปล่อยรังสีที่ดูดซับอนุภาคใกล้เคียงอื่น ๆ ซึ่งจะแสดงด้วยสีเหลือง รังสีของอนุภาคสีส้มของวัตถุสีดำไม่สามารถผ่านอนุภาคอื่นได้ ดังนั้นเฉพาะอนุภาคด้านนอกของลูกบอลนี้เท่านั้นที่ปล่อยรังสีไปทั่วบริเวณของลูกบอล ดังนั้นการคำนวณตัวดำจึงคำนวณได้ง่าย เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าวัตถุสีดำจะปล่อยคลื่นสเปกตรัมทั้งหมดออกมา นั่นคือมันปล่อยคลื่นที่มีอยู่ทั้งหมดที่มีความยาวต่างกัน วัตถุสีเทาสามารถเปล่งสเปกตรัมคลื่นบางส่วนได้ เฉพาะความยาวคลื่นบางช่วงเท่านั้น

พิจารณาร่างกายสีเทา

ภายในวัตถุสีเทา อนุภาคที่อยู่ภายในจะปล่อยรังสีบางส่วนที่ทะลุผ่านอนุภาคอื่น และนี่คือเหตุผลเดียวที่ทำให้การคำนวณมีความซับซ้อนมากขึ้น

การแผ่รังสีความร้อน- นี่คือรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจากการแปลงพลังงานของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคในร่างกายให้เป็นพลังงานรังสี มันเป็นธรรมชาติทางความร้อนของการกระตุ้นของตัวปล่อยมูลฐาน (อะตอม โมเลกุล ฯลฯ) ที่จะเปรียบเทียบการแผ่รังสีความร้อนกับสารเรืองแสงประเภทอื่นๆ ทั้งหมด และกำหนดคุณสมบัติเฉพาะของมันให้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและคุณลักษณะทางแสงของตัวเปล่งแสงเท่านั้น

ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่ามีการแผ่รังสีความร้อนในทุกวัตถุที่อุณหภูมิอื่นที่ไม่ใช่ 0 เคลวิน แน่นอนว่าความเข้มและธรรมชาติของรังสีนั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของวัตถุที่เปล่งออกมา ตัวอย่างเช่น ร่างกายทั้งหมดที่มีอุณหภูมิห้อง + 20 ° C จะปล่อยคลื่นอินฟราเรดเป็นส่วนใหญ่โดยมีความยาวคลื่นประมาณ 10 ไมครอน และดวงอาทิตย์จะปล่อยพลังงานออกมา ซึ่งค่าสูงสุดคือ 0.5 ไมครอน ซึ่งสอดคล้องกับช่วงที่มองเห็นได้ ที่ T → 0 K แทบไม่มีการปล่อยวัตถุออกมา

การแผ่รังสีความร้อนทำให้พลังงานภายในร่างกายลดลง และเป็นผลให้อุณหภูมิร่างกายลดลง ส่งผลให้เย็นลง วัตถุที่ได้รับความร้อนจะปล่อยพลังงานภายในออกมาเนื่องจากการแผ่รังสีความร้อน และเย็นลงตามอุณหภูมิของวัตถุที่อยู่รอบๆ ในทางกลับกัน โดยการดูดซับรังสี วัตถุที่เย็นก็สามารถร้อนขึ้นได้ กระบวนการดังกล่าวซึ่งสามารถเกิดขึ้นในสุญญากาศได้เช่นกันเรียกว่าการแผ่รังสี

ตัวสีดำบริสุทธิ์- นามธรรมทางกายภาพที่ใช้ในอุณหพลศาสตร์ ซึ่งเป็นวัตถุที่ดูดซับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมดที่ตกกระทบในทุกช่วงและไม่สะท้อนสิ่งใดเลย แม้จะมีชื่อ แต่วัตถุสีดำสนิทก็สามารถปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าได้ทุกความถี่และมีสีที่มองเห็นได้ สเปกตรัมการแผ่รังสีของวัตถุสีดำสนิทนั้นถูกกำหนดโดยอุณหภูมิของมันเท่านั้น

โต๊ะ:

(ช่วงอุณหภูมิเป็นเคลวินและสี)

มากถึง 1,000 สีแดง

1000-1500 สีส้ม

1500-2000 สีเหลือง

2000-4000 สีเหลืองอ่อน

4000-5500 ขาวอมเหลือง

5500-7000 ขาวบริสุทธิ์

7000-9000 สีขาวอมฟ้า

9000-15000 ขาว-ฟ้า

15000-∞ สีฟ้า

อย่างไรก็ตาม จากความยาวคลื่น (สี) เรากำหนดอุณหภูมิของดวงอาทิตย์ได้ประมาณ 6,000 เคลวิน โดยทั่วไปถ่านหินจะเรืองแสงเป็นสีแดง สิ่งนี้เตือนคุณถึงสิ่งใดหรือไม่? คุณสามารถกำหนดอุณหภูมิตามสีได้ นั่นคือมีอุปกรณ์ที่วัดความยาวคลื่นจึงกำหนดอุณหภูมิของวัสดุ

สารจริงที่ดำที่สุด เช่น เขม่า ดูดซับรังสีตกกระทบได้มากถึง 99% (เช่น มีอัลเบโด้ 0.01) ในช่วงความยาวคลื่นที่มองเห็นได้ แต่พวกมันดูดซับรังสีอินฟราเรดได้ไม่ดีนัก สีดำเข้มของวัสดุบางชนิด (ถ่าน, กำมะหยี่สีดำ) และรูม่านตาของมนุษย์นั้นอธิบายได้ด้วยกลไกเดียวกัน ในบรรดาวัตถุต่างๆ ในระบบสุริยะ ดวงอาทิตย์มีคุณสมบัติเป็นวัตถุสีดำสนิทในระดับสูงสุด ตามคำนิยาม ดวงอาทิตย์แทบไม่สะท้อนแสงเลย คำนี้บัญญัติขึ้นโดย Gustav Kirchhoff ในปี 1862

ตามการจำแนกสเปกตรัม ดวงอาทิตย์จัดอยู่ในประเภท G2V (“ดาวแคระเหลือง”) อุณหภูมิพื้นผิวของดวงอาทิตย์สูงถึง 6,000 K ดังนั้นดวงอาทิตย์จึงส่องแสงเกือบเป็นสีขาว แต่เนื่องจากการดูดกลืนสเปกตรัมบางส่วนโดยชั้นบรรยากาศของโลกใกล้กับพื้นผิวโลกของเรา แสงนี้จึงได้โทนสีเหลือง

วัตถุสีดำสนิทดูดซับได้ 100% และในขณะเดียวกันก็ร้อนขึ้นและในทางกลับกัน! วัตถุที่มีความร้อน - แผ่รังสี 100% ซึ่งหมายความว่ามีรูปแบบที่เข้มงวด (สูตรของการแผ่รังสีวัตถุสีดำ) ระหว่างอุณหภูมิของดวงอาทิตย์ - และสเปกตรัม - เนื่องจากทั้งสเปกตรัมและอุณหภูมิถูกกำหนดไว้แล้ว - ใช่ ดวงอาทิตย์มี ไม่มีการเบี่ยงเบนจากพารามิเตอร์เหล่านี้!

ในทางดาราศาสตร์มีแผนภาพเช่นนี้ - "สเปกตรัม - ความส่องสว่าง" ดังนั้นดวงอาทิตย์ของเราจึงอยู่ใน "ลำดับหลัก" ของดาวฤกษ์ซึ่งมีดาวฤกษ์อื่น ๆ ส่วนใหญ่อยู่นั่นคือดาวเกือบทั้งหมดเป็น "วัตถุสีดำสนิท" แปลกเหมือนกัน อาจดูเหมือน... ข้อยกเว้น - ดาวแคระขาว ดาวยักษ์แดงและโนวา ซูเปอร์โนวา...

นี่คือคนที่ไม่ได้เรียนฟิสิกส์ที่โรงเรียน

วัตถุสีดำสนิทดูดซับรังสีทั้งหมดและปล่อยออกมามากกว่าวัตถุอื่นๆ ทั้งหมด (ยิ่งวัตถุดูดซับมากเท่าไรก็ยิ่งร้อนมากขึ้นเท่านั้น ยิ่งร้อนมากขึ้นเท่าไรก็ยิ่งปล่อยออกมามากขึ้นเท่านั้น)

ขอให้เรามีพื้นผิวสองแบบ - สีเทา (โดยมีค่าสัมประสิทธิ์ความดำเท่ากับ 0.5) และสีดำสนิท (โดยมีค่าสัมประสิทธิ์ความดำเท่ากับ 1)

ค่าสัมประสิทธิ์การแผ่รังสีคือค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับ

ทีนี้ ด้วยการกำกับฟลักซ์ของโฟตอนที่เท่ากัน เช่น 100 ลงบนพื้นผิวเหล่านี้

พื้นผิวสีเทาจะดูดซับได้ 50 ชิ้น พื้นผิวสีดำจะดูดซับได้ทั้งหมด 100 ชิ้น

พื้นผิวใดปล่อยแสงได้มากกว่า - โฟตอน 50 โฟตอนหรือ 100 “นั่ง”

พลังค์เป็นคนแรกที่คำนวณรังสีวัตถุดำได้อย่างถูกต้อง

การแผ่รังสีดวงอาทิตย์เป็นไปตามสูตรของพลังค์โดยประมาณ

เรามาเริ่มศึกษาทฤษฎีกันดีกว่า...

การแผ่รังสีหมายถึงการปล่อยและการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุกชนิด ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น: รังสีเอกซ์ อัลตราไวโอเลต อินฟราเรด รังสีแสง (มองเห็นได้) และคลื่นวิทยุ

รังสีเอกซ์- คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเป็นพลังงานของโฟตอนซึ่งมีขนาดเท่ากับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างรังสีอัลตราไวโอเลตและรังสีแกมมา ซึ่งสอดคล้องกับความยาวคลื่นตั้งแต่ 10−2 ถึง 103 อังสตรอม 10 อังสตรอม = 1 นาโนเมตร (0.001-100 นาโนเมตร)

รังสีอัลตราไวโอเลต(อัลตราไวโอเลต, อัลตราไวโอเลต, UV) - รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งมีช่วงระหว่างขอบเขตสีม่วงของรังสีที่มองเห็นและรังสีเอกซ์ (10 - 380 นาโนเมตร)

รังสีอินฟราเรด- การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งครอบครองพื้นที่สเปกตรัมระหว่างปลายสีแดงของแสงที่มองเห็น (ความยาวคลื่น แล = 0.74 ไมโครเมตร) และการแผ่รังสีไมโครเวฟ (แล ~ 1-2 มม.)

ขณะนี้ช่วงรังสีอินฟราเรดทั้งหมดแบ่งออกเป็นสามองค์ประกอบ:

บริเวณความยาวคลื่นสั้น: แล = 0.74-2.5 µm;

บริเวณคลื่นกลาง: แล = 2.5-50 µm;

บริเวณความยาวคลื่นยาว: แล = 50-2000 µm;

รังสีที่มองเห็นได้- คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ดวงตามนุษย์รับรู้ ความไวของสายตามนุษย์ต่อรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น (ความถี่) ของการแผ่รังสี โดยความไวสูงสุดจะเกิดขึ้นที่ 555 นาโนเมตร (540 เทระเฮิรตซ์) ในส่วนสีเขียวของสเปกตรัม เนื่องจากความไวจะค่อยๆ ลดลงจนเหลือศูนย์เมื่อเคลื่อนออกจากจุดสูงสุด จึงเป็นไปไม่ได้ที่จะระบุขอบเขตที่แน่นอนของช่วงสเปกตรัมของรังสีที่มองเห็นได้ โดยทั่วไปแล้ว พื้นที่ 380-400 นาโนเมตร (750-790 THz) ถือเป็นขอบเขตคลื่นสั้น และ 760-780 นาโนเมตร (385-395 THz) เป็นขอบเขตคลื่นยาว การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นเหล่านี้เรียกอีกอย่างว่าแสงที่มองเห็นได้หรือเพียงแค่แสง (ในความหมายที่แคบของคำ)

การปล่อยคลื่นวิทยุ(คลื่นวิทยุความถี่วิทยุ) - การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่น 5 10−5-1,010 เมตรและความถี่ตามลำดับตั้งแต่ 6 1,012 Hz และสูงถึงหลาย Hz คลื่นวิทยุใช้ในการส่งข้อมูลในเครือข่ายวิทยุ

การแผ่รังสีความร้อนเป็นกระบวนการแพร่กระจายในอวกาศของพลังงานภายในของวัตถุที่แผ่รังสีด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า สาเหตุของคลื่นเหล่านี้คืออนุภาคของวัสดุที่ประกอบเป็นสาร การแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไม่จำเป็นต้องใช้ตัวกลางของวัสดุ ในสุญญากาศ พวกมันแพร่กระจายด้วยความเร็วแสงและมีลักษณะเฉพาะด้วยความยาวคลื่น γ หรือความถี่การสั่น ν ที่อุณหภูมิสูงถึง 1,500 °C ส่วนหลักของพลังงานจะสอดคล้องกับรังสีอินฟราเรดและการแผ่รังสีแสงบางส่วน (แล = 0.7-50 µm)

ควรสังเกตว่าพลังงานรังสีไม่ได้ถูกปล่อยออกมาอย่างต่อเนื่อง แต่อยู่ในรูปแบบของบางส่วน - ควอนตัม พาหะของพลังงานส่วนเหล่านี้เป็นอนุภาคมูลฐานของการแผ่รังสี - โฟตอน ซึ่งมีพลังงาน ปริมาณการเคลื่อนที่ และมวลแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อพลังงานรังสีกระทบกับวัตถุอื่น รังสีนั้นจะถูกดูดซับบางส่วน สะท้อนบางส่วน และทะลุผ่านร่างกายบางส่วน กระบวนการแปลงพลังงานรังสีเป็นพลังงานภายในของร่างกายดูดซับเรียกว่าการดูดซับ ของแข็งและของเหลวส่วนใหญ่ปล่อยพลังงานทุกความยาวคลื่นในช่วงตั้งแต่ 0 ถึง ∞ กล่าวคือ พวกมันมีสเปกตรัมการปล่อยก๊าซอย่างต่อเนื่อง ก๊าซปล่อยพลังงานในช่วงความยาวคลื่นบางช่วงเท่านั้น (สเปกตรัมการปล่อยแบบเลือกสรร) ของแข็งปล่อยและดูดซับพลังงานผ่านพื้นผิว และก๊าซผ่านปริมาตร

พลังงานที่ปล่อยออกมาต่อหน่วยเวลาในช่วงความยาวคลื่นแคบ (จาก แลมถึง แล+ดเล) เรียกว่า ฟลักซ์ของรังสีเอกรงค์เดียว Qแล ฟลักซ์การแผ่รังสีที่สอดคล้องกับสเปกตรัมทั้งหมดในช่วงตั้งแต่ 0 ถึง ∞ เรียกว่าฟลักซ์การแผ่รังสีที่เป็นอินทิกรัลหรือทั้งหมด Q(W) ฟลักซ์การแผ่รังสีอินทิกรัลที่ปล่อยออกมาจากหน่วยพื้นผิวของวัตถุในทุกทิศทางของปริภูมิครึ่งทรงกลมเรียกว่าความหนาแน่นของการแผ่รังสีอินทิกรัล (W/m2)

เพื่อให้เข้าใจสูตรนี้ ให้พิจารณารูปภาพ

ไม่ใช่เรื่องบังเอิญที่ฉันพรรณนาถึงร่างกายสองเวอร์ชัน สูตรนี้ใช้ได้เฉพาะกับรูปทรงสี่เหลี่ยมเท่านั้น เนื่องจากบริเวณที่แผ่รังสีจะต้องเรียบ โดยมีเงื่อนไขว่ามีเพียงพื้นผิวของร่างกายที่เปล่งออกมาเท่านั้น อนุภาคภายในไม่ปล่อยออกมา

เมื่อทราบความหนาแน่นของรังสีของวัสดุแล้ว คุณสามารถคำนวณปริมาณพลังงานที่ใช้ไปกับรังสีได้:

จำเป็นต้องเข้าใจว่ารังสีที่เล็ดลอดออกมาจากเครื่องบินมีความเข้มของรังสีที่แตกต่างกันเมื่อเทียบกับปกติของเครื่องบิน

กฎของแลมเบิร์ต พลังงานรังสีที่ปล่อยออกมาจากร่างกายจะกระจายไปในอวกาศไปในทิศทางที่ต่างกันโดยมีความเข้มต่างกัน กฎที่กำหนดการพึ่งพาความเข้มของรังสีในทิศทางเรียกว่ากฎของแลมเบิร์ต

กฎของแลมเบิร์ตกำหนดว่าปริมาณของพลังงานรังสีที่ปล่อยออกมาจากองค์ประกอบพื้นผิวในทิศทางขององค์ประกอบอื่นเป็นสัดส่วนกับผลคูณของปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาตามปกติโดยขนาดของมุมเชิงพื้นที่ที่ทำโดยทิศทางของรังสีกับค่าปกติ

ดูภาพ.

ความเข้มของรังสีแต่ละเส้นสามารถหาได้โดยใช้ฟังก์ชันตรีโกณมิติ:

นั่นคือมันเป็นค่าสัมประสิทธิ์มุมชนิดหนึ่งและปฏิบัติตามตรีโกณมิติของมุมอย่างเคร่งครัด ค่าสัมประสิทธิ์ใช้ได้กับวัตถุสีดำเท่านั้น เนื่องจากอนุภาคใกล้เคียงจะดูดซับรังสีด้านข้าง สำหรับตัวสีเทาจำเป็นต้องคำนึงถึงจำนวนรังสีที่ผ่านอนุภาคด้วย ต้องคำนึงถึงการสะท้อนของรังสีด้วย

ด้วยเหตุนี้ พลังงานรังสีจำนวนมากที่สุดจึงถูกปล่อยออกมาในทิศทางที่ตั้งฉากกับพื้นผิวรังสี กฎของแลมเบิร์ตใช้ได้กับวัตถุที่มีสีดำสนิทและวัตถุที่มีรังสีกระจายที่อุณหภูมิ 0 - 60°C กฎของแลมเบิร์ตใช้ไม่ได้กับพื้นผิวที่ขัดเงา สำหรับพวกเขา การปล่อยรังสีที่มุมจะมากกว่าในทิศทางปกติกับพื้นผิว

ด้านล่างนี้เราจะพิจารณาสูตรที่มีขนาดใหญ่มากขึ้นในการคำนวณปริมาณความร้อนที่ร่างกายสูญเสียไป แต่สำหรับตอนนี้จำเป็นต้องเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับทฤษฎีนี้

เล็กน้อยเกี่ยวกับคำจำกัดความคำจำกัดความจะมีประโยชน์ในการแสดงออกอย่างถูกต้อง

โปรดทราบว่าของแข็งและของเหลวส่วนใหญ่มีสเปกตรัมรังสีต่อเนื่อง (ต่อเนื่อง) ซึ่งหมายความว่าพวกมันมีความสามารถในการเปล่งรังสีทุกความยาวคลื่น

แม้แต่โต๊ะธรรมดาในห้อง เช่น วัตถุแข็ง ก็สามารถปล่อยรังสีเอกซ์หรือรังสีอัลตราไวโอเลตได้ แต่ความเข้มของมันต่ำมากจนเราไม่เพียงแต่ไม่สังเกตเห็นเท่านั้น แต่ยังมีค่าของมันเมื่อเทียบกับคลื่นอื่น ๆ ที่อาจเข้าใกล้ศูนย์ได้

ฟลักซ์การแผ่รังสี (หรือฟลักซ์การแผ่รังสี) คืออัตราส่วนของพลังงานการแผ่รังสีต่อเวลาการแผ่รังสี W:

โดยที่ Q คือพลังงานรังสี J; เสื้อ - เวลา, ส.

ถ้าฟลักซ์การแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาจากพื้นผิวใดๆ ในทุกทิศทาง (เช่น ภายในซีกโลกที่มีรัศมีตามใจชอบ) เกิดขึ้นในช่วงความยาวคลื่นแคบๆ ตั้งแต่ แลมถึง แลม+Δแล จะเรียกว่าฟลักซ์การแผ่รังสีแบบเอกรงค์เดียว

การแผ่รังสีทั้งหมดจากพื้นผิวของร่างกายตลอดความยาวคลื่นทั้งหมดของสเปกตรัมเรียกว่าฟลักซ์การแผ่รังสีอินทิกรัลหรือทั้งหมดФ

ฟลักซ์อินทิกรัลที่ปล่อยออกมาจากพื้นผิวหน่วยเรียกว่าความหนาแน่นฟลักซ์ของพื้นผิวของการแผ่รังสีหรือการแผ่รังสีอินทิกรัล W/m2

สูตรนี้สามารถใช้กับรังสีเอกรงค์เดียวได้ หากการแผ่รังสีความร้อนแบบเอกรงค์ตกลงบนพื้นผิวของร่างกาย ในกรณีทั่วไป ส่วนที่เท่ากับ B lam ของการแผ่รังสีนี้จะถูกร่างกายดูดซับ นั่นคือ จะถูกแปลงเป็นพลังงานอีกรูปแบบหนึ่งอันเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์กับสสาร ส่วน F แลมจะถูกสะท้อนออกมา และส่วน D แลม จะผ่านเข้าไปในร่างกาย ถ้าเราสมมุติว่ารังสีที่ตกกระทบในร่างกายเท่ากับความสามัคคีแล้ว

บี แลมบ์ +ฟ แลมบ์ดา +ดี แลมบ์ =1

โดยที่ B แลมบ์, F แลมบ์, D แลม คือสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงและการสะท้อนตามลำดับ

และการถ่ายทอดทางร่างกาย

เมื่ออยู่ในสเปกตรัมค่าของ B, F, D ยังคงคงที่เช่น ไม่ต้องพึ่งความยาวคลื่น ไม่ต้องมีดัชนี ในกรณีนี้

ถ้า B = 1 (F = D = 0) วัตถุที่ดูดซับรังสีที่ตกกระทบทั้งหมดได้อย่างสมบูรณ์ โดยไม่คำนึงถึงความยาวคลื่น ทิศทางของการเกิด และสถานะโพลาไรเซชันของรังสี เรียกว่าวัตถุสีดำหรือตัวปล่อยที่สมบูรณ์

ถ้า F=1 (B=D=0) รังสีที่ตกกระทบในร่างกายจะสะท้อนออกมาทั้งหมด ในกรณีที่พื้นผิวของร่างกายขรุขระ รังสีจะสะท้อนอย่างกระจัดกระจาย (การสะท้อนแบบกระจาย) และลำตัวเรียกว่าสีขาว และเมื่อพื้นผิวของร่างกายเรียบและการสะท้อนเป็นไปตามกฎของทัศนศาสตร์เรขาคณิต จากนั้น ร่างกาย (พื้นผิว) เรียกว่า specular ในกรณีที่ D = 1 (B = F = 0) ร่างกายสามารถซึมผ่านรังสีความร้อนได้ (ไดอะเทอร์มิก)

ของแข็งและของเหลวแทบจะทึบแสงต่อรังสีความร้อน (D = 0) เช่น ไม่มีความร้อน สำหรับร่างกายดังกล่าว

โดยธรรมชาติแล้วไม่มีวัตถุสีดำเลย รวมถึงวัตถุโปร่งใสหรือสีขาวด้วย เนื้อหาดังกล่าวจะต้องถือเป็นนามธรรมทางวิทยาศาสตร์ แต่ถึงกระนั้น วัตถุจริงบางชิ้นก็มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับวัตถุในอุดมคติเช่นนั้น

ควรสังเกตว่าวัตถุบางชนิดมีคุณสมบัติบางอย่างที่เกี่ยวข้องกับรังสีที่มีความยาวคลื่นที่แน่นอน และมีคุณสมบัติที่แตกต่างกันกับรังสีที่มีความยาวต่างกัน ตัวอย่างเช่น ร่างกายอาจโปร่งใสต่อรังสีอินฟราเรด และทึบแสงต่อรังสีที่มองเห็นได้ (แสง) พื้นผิวของร่างกายสามารถเรียบเมื่อเทียบกับรังสีที่มีความยาวคลื่นหนึ่ง และหยาบสำหรับรังสีที่มีความยาวคลื่นอื่น

ก๊าซ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อยู่ภายใต้ความดันต่ำ ต่างจากของแข็งและของเหลว โดยจะปล่อยสเปกตรัมแบบเส้นตรง ดังนั้นก๊าซจึงดูดซับและปล่อยรังสีที่มีความยาวคลื่นเพียงช่วงหนึ่ง แต่ไม่สามารถเปล่งหรือดูดซับรังสีอื่นได้ ในกรณีนี้ พวกเขาพูดถึงการดูดซึมและการปล่อยแบบเลือกสรร

ในทฤษฎีของการแผ่รังสีความร้อน มีบทบาทสำคัญในปริมาณที่เรียกว่าความหนาแน่นฟลักซ์สเปกตรัมของการแผ่รังสี หรือการแผ่รังสีสเปกตรัม ซึ่งเป็นอัตราส่วนของความหนาแน่นของฟลักซ์การแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาในช่วงความยาวคลื่นที่น้อยที่สุดจาก แลมถึง แลม+เดลเล ถึงขนาดของช่วงความยาวคลื่นนี้ Δแล, W/ m 2,

โดยที่ E คือความหนาแน่นพื้นผิวของฟลักซ์การแผ่รังสี W/m2

ตอนนี้ฉันหวังว่าคุณจะเข้าใจว่ากระบวนการคำนวณกำลังยากมาก เรายังต้องทำงานและทำงานในทิศทางนี้ วัสดุแต่ละชนิดจะต้องได้รับการทดสอบที่อุณหภูมิต่างกัน แต่ด้วยเหตุผลบางประการจึงไม่มีข้อมูลเกี่ยวกับวัสดุเลย หรือในทางกลับกัน ฉันไม่พบหนังสืออ้างอิงเชิงทดลองเกี่ยวกับวัสดุต่างๆ

เหตุใดจึงไม่มีคู่มือวัสดุดังกล่าวเนื่องจากการแผ่รังสีความร้อนมีขนาดเล็กมากและฉันคิดว่าไม่น่าจะเกิน 10% ในสภาพความเป็นอยู่ของเรา จึงไม่รวมอยู่ในการคำนวณ เมื่อเราบินไปในอวกาศบ่อยครั้งการคำนวณทั้งหมดก็จะปรากฏขึ้น หรือมากกว่านั้น นักบินอวกาศของเราได้รวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับวัสดุต่างๆ แต่ยังไม่มีให้ใช้อย่างเสรี

กฎการดูดกลืนพลังงานรังสี

แต่ละร่างกายสามารถดูดซับพลังงานที่แผ่ออกมาได้บางส่วน โปรดดูรายละเอียดเพิ่มเติมด้านล่างนี้

หากฟลักซ์การแผ่รังสีตกบนวัตถุที่มีความหนา l (ดูรูป) ในกรณีทั่วไป ฟลักซ์จะลดลงเมื่อไหลผ่านร่างกาย สันนิษฐานว่าการเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์ของฟลักซ์การแผ่รังสีตามเส้นทาง Δl จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับเส้นทางของฟลักซ์:

ค่าสัมประสิทธิ์สัดส่วน b เรียกว่าดัชนีการดูดซึม ซึ่งโดยทั่วไปจะขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางกายภาพของร่างกายและความยาวคลื่น

เราได้อินทิเกรตในช่วงตั้งแต่ l ถึง 0 และค่าคงที่ b

ให้เราสร้างความสัมพันธ์ระหว่างค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนสเปกตรัมของร่างกาย B แลมบ์ และค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนสเปกตรัมของสาร b แลมบ์

จากคำจำกัดความของสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงสเปกตรัม B γ ที่เรามี

หลังจากแทนค่าลงในสมการนี้ เราจะได้ความสัมพันธ์ระหว่างค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนสเปกตรัม B แลมกับดัชนีการดูดกลืนสเปกตรัม B แลม

ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสง B γ เท่ากับศูนย์ที่ l 1 = 0 และ b แลม = 0 สำหรับค่า b จำนวนมาก ค่า l ที่น้อยมากก็เพียงพอแล้ว แต่ก็ยังไม่เท่ากับศูนย์ ดังนั้นค่าของ B แลมบ์ ใกล้เคียงกับความสามัคคีตามที่ต้องการ ในกรณีนี้ เราสามารถพูดได้ว่าการดูดซึมเกิดขึ้นในชั้นผิวบางๆ ของสาร เฉพาะในความเข้าใจนี้เท่านั้นที่สามารถพูดถึงการดูดซับพื้นผิวได้ สำหรับของแข็งส่วนใหญ่ เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสง b λ มีค่าสูง “การดูดกลืนแสงที่พื้นผิว” จึงเกิดขึ้นในความหมายที่ระบุ ดังนั้นค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงจึงได้รับอิทธิพลอย่างมากจากสถานะของพื้นผิว

วัตถุแม้ว่าจะมีค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงต่ำ เช่น ก๊าซ ก็สามารถมีค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับสูงได้หากมีความหนาเพียงพอ เช่น ถูกทำให้ทึบแสงต่อรังสีที่มีความยาวคลื่นที่กำหนด

ถ้า b แลมบ์ =0 สำหรับช่วง Δแล และสำหรับความยาวคลื่นอื่นๆ b แลมไม่เท่ากับศูนย์ ร่างกายจะดูดซับรังสีที่ตกกระทบของความยาวคลื่นบางช่วงเท่านั้น ในกรณีนี้ ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น เราพูดถึงค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงแบบเลือกสรร

ให้เราเน้นความแตกต่างพื้นฐานระหว่างค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงของสาร b แลม และค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสง B lam ของร่างกาย ประการแรกแสดงคุณสมบัติทางกายภาพของสารโดยสัมพันธ์กับรังสีที่มีความยาวคลื่นที่แน่นอน ค่าของ B แลมไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางกายภาพของสารที่ร่างกายประกอบขึ้นเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับรูปร่าง ขนาด และสภาพของพื้นผิวของร่างกายด้วย

กฎการแผ่รังสีของพลังงานรังสี

ตามทฤษฎีของมักซ์พลังค์ ตามทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า ได้กำหนดกฎ (เรียกว่ากฎของพลังค์) ขึ้น ซึ่งแสดงถึงการพึ่งพาการแผ่รังสีสเปกตรัมของวัตถุสีดำ E 0γ บนความยาวคลื่น γ และอุณหภูมิ T

โดยที่ E 0γ (แลมบ์,T) คือความเปล่งรังสีของวัตถุสีดำ, W/m 2 ; T - อุณหภูมิอุณหพลศาสตร์, K; C 1 และ C 2 - ค่าคงที่; C 1 =2πhc 2 =(3.74150±0.0003) 10-16 วัตต์ m2; ค 2 =เอชซี/เค=(1.438790±0.00019) 10 -2; m K (ในที่นี้ h=(6.626176±0.000036) 10 -34 J s คือค่าคงที่ของพลังค์ c=(299792458±1.2) m/s คือความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในอวกาศ: k คือค่าคงที่ของ Boltzmann )

จากกฎของพลังค์เป็นไปตามว่าการเปล่งสเปกตรัมสามารถเป็นศูนย์ได้ที่อุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์เท่ากับศูนย์ (T=0) หรือที่ความยาวคลื่น γ = 0 และ แล→∞ (ที่ T≠0)

ด้วยเหตุนี้ วัตถุสีดำจึงเปล่งแสงที่อุณหภูมิใดก็ตามที่สูงกว่า 0 K (T > 0) ของความยาวคลื่นทั้งหมด กล่าวคือ มีสเปกตรัมการปล่อยแสงต่อเนื่อง (ต่อเนื่อง)

จากสูตรข้างต้น เราสามารถหาค่าการเปล่งรังสีของวัตถุสีดำได้จากการคำนวณ:

เราได้รับการรวมภายในช่วงของการเปลี่ยนแปลงใน แล จาก 0 ถึง ∞

จากการขยายอินทิแกรนด์ออกเป็นอนุกรมและอินทิเกรตเข้าด้วยกัน เราได้นิพจน์ที่คำนวณได้สำหรับการเปล่งรังสีของวัตถุสีดำ ที่เรียกว่ากฎสเตฟาน-โบลต์ซมันน์:

โดยที่ E 0 คือความเปล่งรังสีของวัตถุสีดำ W/m 2 ;

σ - ค่าคงที่ของ Stefan Boltzmann, W/(m 2 K 4);

σ = (5.67032 ± 0.00071) 10 -8 ;

T - อุณหภูมิอุณหพลศาสตร์, K.

สูตรมักเขียนในรูปแบบที่สะดวกกว่าสำหรับการคำนวณ:

เราจะใช้สูตรนี้ในการคำนวณ แต่นี่ไม่ใช่สูตรสุดท้าย ใช้ได้กับวัตถุสีดำเท่านั้น วิธีใช้สำหรับตัวสีเทาจะอธิบายไว้ด้านล่าง

โดยที่ E 0 คือการแผ่รังสีของวัตถุสีดำ C 0 = 5.67 วัตต์/(ม. 2 K 4)

กฎของสเตฟาน-โบลต์ซมันน์มีการกำหนดไว้ดังนี้ การเปล่งรังสีของวัตถุสีดำจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์ของวัตถุนั้นต่อกำลังที่สี่

การกระจายสเปกตรัมของรังสีวัตถุดำที่อุณหภูมิต่างๆ

แล - ความยาวคลื่นตั้งแต่ 0 ถึง 10 µm (0-10,000 นาโนเมตร)

E 0γ - ควรเข้าใจดังนี้: ราวกับว่ามีพลังงานจำนวนหนึ่ง (W) ในปริมาตร (m 3) ของวัตถุสีดำ นี่ไม่ได้หมายความว่ามันจะปล่อยพลังงานดังกล่าวออกมาจากอนุภาคภายนอกเท่านั้น พูดง่ายๆ ก็คือ ถ้าเรารวบรวมอนุภาคทั้งหมดของวัตถุสีดำในปริมาตรและวัดการแผ่รังสีของแต่ละอนุภาคในทุกทิศทางแล้วบวกพวกมันทั้งหมดเข้าด้วยกัน เราก็จะได้พลังงานทั้งหมดในปริมาตรซึ่งระบุไว้บนกราฟ

ดังที่เห็นได้จากตำแหน่งของไอโซเทอร์ม แต่ละไอโซเทอร์มจะมีค่าสูงสุด และยิ่งอุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์สูง ค่าของ E0แล็บที่สอดคล้องกับค่าสูงสุดก็จะยิ่งมากขึ้น และจุดสูงสุดเองก็จะเคลื่อนไปยังบริเวณที่มีคลื่นสั้นกว่า การเปลี่ยนแปลงของการปล่อยคลื่นสเปกตรัมสูงสุด E0γmax ไปยังบริเวณคลื่นที่สั้นกว่าเรียกว่า

กฎการกระจัดของเวียนนา ตามนั้น

T แลมสูงสุด = 2.88 10 -3 m K = const และ แลมสูงสุด = 2.88 10 -3 / T,

โดยที่ แลมสูงสุด คือความยาวคลื่นที่สอดคล้องกับค่าสูงสุดของการแผ่รังสีสเปกตรัม E 0แลมสูงสุด

ตัวอย่างเช่น ที่ T = 6,000 K (อุณหภูมิโดยประมาณของพื้นผิวดวงอาทิตย์) ค่า E 0 สูงสุดจะอยู่ในบริเวณที่มีการแผ่รังสีที่มองเห็นได้ โดยมีการแผ่รังสีจากแสงอาทิตย์ประมาณ 50% ตกไป

พื้นที่เบื้องต้นใต้ไอโซเทอร์มซึ่งแรเงาบนกราฟ มีค่าเท่ากับ E 0γ Δแล เป็นที่ชัดเจนว่าผลรวมของพื้นที่เหล่านี้คือ อินทิกรัลแสดงถึงการแผ่รังสีของวัตถุสีดำ E 0 ดังนั้น พื้นที่ระหว่างไอโซเทอร์มและแกน x จึงแสดงการแผ่รังสีของวัตถุสีดำในระดับปกติของแผนภาพ ที่อุณหภูมิอุณหพลศาสตร์ต่ำ ไอโซเทอร์มจะผ่านไปใกล้กับแกนแอบซิสซา และพื้นที่ที่ระบุจะมีขนาดเล็กมากจนสามารถถือว่าเท่ากับศูนย์ได้ในทางปฏิบัติ

แนวคิดที่เรียกว่าวัตถุสีเทาและการแผ่รังสีสีเทามีบทบาทสำคัญในเทคโนโลยี สีเทาเป็นตัวปล่อยความร้อนแบบไม่เลือกสรรซึ่งสามารถปล่อยสเปกตรัมต่อเนื่องได้ โดยมีค่าการแผ่รังสีสเปกตรัม E lam สำหรับคลื่นทุกความยาวและทุกอุณหภูมิ ซึ่งประกอบขึ้นเป็นเศษส่วนคงที่ของค่าการแผ่รังสีสเปกตรัมของวัตถุสีดำ E 0γ กล่าวคือ

ค่าคงที่ ε เรียกว่าสัมประสิทธิ์การแผ่รังสีของตัวปล่อยความร้อน สำหรับวัตถุสีเทา ค่าสัมประสิทธิ์การแผ่รังสี ε

กราฟแสดงเส้นโค้งการกระจายความยาวคลื่นของวัตถุสีดำ E แล (ε = 1) และการแผ่รังสีสเปกตรัมของวัตถุสีเทา E γ ที่มีอุณหภูมิเดียวกันกับวัตถุสีดำ (ที่ ε = 0.5 และ ε = 0.25 ). การแผ่รังสีของร่างกายสีเทา

งาน

เรียกว่าการแผ่รังสีวัตถุสีเทา

ค่าการแผ่รังสีที่ได้รับจากประสบการณ์มีระบุไว้ในเอกสารอ้างอิง

วัตถุส่วนใหญ่ที่ใช้ในเทคโนโลยีอาจถูกเข้าใจผิดว่าเป็นวัตถุสีเทา และการแผ่รังสีของพวกมันก็ถือเป็นรังสีสีเทา การศึกษาที่แม่นยำยิ่งขึ้นแสดงให้เห็นว่านี่เป็นไปได้เพียงการประมาณครั้งแรกเท่านั้น แต่ก็เพียงพอสำหรับวัตถุประสงค์ในทางปฏิบัติ ความเบี่ยงเบนไปจากกฎสเตฟาน-โบลต์ซมันน์สำหรับวัตถุสีเทามักจะนำมาพิจารณาโดยการนำค่าการแผ่รังสี C ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ในเรื่องนี้ ตารางจะระบุช่วงอุณหภูมิที่ค่าการแผ่รังสี C ถูกกำหนดโดยการทดลอง

ต่อไปนี้ เพื่อให้สรุปได้ง่ายขึ้น เราจะถือว่าการแผ่รังสีของวัตถุสีเทาไม่ได้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ

ค่าสัมประสิทธิ์การแผ่รังสีของวัสดุบางชนิด

(วัสดุ / อุณหภูมิเป็น °C / ค่า E)

อลูมิเนียมออกซิไดซ์ / 200-600 / 0.11 -0.19

อลูมิเนียมขัดเงา / 225-575 / 0.039-0.057

อิฐแดง / 20 / 0.93

อิฐทนไฟ / - / 0.8-0.9

ทองแดงออกซิไดซ์ / 200-600 / 0.57-0.87

ตะกั่วออกซิไดซ์ / 200 / 0.63

เหล็กขัดเงา / 940-1100 / 0.55-0.61

เหล็กหล่อกลึง / 830-910 / 0.6-0.7

เหล็กหล่อออกซิไดซ์ / 200-600 / 0.64-0.78

อลูมิเนียมขัดเงา / 50-500 / 0.04-0.06

บรอนซ์ / 50 / 0.1

เหล็กแผ่นอาบสังกะสีเงา /30 /0.23

ดีบุกขาวเก่า /20 /0.28

ทองขัดเงา / 200 - 600 / 0.02-0.03

ทองเหลืองด้าน / 20-350 / 0.22

ทองแดงขัดเงา / 50-100 / 0.02

นิกเกิลขัดเงา / 200-400 / 0.07-0.09

ดีบุกมันเงา /20-50 / 0.04-0.06

เงินขัดเงา / 200-600 / 0.02-0.03

เหล็กแผ่นรีด /50 / 0.56

เหล็กออกซิไดซ์ / 200-600 / 0.8

เหล็กออกซิไดซ์สูง / 500 / 0.98

เหล็กหล่อ / 50 / 0.81

กระดาษแข็งใยหิน / 20 / 0.96

ไม้ไส / 20 / 0.8-0.9

อิฐทนไฟ / 500-1000 / 0.8-0.9

อิฐไฟร์เคลย์ / 1,000 / 0.75

อิฐแดงหยาบ /20 /0.88-0.93

วานิชดำด้าน / 40-100 / 0.96-0.98

วานิชสีขาว / 40-100 / 0.8-0.95

สีน้ำมันสีต่างๆ / 100 / 0.92-0.96

โคมคาร์บอน /20-400 /0.95

แก้ว / 20-100 / 0.91-0.94

เคลือบสีขาว / 20 / 0.9

กฎของเคอร์ชอฟฟ์

กฎของเคอร์ชอฟฟ์กำหนดความสัมพันธ์ระหว่างค่าสัมประสิทธิ์การแผ่รังสีและการดูดซึมของวัตถุสีเทา

ลองพิจารณาวัตถุสีเทาสองอันที่ขนานกันซึ่งมีขอบเขตอนันต์โดยมีพื้นผิวเรียบของพื้นที่ A แต่ละตัว

ระนาบที่ขยายออกอย่างไม่สิ้นสุดทำให้สามารถประมาณการคำนวณเพื่อค้นหารังสีที่แท้จริงในการทดลองภาคปฏิบัติและภาคทฤษฎีได้ ในการทดลองทางทฤษฎี ค่าจริงจะถูกพบโดยใช้นิพจน์อินทิกรัล และในการทดลอง ระนาบที่ใหญ่กว่าจะทำให้การคำนวณใกล้เคียงกับค่าจริงมากขึ้น ดังนั้นเราจึงดับอิทธิพลของรังสีด้านข้างและเชิงมุมที่ไม่จำเป็นซึ่งบินออกไปและไม่ถูกดูดซับโดยแผ่นทดลองด้วยระนาบอนันต์ขนาดใหญ่

นั่นคือถ้าคูณค่าสัมประสิทธิ์ด้วยค่าการแผ่รังสี เราจะได้ค่าการปล่อยก๊าซผลลัพธ์ (W)

เราสามารถสรุปได้ว่ารังสีทั้งหมดที่ส่งมาจากวัตถุหนึ่งจะตกไปยังอีกวัตถุหนึ่งโดยสิ้นเชิง สมมติว่าค่าสัมประสิทธิ์การส่งผ่านของวัตถุเหล่านี้คือ D 1 = D 2 = 0 และมีตัวกลางที่โปร่งใสด้วยความร้อน (ไดอะเทอร์มิก) ระหว่างพื้นผิวของระนาบทั้งสอง ให้เราแสดงด้วย E 1 , B 1 , F 1 , T 1 และ E 2 , B 2 , F 2 , T 2 ค่าการเปล่งรังสี การดูดซับ การสะท้อน และอุณหภูมิพื้นผิวของวัตถุตัวแรกและตัวที่สอง ตามลำดับ

ฟลักซ์ของพลังงานรังสีจากพื้นผิว 1 ถึงพื้นผิว 2 เท่ากับผลคูณของการแผ่รังสีของพื้นผิว 1 และพื้นที่ A นั่นคือ E 1 A ซึ่งส่วนหนึ่งของ E 1 B 2 A ถูกดูดซับโดยพื้นผิว 2 และส่วนหนึ่งของ E 1 F 2 A สะท้อนกลับไปยังพื้นผิว 1 จากฟลักซ์ที่สะท้อนนี้ E 1 F 2 A พื้นผิว 1 ดูดซับ E 1 F 2 B 1 A และสะท้อน E 1 F 1 F 2 A. จากการไหลของพลังงานที่สะท้อน E 1 F 1 F 2 A พื้นผิว 2 จะดูดซับ E 1 F 1 F 2 B 2 A อีกครั้งและสะท้อน E 1 F 1 F 2 A ฯลฯ

ในทำนองเดียวกัน พลังงานรังสีถูกถ่ายโอนโดยการไหล E 2 จากพื้นผิว 2 ไปยังพื้นผิว 1 ผลก็คือ ฟลักซ์ของพลังงานรังสีที่ถูกดูดซับโดยพื้นผิว 2 (หรือปล่อยออกมาจากพื้นผิว 1)

ฟลักซ์ของพลังงานรังสีที่ถูกดูดซับโดยพื้นผิว 1 (หรือปล่อยออกมาจากพื้นผิว 2)

ในผลลัพธ์สุดท้าย ฟลักซ์ของพลังงานรังสีที่ถ่ายโอนจากพื้นผิว 1 ไปยังพื้นผิว 2 จะเท่ากับความแตกต่างระหว่างฟลักซ์การแผ่รังสี Ф 1→2 และ Ф 2→1 เช่น

นิพจน์ผลลัพธ์ใช้ได้กับทุกอุณหภูมิ T 1 และ T 2 และโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับ T 1 = T 2 ในกรณีหลัง ระบบที่พิจารณาอยู่ในสมดุลความร้อนแบบไดนามิก และตามกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ จำเป็นต้องใส่ Ф 1→2 = Ф 2→1 ซึ่งตามมาด้วย

จ 1 บี 2 = จ 2 บี 1 หรือ

ผลลัพธ์ที่เท่าเทียมกันเรียกว่ากฎของเคอร์ชอฟฟ์: อัตราส่วนของการปล่อยรังสีของร่างกายต่อค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงของวัตถุสีเทาทั้งหมดที่อุณหภูมิเดียวกันจะเท่ากันและเท่ากับการปล่อยก๊าซของวัตถุสีดำที่อุณหภูมิเดียวกัน

หากวัตถุมีค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงต่ำ เช่น โลหะขัดเงาอย่างดี วัตถุนี้ก็จะมีการปล่อยรังสีต่ำเช่นกัน บนพื้นฐานนี้ เพื่อลดการสูญเสียความร้อนจากการแผ่รังสีออกสู่สิ่งแวดล้อมภายนอก พื้นผิวที่ปล่อยความร้อนจึงถูกหุ้มด้วยแผ่นโลหะขัดเงาเพื่อเป็นฉนวนกันความร้อน

เมื่อได้กฎของเคอร์ชอฟฟ์ จะพิจารณารังสีสีเทา ข้อสรุปจะยังคงใช้ได้แม้ว่าการแผ่รังสีความร้อนของวัตถุทั้งสองจะพิจารณาเฉพาะในบางส่วนของสเปกตรัมเท่านั้น แต่ถึงกระนั้นก็มีลักษณะเหมือนกันนั่นคือ วัตถุทั้งสองปล่อยรังสีที่มีความยาวคลื่นอยู่ในขอบเขตสเปกตรัมเดียวกัน ในกรณีที่จำกัด เราก็มาถึงกรณีของรังสีเอกรงค์เดียว แล้ว

เหล่านั้น. สำหรับการแผ่รังสีเอกรงค์เดียว กฎของเคอร์ชอฟฟ์ควรมีการกำหนดไว้ดังนี้ อัตราส่วนของการปล่อยสเปกตรัมของวัตถุที่ความยาวคลื่นหนึ่งต่อสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่นเท่ากันจะเท่ากันสำหรับวัตถุทั้งหมดที่อุณหภูมิเดียวกัน และเท่ากับสเปกตรัม การแผ่รังสีของวัตถุสีดำที่คลื่นความยาวเท่ากันและอุณหภูมิเท่ากัน

เราสรุปได้ว่าสำหรับตัวสีเทา B = ε นั่นคือ แนวคิดของ "ค่าสัมประสิทธิ์การดูดซึม" B และ "ค่าสัมประสิทธิ์ความมืด" ε สำหรับตัวสีเทาที่ตรงกัน ตามคำนิยาม ค่าสัมประสิทธิ์การแผ่รังสีไม่ได้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิหรือความยาวคลื่น ดังนั้น ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงของวัตถุสีเทาจึงไม่ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นหรืออุณหภูมิด้วย

การแผ่รังสีของก๊าซ

การแผ่รังสีจากก๊าซแตกต่างอย่างมากจากการแผ่รังสีจากของแข็ง การดูดซับและการปล่อยก๊าซ - แบบคัดเลือก (แบบเลือก) ก๊าซดูดซับและปล่อยพลังงานการแผ่รังสีเฉพาะในช่วงเวลาที่ค่อนข้างแคบเท่านั้น Δแล ความยาวคลื่น - หรือที่เรียกว่าแถบ ในสเปกตรัมที่เหลือ ก๊าซจะไม่ปล่อยหรือดูดซับพลังงานการแผ่รังสี

ก๊าซไดอะตอมมิกมีความสามารถเพียงเล็กน้อยในการดูดซับพลังงานรังสี ดังนั้นจึงมีความสามารถในการเปล่งพลังงานต่ำ ดังนั้นก๊าซเหล่านี้จึงมักถูกพิจารณาว่าเป็นไดอะเทอร์มิก ก๊าซโพลีอะตอมมิกซึ่งรวมถึงก๊าซไตรอะตอมต่างจากก๊าซไดอะตอมมิก มีความสามารถที่สำคัญในการเปล่งและดูดซับพลังงานรังสี ในบรรดาก๊าซไตรอะตอมในสาขาการคำนวณทางความร้อนนั้น คาร์บอนไดออกไซด์ (CO 2) และไอน้ำ (H 2 O) ซึ่งแต่ละก๊าซมีแถบการปล่อยก๊าซสามแถบเป็นที่สนใจในทางปฏิบัติมากที่สุด

ดัชนีการดูดซึมของก๊าซต่างจากของแข็ง (แน่นอน ในบริเวณแถบการดูดซึม) มีขนาดเล็ก ดังนั้นสำหรับวัตถุที่เป็นก๊าซจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะพูดถึงการดูดซับ "พื้นผิว" อีกต่อไปเนื่องจากการดูดซับพลังงานรังสีเกิดขึ้นในก๊าซในปริมาณที่จำกัด ในแง่นี้ การดูดซับและการปล่อยก๊าซเรียกว่าปริมาตร นอกจากนี้ค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับ b แลมของก๊าซยังขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ

ตามกฎการดูดกลืนแสง ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนสเปกตรัมของร่างกายสามารถกำหนดได้โดย:

สำหรับตัวก๊าซการพึ่งพาอาศัยกันนี้ค่อนข้างซับซ้อนเนื่องจากความดันของมันส่งผลต่อค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับก๊าซ หลังนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าการดูดกลืน (รังสี) มีความเข้มข้นมากขึ้น จำนวนโมเลกุลที่พบกับลำแสงบนเส้นทางก็จะยิ่งมากขึ้น และจำนวนปริมาตรของโมเลกุล (อัตราส่วนของจำนวนโมเลกุลต่อปริมาตร) จะเป็นสัดส่วนโดยตรง ถึงความดัน (ที่ t = const)

ในการคำนวณทางเทคนิคของการแผ่รังสีของก๊าซ ก๊าซดูดซับ (CO 2 และ H 2 O) มักจะรวมเป็นส่วนประกอบในส่วนผสมของก๊าซ หากความดันของส่วนผสมคือ p และความดันบางส่วนของก๊าซดูดซับ (หรือเปล่งออกมา) คือ p i ดังนั้นแทนที่จะเป็น l จำเป็นต้องแทนที่ค่า p i 1 ค่า p i 1 ซึ่งเป็นผลคูณของก๊าซ ความดันและความหนาเรียกว่าความหนาประสิทธิผลของชั้น ดังนั้นสำหรับก๊าซจะมีค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนสเปกตรัม

ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนสเปกตรัมของก๊าซ (ในอวกาศ) ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางกายภาพของก๊าซ รูปร่างของอวกาศ ขนาด และอุณหภูมิของก๊าซ จากนั้นตามกฎของเคียร์ชอฟฟ์ ค่าการแผ่รังสีสเปกตรัม

การแผ่รังสีภายในแถบสเปกตรัมเดียว

สูตรนี้ใช้เพื่อกำหนดการปล่อยก๊าซสู่พื้นที่ว่าง (ความว่างเปล่า) (พื้นที่ว่างถือได้ว่าเป็นพื้นที่สีดำที่ 0 K) แต่พื้นที่ก๊าซมักถูกจำกัดด้วยพื้นผิวของวัตถุที่เป็นของแข็ง ซึ่งโดยทั่วไปจะมีอุณหภูมิ T st ≠ T g และสัมประสิทธิ์การแผ่รังสี ε st

การเปล่งรังสีของก๊าซในพื้นที่อับอากาศจะเท่ากับผลรวมของการปล่อยก๊าซที่แผ่ไปทั่วแถบสเปกตรัมทั้งหมด:

การศึกษาเชิงทดลองแสดงให้เห็นว่าการปล่อยก๊าซไม่เป็นไปตามกฎของ Stefan-Boltzmann เช่น ขึ้นอยู่กับกำลังสี่ของอุณหภูมิสัมบูรณ์

อย่างไรก็ตามสำหรับการคำนวณการแผ่รังสีของก๊าซในทางปฏิบัติจะใช้กฎกำลังที่สี่โดยแนะนำการแก้ไขที่เหมาะสมกับค่าของสัมประสิทธิ์การปล่อยก๊าซ ε g:

โดยที่ ε g = f(T,p l)

ความยาวเส้นทางลำแสงเฉลี่ย

โดยที่ V คือปริมาตรก๊าซ A คือพื้นที่ผิวของเปลือก

การแผ่รังสีของก๊าซที่มีส่วนประกอบเป็น CO 2 และ H 2 O (ก๊าซเผาไหม้) ถึงเปลือกของวัตถุสีเทา

ซึ่งเทอมสุดท้ายจะคำนึงถึงการแผ่รังสีภายในของเปลือกด้วย

สิ่งที่เรียกว่าปัจจัยการแผ่รังสีที่มีประสิทธิผลของเปลือก ε" st มากกว่า ε st เนื่องจากการมีอยู่ของก๊าซที่แผ่รังสี

ค่าสัมประสิทธิ์การปล่อยก๊าซที่อุณหภูมิก๊าซ t g

ค่าการแผ่รังสี ε CO2 และ ε H2O ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่ค่าต่าง ๆ ของพารามิเตอร์ p i l แสดงในรูป

ปัจจัยการแก้ไข β ถูกกำหนดจากกราฟ

แถบการปล่อยและการดูดซับของ C0 2 และ H 2 0 ค่อนข้างทับซ้อนกัน ดังนั้นพลังงานส่วนหนึ่งที่ปล่อยออกมาจากก๊าซหนึ่งจึงถูกดูดกลืนโดยอีกก๊าซหนึ่ง ดังนั้นค่าสัมประสิทธิ์การแผ่รังสีของส่วนผสมของคาร์บอนไดออกไซด์และไอน้ำที่อุณหภูมิผนัง t st

โดยที่ Δε g คือการแก้ไขโดยคำนึงถึงการดูดซับที่ระบุ สำหรับผลิตภัณฑ์การเผาไหม้ที่เป็นก๊าซที่มีองค์ประกอบทั่วไป Δε g = 2 - 4% และสามารถละเลยได้

สันนิษฐานได้ว่าที่ ε st = 0.8 + 1.0 ค่าสัมประสิทธิ์การแผ่รังสีที่มีประสิทธิผลของเปลือกคือ ε" st = 0.5(ε st + 1)

คุณลักษณะของการแผ่รังสีและการดูดกลืนก๊าซเหล่านี้ทำให้สามารถสร้างกลไกของสิ่งที่เรียกว่า "ปรากฏการณ์เรือนกระจก" ซึ่งส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการก่อตัวและการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศของโลก

รังสีดวงอาทิตย์ส่วนใหญ่จะผ่านชั้นบรรยากาศและทำให้พื้นผิวโลกร้อนขึ้น ในทางกลับกัน โลกก็ปล่อยรังสีอินฟราเรดออกมา ทำให้มันเย็นลง อย่างไรก็ตาม ส่วนหนึ่งของรังสีนี้ถูกดูดซับโดยก๊าซโพลีอะตอมมิก (“เรือนกระจก”) ในชั้นบรรยากาศ ซึ่งส่งผลให้ทำหน้าที่เป็น “ผ้าห่ม” ที่กักเก็บความร้อน ในเวลาเดียวกัน ก๊าซเรือนกระจกที่ส่งผลกระทบมากที่สุดต่อภาวะโลกร้อน ได้แก่ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (55%) ฟรีออนและก๊าซที่เกี่ยวข้อง (25%) มีเทน (15%) เป็นต้น

กฎหมายบางส่วนจะกล่าวถึงเพิ่มเติมในหน้าถัดไป นอกจากนี้ยังมีคำอธิบายโดยละเอียดว่าการแผ่รังสีความร้อนเกิดขึ้นผ่านหน้าต่างได้อย่างไร จะมีการอธิบายปัจจัยบางประการที่ส่งผลต่อการถ่ายเทความร้อนโดยการแผ่รังสี รวมถึงปัญหารังสีในชีวิตจริง

ในที่สุดก็มีวิธีอื่นในการระบุลักษณะรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า - โดยการระบุอุณหภูมิ พูดอย่างเคร่งครัด วิธีนี้เหมาะสำหรับสิ่งที่เรียกว่าวัตถุดำหรือการแผ่รังสีความร้อนเท่านั้น ในวิชาฟิสิกส์ วัตถุสีดำสนิทคือวัตถุที่ดูดซับรังสีทั้งหมดที่ตกกระทบบนวัตถุนั้น อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติการดูดซึมในอุดมคติไม่ได้ป้องกันร่างกายไม่ให้ปล่อยรังสีออกมา ในทางตรงกันข้าม สำหรับวัตถุที่มีอุดมคติเช่นนั้น ประเภทของสเปกตรัมรังสีสามารถคำนวณได้อย่างแม่นยำ นี่คือเส้นโค้งที่เรียกว่าพลังค์ซึ่งรูปร่างถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์เดียว - อุณหภูมิ ส่วนโคกที่มีชื่อเสียงของเส้นโค้งนี้แสดงให้เห็นว่าวัตถุที่ได้รับความร้อนจะปล่อยคลื่นเพียงเล็กน้อยทั้งในช่วงความยาวคลื่นที่ยาวมากและสั้นมาก การแผ่รังสีสูงสุดเกิดขึ้นที่ความยาวคลื่นที่เฉพาะเจาะจงมาก ซึ่งค่าจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอุณหภูมิ

เมื่อระบุอุณหภูมินี้ เราต้องจำไว้ว่านี่ไม่ใช่คุณสมบัติของการแผ่รังสี แต่เป็นเพียงอุณหภูมิของวัตถุสีดำสนิทในอุดมคติซึ่งมีการแผ่รังสีสูงสุดที่ความยาวคลื่นที่กำหนด หากมีเหตุผลที่เชื่อได้ว่ารังสีนั้นถูกปล่อยออกมาจากวัตถุที่ให้ความร้อน ดังนั้น เมื่อหาค่าสูงสุดในสเปกตรัมของมัน จะสามารถประมาณอุณหภูมิของแหล่งกำเนิดได้ ตัวอย่างเช่น อุณหภูมิพื้นผิวของดวงอาทิตย์คือ 6,000 องศา ซึ่งสอดคล้องกับจุดกึ่งกลางของช่วงรังสีที่มองเห็นได้อย่างแน่นอน นี่ไม่ใช่เรื่องบังเอิญ เป็นไปได้มากว่าตลอดช่วงวิวัฒนาการ ดวงตาได้ปรับตัวเพื่อใช้แสงแดดอย่างมีประสิทธิภาพมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

ความคลุมเครือของอุณหภูมิ

จุดในสเปกตรัมที่เกิดรังสีวัตถุดำสูงสุดนั้นขึ้นอยู่กับแกนที่เรากำลังพล็อต หากความยาวคลื่นเป็นเมตรถูกพล็อตอย่างสม่ำเสมอตามแนวแกนแอบซิสซา ค่าสูงสุดจะเกิดขึ้นที่

λ สูงสุด = ข/ต= (2.9·10 –3 ม· ถึง)/ต ,

ที่ไหน ข= 2.9·10 –3 ม· ถึง- นี่คือสิ่งที่เรียกว่ากฎการกระจัดของเวียนนา หากเราสร้างสเปกตรัมเดียวกัน โดยวางแผนความถี่การแผ่รังสีบนแกนกำหนดเท่าๆ กัน ตำแหน่งของค่าสูงสุดจะถูกคำนวณโดยสูตร:

ν สูงสุด = (α k/ชม) · ต= (5.9 10 10 เฮิรตซ์/ถึง) · ต ,

โดยที่ α = 2.8, เค= 1.4·10 –23 เจ/ถึง- ค่าคงที่ของ Boltzmann ชม.- ค่าคงตัวของพลังค์

ทุกอย่างจะเรียบร้อยดี แต่เมื่อปรากฎ แล สูงสุดและ ν สูงสุด· สอดคล้องกับจุดต่างๆ ของสเปกตรัม สิ่งนี้จะชัดเจนหากเราคำนวณความยาวคลื่นที่สอดคล้องกับ ν สูงสุดแล้วมันจะกลายเป็น:

λ" สูงสุด = กับ/ν สูงสุด = (ช/α เค)/ต= (5.1·10 –3 m·K)/ ต .

ดังนั้นค่าสูงสุดของสเปกตรัมซึ่งกำหนดโดยความถี่ในหน่วยนิ้ว λ" สูงสุด/ν สูงสุด = 1,8 เวลาที่ความยาวคลื่นต่างกัน (และด้วยเหตุนี้จึงเป็นความถี่) จากค่าสูงสุดของสเปกตรัมเดียวกันที่กำหนดโดยความยาวคลื่น กล่าวอีกนัยหนึ่ง ความถี่และความยาวคลื่นของการแผ่รังสีวัตถุดำสูงสุดไม่สอดคล้องกัน: λ สูงสุด ≠ กับ/ν สูงสุด .

ในช่วงที่มองเห็นได้ เป็นเรื่องปกติที่จะระบุค่าสูงสุดของสเปกตรัมการแผ่รังสีความร้อนตามความยาวคลื่น ในสเปกตรัมของดวงอาทิตย์ ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว มันอยู่ในช่วงที่มองเห็นได้ อย่างไรก็ตาม ความถี่สูงสุดของรังสีดวงอาทิตย์จะอยู่ในช่วงอินฟราเรดใกล้

แต่รังสีไมโครเวฟคอสมิกสูงสุดด้วยอุณหภูมิ 2.7 ถึงเป็นเรื่องปกติที่จะระบุด้วยความถี่ - 160 เมกะเฮิรตซ์ซึ่งสอดคล้องกับความยาวคลื่น 1.9 มม- ในขณะเดียวกัน ในกราฟตามความยาวคลื่น ค่าสูงสุดของรังสีสะท้อนจะเกิดขึ้นที่ 1.1 มม.

ทั้งหมดนี้แสดงให้เห็นว่าต้องใช้อุณหภูมิอย่างระมัดระวังในการอธิบายรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า สามารถใช้ได้เฉพาะในกรณีของการแผ่รังสีที่มีสเปกตรัมใกล้เคียงกับความร้อน หรือสำหรับลักษณะเฉพาะของช่วงที่หยาบมาก (แม่นยำตามลำดับความสำคัญ) ตัวอย่างเช่น รังสีที่มองเห็นสอดคล้องกับอุณหภูมิหลายพันองศา รังสีเอกซ์ - ล้าน องศาไมโครเวฟ - ประมาณ 1 เคลวิน

วัตถุที่ได้รับความร้อนจะปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา การแผ่รังสีนี้ดำเนินการโดยการแปลงพลังงานการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคในร่างกายให้เป็นพลังงานรังสี

การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจากร่างกายในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์เรียกว่าการแผ่รังสีความร้อน (อุณหภูมิ) บางครั้งการแผ่รังสีความร้อนไม่เพียงแต่เข้าใจถึงความสมดุลเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการแผ่รังสีที่ไม่สมดุลของวัตถุที่เกิดจากความร้อนด้วย

การแผ่รังสีที่สมดุลดังกล่าวเกิดขึ้น เช่น หากตัวที่แผ่รังสีอยู่ภายในช่องปิดที่มีผนังทึบแสง อุณหภูมิจะเท่ากับอุณหภูมิของร่างกาย

ในระบบฉนวนความร้อนของวัตถุที่อุณหภูมิเดียวกัน การแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างวัตถุผ่านการแผ่รังสีความร้อนและการดูดซับรังสีความร้อนไม่สามารถนำไปสู่การละเมิดสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ของระบบ เนื่องจากสิ่งนี้จะขัดแย้งกับกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

ดังนั้น สำหรับการแผ่รังสีความร้อนของวัตถุ จะต้องเป็นไปตามกฎของพรีโวสต์: หากวัตถุสองชิ้นที่อุณหภูมิเดียวกันดูดซับพลังงานในปริมาณที่ต่างกัน การแผ่รังสีความร้อนของวัตถุทั้งสองที่อุณหภูมินี้จะต้องแตกต่างกัน

การแผ่รังสี (emissivity) หรือความหนาแน่นสเปกตรัมของความส่องสว่างที่มีพลังของร่างกายคือค่า En,t ซึ่งเท่ากับตัวเลขในความหนาแน่นพลังงานพื้นผิวของการแผ่รังสีความร้อนของร่างกายและช่วงความถี่ของความกว้างหน่วย:

โดยที่ dW คือพลังงานของการแผ่รังสีความร้อนต่อหน่วยพื้นที่ผิวของร่างกายต่อหน่วยเวลาในช่วงความถี่ตั้งแต่ v ถึง v + dr

การแผ่รังสี En,t เป็นลักษณะสเปกตรัมของการแผ่รังสีความร้อนของร่างกาย ขึ้นอยู่กับความถี่ v อุณหภูมิสัมบูรณ์ T ของร่างกาย ตลอดจนวัสดุ รูปร่าง และสภาพพื้นผิว ในระบบ SI En,t มีหน่วยวัดเป็น J/m2

ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงหรือโมโนโครมของร่างกายคือปริมาณ An,t ซึ่งแสดงเศษส่วนของพลังงาน dWin ที่ส่งต่อหน่วยเวลาต่อหน่วยพื้นที่ผิวของร่างกายโดยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตกกระทบด้วยความถี่ตั้งแต่ v ถึง v +dv ถูกร่างกายดูดซึม:

Аn,т เป็นปริมาณไร้มิติ นอกเหนือจากความถี่ของการแผ่รังสีและอุณหภูมิของร่างกายแล้ว ยังขึ้นอยู่กับวัสดุ รูปร่าง และสภาพพื้นผิวด้วย

วัตถุจะเรียกว่าเป็นสีดำสนิท ที่อุณหภูมิใดๆ ก็ตาม วัตถุนั้นดูดซับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมดที่ตกกระทบบนวัตถุไว้ได้อย่างสมบูรณ์ โดยที่ t สีดำ = 1

วัตถุจริงไม่ใช่สีดำสนิท แต่บางส่วนมีคุณสมบัติทางแสงใกล้เคียงกับวัตถุสีดำสนิท (เขม่า สีดำแพลตตินั่ม กำมะหยี่สีดำในบริเวณแสงที่มองเห็นมี An,t แตกต่างกันเล็กน้อยจากความสามัคคี)

วัตถุจะเรียกว่าสีเทาหากความสามารถในการดูดซับของมันเท่ากันสำหรับทุกความถี่ n และขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ วัสดุ และสถานะของพื้นผิวของร่างกายเท่านั้น

มีความสัมพันธ์ระหว่าง En,t ของการแผ่รังสี และความสามารถในการดูดกลืน An,t ของวัตถุทึบแสงใดๆ (กฎของ Kirhoff ในรูปแบบดิฟเฟอเรนเชียล):

สำหรับความถี่และอุณหภูมิตามอำเภอใจ อัตราส่วนของสภาพเปล่งรังสีของร่างกายต่อความสามารถในการดูดซับของวัตถุจะเท่ากันสำหรับวัตถุทั้งหมด และเท่ากับค่าการแผ่รังสี en,t ของวัตถุสีดำ ซึ่งเป็นฟังก์ชันของความถี่และอุณหภูมิเท่านั้น (เคียร์ชอฟฟ์ ฟังก์ชัน En,t = An,สิบ,t = 0)

การเปล่งรังสีอินทิกรัล (ความส่องสว่างที่มีพลัง) ของร่างกาย:

แสดงถึงความหนาแน่นของพลังงานพื้นผิวของการแผ่รังสีความร้อนของร่างกายเช่น พลังงานของการแผ่รังสีของความถี่ที่เป็นไปได้ทั้งหมดที่ปล่อยออกมาจากหน่วยพื้นผิวของร่างกายต่อหน่วยเวลา

การเปล่งรังสีอินทิกรัล eT ของวัตถุสีดำสนิท:

2. กฎแห่งการแผ่รังสีวัตถุดำ

กฎของการแผ่รังสีวัตถุดำกำหนดความถี่และอุณหภูมิของ eT และ e n,T

กฎหมาย Cmefan-Boltzmap:

ค่า σ คือค่าคงที่สเตฟาน-โบลต์ซมันน์สากล เท่ากับ 5.67 -10-8 W/m2*deg4

การกระจายพลังงานในสเปกตรัมการแผ่รังสีของวัตถุสีดำสนิท เช่น การขึ้นต่อกันของ en, T บนความถี่ที่อุณหภูมิต่างกัน มีรูปแบบดังแสดงในรูป:

กฎของไวน์:

โดยที่ c คือความเร็วแสงในสุญญากาศ และ f(v/T) คือฟังก์ชันสากลของอัตราส่วนความถี่ของการแผ่รังสีวัตถุสีดำต่ออุณหภูมิ

ความถี่การแผ่รังสี nmax ซึ่งสอดคล้องกับค่าสูงสุดของการแผ่รังสี en, T ของวัตถุสีดำสนิท ตามกฎของ Wien เท่ากับ

โดยที่ b1 เป็นค่าคงที่ขึ้นอยู่กับประเภทของฟังก์ชัน f(n/T)

กฎการกระจัดของบูนา: ความถี่ที่สอดคล้องกับค่าสูงสุดของการแผ่รังสี en, T ของวัตถุสีดำสนิทจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ของมัน

จากมุมมองที่มีพลัง การแผ่รังสีสีดำเทียบเท่ากับการแผ่รังสีของระบบของออสซิลเลเตอร์ฮาร์มอนิกที่ไม่โต้ตอบจำนวนมากจำนวนไม่สิ้นสุด เรียกว่าออสซิลเลเตอร์แบบแผ่รังสี ถ้า ε(ν) คือพลังงานเฉลี่ยของออสซิลเลเตอร์แบบแผ่รังสีที่มีความถี่ธรรมชาติ ν ดังนั้น

ν= และ

ตามกฎคลาสสิกว่าด้วยการกระจายพลังงานสม่ำเสมอเหนือระดับความเป็นอิสระ ε(ν) = kT โดยที่ k คือค่าคงที่ของ Boltzmann และ

ความสัมพันธ์นี้เรียกว่าสูตรเรย์ลีห์-ยีนส์ ในพื้นที่ที่มีความถี่สูง สิ่งนี้นำไปสู่ความแตกต่างอย่างมากกับการทดลองที่เรียกว่า "ภัยพิบัติอัลตราไวโอเลต: en, T จะเพิ่มขึ้นอย่างน่าเบื่อตามความถี่ที่เพิ่มขึ้น โดยไม่มีค่าสูงสุด และการเปล่งรังสีอินทิกรัลของวัตถุสีดำสนิทจะเปลี่ยนไปสู่ค่าอนันต์

สาเหตุของปัญหาข้างต้นที่เกิดขึ้นเมื่อค้นหารูปแบบของฟังก์ชัน Kirchhoff en,T มีความเกี่ยวข้องกับหลักการพื้นฐานของฟิสิกส์คลาสสิกประการหนึ่งตามที่พลังงานของระบบใด ๆ สามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างต่อเนื่องนั่นคือสามารถใช้เวลาใดก็ได้ ปิดค่าโดยพลการ

ตามทฤษฎีควอนตัมของพลังค์ พลังงานของออสซิลเลเตอร์การแผ่รังสีที่มีความถี่ธรรมชาติ v สามารถรับเฉพาะค่าที่ไม่ต่อเนื่อง (เชิงปริมาณ) บางอย่างเท่านั้น ซึ่งต่างกันด้วยจำนวนเต็มของส่วนเบื้องต้น - ควอนตัมพลังงาน:

h = b.625-10-34 j*sec - ค่าคงที่ของพลังค์ (ควอนตัมของการกระทำ) ด้วยเหตุนี้ การแผ่รังสีและการดูดซับพลังงานโดยอนุภาคของวัตถุที่แผ่รังสี (อะตอม โมเลกุล หรือไอออน) ที่แลกเปลี่ยนพลังงานกับออสซิลเลเตอร์การแผ่รังสีไม่ควรเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง แต่แยกกัน - ในส่วนที่แยกจากกัน (ควอนตัม)

ความพยายามที่จะอธิบาย:

คำนี้ถูกนำมาใช้โดย Gustav Kirchhoff ในปี 1862

การศึกษากฎของการแผ่รังสีวัตถุดำเป็นหนึ่งในข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการเกิดขึ้นของกลศาสตร์ควอนตัม ความพยายามที่จะอธิบายการแผ่รังสีของวัตถุสีดำสนิทตามหลักการคลาสสิกของอุณหพลศาสตร์และไฟฟ้าพลศาสตร์นำไปสู่กฎเรย์ลีห์-ยีนส์
ในทางปฏิบัติ กฎดังกล่าวหมายถึงความเป็นไปไม่ได้ที่สมดุลทางอุณหพลศาสตร์ระหว่างสสารกับการแผ่รังสี เนื่องจากตามหลักการแล้ว พลังงานความร้อนทั้งหมดจะต้องถูกแปลงเป็นพลังงานรังสีในบริเวณคลื่นสั้นของสเปกตรัม ปรากฏการณ์สมมุตินี้เรียกว่าภัยพิบัติอัลตราไวโอเลต
อย่างไรก็ตาม กฎรังสีเรย์ลี-ยีนส์ใช้ได้กับบริเวณคลื่นยาวของสเปกตรัมและอธิบายธรรมชาติของรังสีได้อย่างเพียงพอ ข้อเท็จจริงของการโต้ตอบดังกล่าวสามารถอธิบายได้โดยใช้วิธีการทางกลควอนตัมเท่านั้น ซึ่งการแผ่รังสีจะเกิดขึ้นอย่างไม่ต่อเนื่องกัน ตามกฎควอนตัม เราสามารถหาสูตรของพลังค์ได้ ซึ่งจะตรงกับสูตรเรย์ลีห์-ยีนส์
ความจริงเรื่องนี้เป็นตัวอย่างที่ดีเยี่ยมของหลักการโต้ตอบ ซึ่งทฤษฎีฟิสิกส์ใหม่ต้องอธิบายทุกสิ่งที่ทฤษฎีเก่าสามารถอธิบายได้

ความเข้มของการแผ่รังสีของวัตถุสีดำสนิท ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความถี่ ถูกกำหนดโดยกฎของพลังค์

พลังงานรวมของการแผ่รังสีความร้อนถูกกำหนดโดยกฎของสเตฟาน-โบลต์ซมันน์ ดังนั้น วัตถุสีดำสนิทที่ T = 100 K จะปล่อยพลังงาน 5.67 วัตต์จากพื้นผิวหนึ่งตารางเมตร ที่อุณหภูมิ 1,000 K พลังงานรังสีจะเพิ่มขึ้นเป็น 56.7 กิโลวัตต์ต่อตารางเมตร

ความยาวคลื่นซึ่งพลังงานรังสีของวัตถุสีดำสนิทนั้นสูงสุดจะถูกกำหนดโดยกฎการกระจัดของวินน์ ดังนั้น หากเราถือว่าเป็นการประมาณครั้งแรกว่าผิวหนังของมนุษย์มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับวัตถุสีดำสนิท ดังนั้นสเปกตรัมรังสีสูงสุดที่อุณหภูมิ 36°C (309 K) จะอยู่ที่ความยาวคลื่น 9400 นาโนเมตร (ใน บริเวณอินฟราเรดของสเปกตรัม)

การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่อยู่ในสมดุลทางอุณหพลศาสตร์กับวัตถุสีดำที่อุณหภูมิที่กำหนด (เช่น การแผ่รังสีภายในโพรงในวัตถุสีดำ) เรียกว่าการแผ่รังสีวัตถุสีดำ (หรือสมดุลความร้อน) การแผ่รังสีความร้อนที่สมดุลนั้นเป็นเนื้อเดียวกัน มีไอโซโทรปิกและไม่มีขั้ว ไม่มีการถ่ายโอนพลังงานในนั้น ลักษณะทั้งหมดของมันขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของตัวปล่อยวัตถุดำอย่างแน่นอนเท่านั้น (และเนื่องจากการแผ่รังสีของวัตถุสีดำอยู่ในสมดุลทางความร้อนกับวัตถุนี้ อุณหภูมินี้จึงสามารถทำได้ เป็นผลจากรังสี)

สิ่งที่เรียกว่าพื้นหลังไมโครเวฟคอสมิกหรือพื้นหลังไมโครเวฟคอสมิกนั้นมีคุณสมบัติใกล้เคียงกับรังสีวัตถุดำมาก ซึ่งเป็นรังสีที่เต็มจักรวาลด้วยอุณหภูมิประมาณ 3 เคลวิน

24) ทฤษฎีควอนตัมเบื้องต้นของรังสีสิ่งสำคัญที่นี่ (โดยย่อ): 1) การแผ่รังสีเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงของระบบควอนตัมจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่งด้วยพลังงานที่ต่ำกว่า 2) การแผ่รังสีไม่ได้เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง แต่เกิดขึ้นในส่วนของพลังงาน - ควอนตัม 3) พลังงานของควอนตัมเท่ากับส่วนต่างของระดับพลังงาน 4) ความถี่ของการแผ่รังสีถูกกำหนดโดยสูตรที่รู้จักกันดี E=hf 5) ควอนตัมของรังสี (โฟตอน) แสดงคุณสมบัติของทั้งอนุภาคและคลื่น รายละเอียด:ไอน์สไตน์ใช้ทฤษฎีรังสีควอนตัมเพื่อตีความปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริค ทฤษฎีควอนตัมของการแผ่รังสีทำให้สามารถยืนยันทฤษฎีของไอน์สไตน์ได้ ทฤษฎีควอนตัมของการแผ่รังสี (โดยคำนึงถึงสมมติฐานบางประการเกี่ยวกับการฟื้นฟู) ค่อนข้างอธิบายปฏิสัมพันธ์ของการแผ่รังสีกับสสารได้ค่อนข้างสมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม เป็นเรื่องที่น่าดึงดูดใจที่จะโต้แย้งว่ารากฐานแนวคิดของทฤษฎีรังสีควอนตัมและแนวคิดของโฟตอนนั้นถูกมองได้ดีที่สุดผ่านสนามคลาสสิกและความผันผวนที่เกี่ยวข้องกับสุญญากาศ อย่างไรก็ตาม ความก้าวหน้าในทัศนศาสตร์ควอนตัมได้ก่อให้เกิดข้อโต้แย้งใหม่ๆ ในเรื่องการหาปริมาณของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า และด้วยเหตุนี้จึงมีความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับแก่นแท้ของโฟตอน ทฤษฎีควอนตัมของการปล่อยแสงใช้ข้อเท็จจริงที่ว่าพลังงานของปฏิสัมพันธ์ระหว่างสสาร (อะตอม โมเลกุล คริสตัล) และสนามแม่เหล็กไฟฟ้ามีขนาดเล็กมาก สิ่งนี้ช่วยให้เราสามารถพิจารณาสนามและสสารได้อย่างอิสระจากกันในการประมาณค่าเป็นศูนย์ และพูดคุยเกี่ยวกับโฟตอนและสถานะคงที่ของสสาร เมื่อคำนึงถึงพลังงานอันตรกิริยาในการประมาณครั้งแรกเผยให้เห็นความเป็นไปได้ที่สารจะเปลี่ยนจากสถานะนิ่งหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่ง การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เกิดขึ้นพร้อมกับการปรากฏหรือการหายไปของโฟตอนหนึ่ง ดังนั้น จึงแสดงถึงการกระทำเบื้องต้นที่ประกอบขึ้นเป็นกระบวนการปล่อยและการดูดกลืนแสงตามสสาร ตามทฤษฎีควอนตัมของการแผ่รังสีกระบวนการเบื้องต้นของโฟโตลูมิเนสเซนซ์ควรได้รับการพิจารณาว่าประกอบด้วยการกระตุ้นทางอิเล็กทรอนิกส์ของโมเลกุลของสารเรืองแสงโดยโฟตอนที่ถูกดูดซับและการปล่อยโมเลกุลที่ตามมาในระหว่างการเปลี่ยนจากสถานะที่ตื่นเต้นไปเป็นสภาวะปกติ . ตามที่การศึกษาเชิงทดลองแสดงให้เห็น กระบวนการเบื้องต้นของโฟโตลูมิเนสเซนซ์ไม่ได้เกิดขึ้นภายในศูนย์กลางการเปล่งแสงแห่งเดียวเสมอไป ในการสร้างทฤษฎีควอนตัมของการแผ่รังสีจำเป็นต้องคำนึงถึงปฏิสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนกับสนามโฟตอนที่เป็นปริมาณที่สอง
การพัฒนาทฤษฎีควอนตัมของการแผ่รังสีของประจุที่เคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของคลื่นระนาบเริ่มต้นด้วยผลงานอันโด่งดังของไคลน์และนิชินะซึ่งมีการพิจารณาการกระเจิงของโฟตอนโดยอิเล็กตรอนที่อยู่นิ่ง พลังค์หยิบยกทฤษฎีควอนตัมของการแผ่รังสีตามที่พลังงานถูกปล่อยออกมาและดูดซับไม่ต่อเนื่อง แต่ในบางส่วน - ควอนตัมเรียกว่าโฟตอน ดังนั้นทฤษฎีควอนตัมของการแผ่รังสีไม่เพียงแต่นำไปสู่ข้อสรุปตามทฤษฎีคลื่นเท่านั้น แต่ยังเสริมด้วยการทำนายใหม่ ซึ่งพบการยืนยันการทดลองที่ยอดเยี่ยม แพ็กเก็ตคลื่นที่มีความไม่แน่นอนน้อยที่สุดในช่วงเวลาต่างๆ กันในสนามศักย์ของฮาร์มอนิกออสซิลเลเตอร์ (ก. สนามไฟฟ้าที่สอดคล้องกัน (ข. ด้วยการพัฒนาทฤษฎีควอนตัมของการแผ่รังสีและการกำเนิดของเลเซอร์ สนามระบุว่าส่วนใหญ่ อธิบายสนามแม่เหล็กไฟฟ้าแบบคลาสสิกอย่างใกล้ชิดในระดับสูง นับตั้งแต่เวลากำเนิดของทฤษฎีควอนตัมของการแผ่รังสีวัตถุสีดำ คำถามที่ว่าสมการพลังค์และสเตฟาน-โบลต์ซมันน์อธิบายความหนาแน่นของพลังงานภายในโพรงจริงที่มีขอบเขตจำกัดได้ดีเพียงใด ผนังสะท้อนแสงเป็นประเด็นที่มีการถกเถียงกันซ้ำแล้วซ้ำเล่า ส่วนใหญ่เกิดขึ้นในสองทศวรรษแรกของศตวรรษนี้ แต่คำถามยังคงอยู่ยังไม่ปิดสนิท และในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ความสนใจในเรื่องนี้และปัญหาอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องก็ฟื้นขึ้นมาอีกครั้ง สาเหตุหนึ่งที่ทำให้ความสนใจในวิชาฟิสิกส์สมัยใหม่ที่เก่าแก่ที่สุดนี้กลับคืนมาคือการพัฒนาทัศนศาสตร์ควอนตัม ทฤษฎีการเชื่อมโยงกันบางส่วน และการประยุกต์ในการศึกษาคุณสมบัติทางสถิติของรังสี ความเข้าใจกระบวนการแลกเปลี่ยนความร้อนโดยการแผ่รังสีระหว่างวัตถุใกล้เคียงที่อุณหภูมิต่ำไม่เพียงพอและปัญหามาตรฐานของรังสีอินฟราเรดไกลซึ่งความยาวคลื่นถือว่าน้อยไม่ได้ รวมถึงปัญหาทางทฤษฎีหลายประการที่เกี่ยวข้องกับกลศาสตร์ทางสถิติของไฟไนต์ ระบบ นอกจากนี้เขายังแสดงให้เห็นว่า ภายใต้ขีดจำกัดของปริมาณมากหรืออุณหภูมิสูง หมายเลขกางเกงยีนส์ใช้ได้กับช่องทุกรูปทรง ต่อมา ตามผลงานของไวล์ จึงได้ค่าประมาณเชิงเส้นกำกับ โดยที่ D0 (v) เป็นเพียงเทอมแรกของอนุกรม ผลรวมทั้งหมดที่ D (v) คือความหนาแน่นของโหมดเฉลี่ย คลื่นไปวรอย - โกสยาในวงโคจรเป็นวงกลม จำเป็นที่ผลรวมที่เกี่ยวข้องกับไฟฟ้า - ความยาววิถีโคจรมารียา Znr จะเป็นจำนวนทวีคูณในสมมติฐานความเป็นวงกลม จี วงโคจร คลื่นต่างจากความยาวคลื่นของอิเล็กตรอน มิฉะนั้นจะมีการรบกวน - ในกรณีนี้คลื่นจะถูกทำลายเนื่องจากไอออน ไขมัน - การรบกวนจะปรากฏขึ้น (9. เงื่อนไขที่มีบรรทัดสำคัญ การก่อตัวของวงโคจรที่มั่นคงในรัศมี g โดยการเปรียบเทียบกับทฤษฎีควอนตัมของการแผ่รังสี เดอ บรอกลีเสนอในปี 1924 ว่าอิเล็กตรอนและอนุภาควัสดุใดๆ โดยทั่วไปมีคุณสมบัติทั้งของคลื่นและกล้ามเนื้อในเวลาเดียวกัน จากข้อมูลของ de Broglie อนุภาคเคลื่อนที่ที่มีมวล m และความเร็ว v สอดคล้องกับความยาวคลื่น K h / mv โดยที่ h คือค่าคงที่ของพลังค์ ตามทฤษฎีควอนตัมของการแผ่รังสี พลังงานของตัวปล่อยมูลฐานสามารถเปลี่ยนแปลงได้เฉพาะในการกระโดดที่ทวีคูณของค่าที่แน่นอนซึ่งคงที่สำหรับความถี่การแผ่รังสีที่กำหนด ส่วนพลังงานขั้นต่ำเรียกว่าควอนตัมพลังงาน ข้อตกลงที่ยอดเยี่ยมระหว่างทฤษฎีควอนตัมเต็มรูปแบบของการแผ่รังสีกับสสารและการทดลอง ซึ่งทำได้โดยใช้แลมบ์ชิฟต์เป็นตัวอย่าง ทำให้เกิดข้อโต้แย้งที่ชัดเจนในการสนับสนุนการหาปริมาณของสนามรังสี อย่างไรก็ตาม การคำนวณอย่างละเอียดของ Lamb Shift จะทำให้เราไปไกลจากทิศทางหลักของทัศนศาสตร์ควอนตัม การเปลี่ยนผ่านของ Mössbauer สะดวกที่สุดในการทดลอง ข้อมูลเหล่านี้ยืนยันข้อสรุปของทฤษฎีควอนตัมของการแผ่รังสีสำหรับช่วงแกมมา
หลังจากนำเสนอเหตุผลสั้นๆ สำหรับทฤษฎีควอนตัมของการแผ่รังสีแล้ว ให้เรามาดูการหาปริมาณของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าอิสระกันดีกว่า มวลที่เหลือของโฟตอนในทฤษฎีควอนตัมของการแผ่รังสีถือว่ามีค่าเท่ากับศูนย์ อย่างไรก็ตาม นี่เป็นเพียงสมมติฐานของทฤษฎีเท่านั้น เนื่องจากไม่มีการทดลองทางกายภาพจริงใดที่สามารถยืนยันเรื่องนี้ได้ ให้เราพิจารณาบทบัญญัติหลักของทฤษฎีควอนตัมเกี่ยวกับการแผ่รังสีโดยย่อ หากเราต้องการเข้าใจการทำงานของตัวแยกลำแสงและคุณสมบัติควอนตัมของมันตามทฤษฎีการแผ่รังสีควอนตัม เราต้องปฏิบัติตามสูตรข้างต้น: ค้นหาโหมดลักษณะเฉพาะก่อน แล้วจึงหาปริมาณ ตามที่อธิบายไว้ในบทที่แล้ว แต่ในกรณีของเรามีเงื่อนไขขอบเขตที่กำหนดโหมดเหล่านี้อย่างไร? ประการแรก มีความจำเป็นต้องขยายทฤษฎีควอนตัมของการแผ่รังสีเพื่อพิจารณาผลกระทบสุ่มที่ไม่ใช่ควอนตัม เช่น ความผันผวนของความร้อน นี่เป็นองค์ประกอบสำคัญของทฤษฎีการเชื่อมโยงกันบางส่วน นอกจากนี้ การแจกแจงดังกล่าวยังแสดงให้เห็นความเชื่อมโยงระหว่างทฤษฎีคลาสสิกและทฤษฎีควอนตัมอย่างชัดเจน หนังสือเล่มนี้เป็นคู่มือการเรียนรายวิชาทฤษฎีควอนตัมแห่งรังสีและไฟฟ้าพลศาสตร์ควอนตัม หลักการสร้างหนังสือ: การนำเสนอพื้นฐานของหลักสูตรใช้ส่วนเล็ก ๆ ของเนื้อหาเนื้อหาข้อเท็จจริงส่วนใหญ่นำเสนอในรูปแบบของปัญหาพร้อมวิธีแก้ไขเครื่องมือทางคณิตศาสตร์ที่จำเป็นมีให้ในภาคผนวก ความสนใจทั้งหมดมุ่งเน้นไปที่ธรรมชาติที่ไม่สัมพันธ์กันของการเปลี่ยนผ่านของการแผ่รังสีในระบบอะตอม ทฤษฎีควอนตัมเบื้องต้นของการแผ่รังสีวัตถุดำไม่สามารถระบุ AnJBnm ในสูตรทางทฤษฎีได้ (11.32) ไอน์สไตน์แสดงให้เห็นก่อนที่จะมีการพัฒนาทฤษฎีควอนตัมของการแผ่รังสีด้วยซ้ำว่าความสมดุลทางสถิติระหว่างการแผ่รังสีและสสารนั้นเป็นไปได้เฉพาะในกรณีที่พร้อมกับการแผ่รังสีที่ถูกกระตุ้นซึ่งแปรผันตามความหนาแน่นของรังสี มีการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเองซึ่งเกิดขึ้นในกรณีที่ไม่มีอยู่ ของรังสีภายนอก การปล่อยก๊าซธรรมชาติมีสาเหตุมาจากปฏิสัมพันธ์ของระบบอะตอมที่มีการแกว่งของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นศูนย์ ไอน์สไตน์แสดงให้เห็นก่อนที่จะมีการพัฒนาทฤษฎีควอนตัมของการแผ่รังสีด้วยซ้ำว่าความสมดุลทางสถิติระหว่างการแผ่รังสีและสสารนั้นเป็นไปได้เฉพาะในกรณีที่พร้อมกับการแผ่รังสีที่ถูกกระตุ้นซึ่งแปรผันตามความหนาแน่นของรังสี มีการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเองซึ่งเกิดขึ้นในกรณีที่ไม่มีอยู่ ของรังสีภายนอก การปล่อยก๊าซธรรมชาติมีสาเหตุมาจากปฏิสัมพันธ์ของระบบอะตอมที่มีการแกว่งของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นศูนย์ ตามทฤษฎีควอนตัมของการแผ่รังสี สตาร์คและไอน์สไตน์ได้กำหนดกฎข้อที่สองของโฟโตเคมีเมื่อต้นศตวรรษที่ 20: แต่ละโมเลกุลที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาโฟโตเคมีคอลจะดูดซับรังสีหนึ่งควอนตัมซึ่งเป็นสาเหตุของปฏิกิริยา อย่างหลังนี้เกิดจากความน่าจะเป็นที่ต่ำมากที่จะดูดซับควอนตัมอีกครั้งโดยโมเลกุลที่ถูกกระตุ้น เนื่องจากความเข้มข้นในสารต่ำ การแสดงออกของสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงนั้นได้มาจากทฤษฎีควอนตัมของรังสี สำหรับบริเวณไมโครเวฟ มันแสดงถึงฟังก์ชันที่ซับซ้อน ขึ้นอยู่กับกำลังสองของความถี่ทรานซิชัน รูปร่างเส้น อุณหภูมิ จำนวนโมเลกุลที่ระดับพลังงานต่ำกว่า และกำลังสองขององค์ประกอบเมทริกซ์ของโมเมนต์ไดโพลทรานซิชัน

25 ทฤษฎีรังสีและกำเนิดแสงของไอน์สไตน์

ไอน์สไตน์เริ่มต้นด้วยการพิจารณาความยากลำบากในทฤษฎีการแผ่รังสีวัตถุดำ หากเราจินตนาการว่าออสซิลเลเตอร์แม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งเป็นโมเลกุลของร่างกายปฏิบัติตามกฎสถิติคลาสสิกของ Maxwell - Boltzmann โดยเฉลี่ยแล้วออสซิลเลเตอร์แต่ละตัวจะมีพลังงานโดยเฉลี่ย:

โดยที่ R คือค่าคงที่ของ Clapeyron, N คือตัวเลขของ Avogadro การใช้ความสัมพันธ์ของพลังค์ระหว่างพลังงานเฉลี่ยของออสซิลเลเตอร์กับความหนาแน่นของพลังงานเชิงปริมาตรซึ่งอยู่ในภาวะสมดุลในการแผ่รังสี:

โดยที่ Eν คือพลังงานเฉลี่ยของออสซิลเลเตอร์ของความถี่ v, L คือความเร็วของแสง, ρ คือความหนาแน่นของพลังงานการแผ่รังสีตามปริมาตร, Einstein เขียนความเท่าเทียมกัน:

จากนั้นเขาพบความหนาแน่นของพลังงานตามปริมาตร:

ไอน์สไตน์เขียนว่า “ความสัมพันธ์นี้พบภายใต้สภาวะสมดุลไดนามิก ไม่เพียงแต่ขัดแย้งกับประสบการณ์เท่านั้น แต่ยังระบุด้วยว่าในภาพของเรา ไม่ต้องสงสัยเลยว่าการกระจายพลังงานอย่างคลุมเครือระหว่างอีเทอร์กับสสาร” ในความเป็นจริง พลังงานรังสีทั้งหมดกลายเป็นอนันต์:

ในปีเดียวกันนั้นคือ พ.ศ. 2448 เรย์ลีห์และเจเน็ตได้ข้อสรุปที่คล้ายกันโดยแยกจากกัน สถิติคลาสสิกนำไปสู่กฎแห่งรังสีซึ่งตรงกันข้ามกับประสบการณ์อย่างมาก ความยากลำบากนี้เรียกว่า “ภัยพิบัติอัลตราไวโอเลต”

ไอน์สไตน์ชี้ให้เห็นว่าสูตรของพลังค์:

สำหรับความยาวคลื่นยาวและความหนาแน่นของการแผ่รังสีสูงจะเปลี่ยนเป็นสูตรที่เขาค้นพบ:

ไอน์สไตน์เน้นย้ำว่าค่าของจำนวนอาโวกาโดรเกิดขึ้นพร้อมกับค่าที่ค้นพบโดยวิธีอื่น เมื่อหันไปใช้กฎของ Wien ซึ่งสมเหตุสมผลสำหรับค่าขนาดใหญ่ที่ ν/T ไอน์สไตน์ได้นิพจน์สำหรับเอนโทรปีของรังสี:

“ความเท่าเทียมกันนี้แสดงให้เห็นว่าเอนโทรปีของการแผ่รังสีเอกรงค์เดียวที่มีความหนาแน่นต่ำเพียงพอนั้นขึ้นอยู่กับปริมาตรในลักษณะเดียวกับเอนโทรปีของก๊าซในอุดมคติหรือสารละลายเจือจาง”

เขียนนิพจน์นี้ใหม่เป็น:

และเปรียบเทียบกับกฎของ Boltzmann:

S-S0= (R/N) lnW,

ไอน์สไตน์พบนิพจน์สำหรับความน่าจะเป็นที่พลังงานรังสีในปริมาตร V0 จะมีความเข้มข้นในส่วนของปริมาตร V:

ตัวเลือกการสร้างแสงสามแบบ

โดยพื้นฐานแล้วการสร้างแสงมีสามวิธี: การแผ่รังสีความร้อน การปล่อยก๊าซความดันสูงและต่ำ

· การแผ่รังสีความร้อน - การแผ่รังสีของลวดความร้อนจนถึงอุณหภูมิสูงสุดระหว่างการผ่านของกระแสไฟฟ้า ตัวอย่างคือดวงอาทิตย์ที่มีอุณหภูมิพื้นผิว 6,000 K องค์ประกอบที่เหมาะสมที่สุดสำหรับสิ่งนี้คือทังสเตนซึ่งมีจุดหลอมเหลวสูงที่สุดในบรรดาโลหะ (3683 K)

ตัวอย่าง: หลอดไส้และหลอดฮาโลเจนทำงานเนื่องจากการแผ่รังสีความร้อน

· การปล่อยส่วนโค้งของก๊าซจะปรากฏในภาชนะแก้วปิดซึ่งเต็มไปด้วยก๊าซเฉื่อย ไอระเหยของโลหะ และธาตุหายากเมื่อใช้แรงดันไฟฟ้า การเรืองแสงที่เกิดขึ้นของสารตัวเติมที่เป็นก๊าซทำให้ได้สีแสงที่ต้องการ

ตัวอย่าง: หลอดปรอท เมทัลฮาไลด์ และโซเดียมทำงานโดยใช้การปล่อยอาร์คก๊าซ

· กระบวนการเรืองแสง ภายใต้อิทธิพลของการปล่อยกระแสไฟฟ้า ไอปรอทที่ถูกสูบเข้าไปในหลอดแก้วจะเริ่มปล่อยรังสีอัลตราไวโอเลตที่มองไม่เห็น ซึ่งเมื่อพวกมันกระทบกับฟอสเฟอร์ที่ใช้กับพื้นผิวด้านในของแก้ว จะถูกแปลงเป็นแสงที่มองเห็นได้

ตัวอย่าง: เนื่องจากกระบวนการฟลูออเรสเซนต์ หลอดฟลูออเรสเซนต์และหลอดคอมแพคฟลูออเรสเซนต์จึงใช้งานได้

26) การวิเคราะห์สเปกตรัม - ชุดวิธีการกำหนดองค์ประกอบและองค์ประกอบโมเลกุลและโครงสร้างของสารจากสเปกตรัม ด้วยความช่วยเหลือของเอส<а. определяют как осн. компоненты, составляющие 50- 60% вещества анализируемыхобъектов, так и незначит. примеси в них (до и менее). С. а. - наиб. распространённый аналитич. метод, св. 20- 30% всеханализов выполняется с помощью этого метода, в т. ч. контроль состава сплавовв металлургии, автомоб. и авиац. пром-сти, технологии переработки руд, <анализ экологич. объектов и материалов высокой чистоты, хим., биол. и мед. <исследования. Особо важное значение С. а. имеет при поисках полезных ископаемых.

พื้นฐานของ S. a. คือสเปกโทรสโกปีของอะตอมและโมเลกุล โดยจำแนกตามวัตถุประสงค์ของการวิเคราะห์และประเภทของสเปกตรัม ในอะตอม S.a. (ASA) กำหนดองค์ประกอบองค์ประกอบของตัวอย่างจากสเปกตรัมการปล่อยและการดูดกลืนแสงของอะตอม (ไอออน) ในโมเลกุล S.a. (MSA) - องค์ประกอบโมเลกุลของสารตามสเปกตรัมโมเลกุลของการดูดกลืน การเปล่งแสง การสะท้อน การเรืองแสง และการกระเจิงของแสงแบบรามัน การปล่อยก๊าซเรือนกระจก ดำเนินการโดยใช้สเปกตรัมการปล่อยก๊าซของอะตอม ไอออน และโมเลกุลที่ถูกกระตุ้น การดูดซึม S.a. ดำเนินการตามสเปกตรัมการดูดกลืนแสงของวัตถุที่วิเคราะห์ ใน S.a. มักจะรวมหลาย ๆ อย่างเข้าด้วยกัน<спектральных методов, а также применяют др. аналитич. методы, что расширяетвозможности анализа. Для получения спектров используют разл. типы спектральныхприборов в зависимости от целей и условий анализа. Обработка эксперим. <данных может производиться на ЭВМ, встроенных в спектральный прибор. การวิเคราะห์สเปกตรัมอะตอมมีสองอันหลัก ตัวแปรของอะตอม C ก. - การปล่อยอะตอมมิก (AESA) และการดูดซับของอะตอม (AAA) การวิเคราะห์สเปกตรัมการปล่อยอะตอมขึ้นอยู่กับการพึ่งพา 1 =f(c) ของเส้นสเปกตรัมความเข้ม 1 ของการปล่อย (การปล่อย) ขององค์ประกอบที่ถูกกำหนด x ตามความเข้มข้นในวัตถุที่วิเคราะห์: โดยที่ความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนผ่านควอนตัมจากสถานะ q เป็นสถานะ p,n q คือความเข้มข้นของอะตอมที่อยู่ในสถานะ q ในแหล่งกำเนิดรังสี (สารภายใต้การศึกษา) คือความถี่ของการเปลี่ยนผ่านควอนตัม หากสมดุลทางอุณหพลศาสตร์เฉพาะที่พอใจในโซนรังสี ความเข้มข้นของอิเล็กตรอนจะเท่ากับ n e 14 -10 15 และการกระจายความเร็วของพวกมันคือ Maxwellian<то โดยที่ n a คือความเข้มข้นของอะตอมที่ไม่ถูกกระตุ้นขององค์ประกอบที่กำหนดในพื้นที่การแผ่รังสี g q คือน้ำหนักทางสถิติของสถานะ q, Z คือผลรวมทางสถิติสำหรับสถานะ q และ พลังงานกระตุ้นระดับ q ดังนั้นความเข้มข้นที่ต้องการ n a จึงเป็นฟังก์ชันอุณหภูมิที่ไม่สามารถควบคุมได้อย่างเข้มงวดในทางปฏิบัติ ดังนั้นจึงมักจะวัดความเข้มข้นของการวิเคราะห์ เส้นสัมพันธ์กับภายในบางส่วน<стандарта, присутствующего в анализируемом объекте в известной концентрацииn ст. Если стандартная линия близка к аналитической, то (K - постоянная величина). Эта зависимость используется в С. а. в тех случаях, <когда отсутствует самообращение используемых линий.

ใน AESA ส่วนใหญ่จะใช้งาน เครื่องมือสเปกตรัมพร้อมการบันทึกภาพ (สเปกโตรกราฟ) และโฟโตอิเล็กทริก การลงทะเบียน (ควอนโตมิเตอร์) การแผ่รังสีของตัวอย่างที่อยู่ระหว่างการศึกษามุ่งตรงไปที่ช่องทางเข้าของอุปกรณ์โดยใช้ระบบเลนส์ กระทบกับอุปกรณ์กระจายตัว (ปริซึมหรือตะแกรงเลี้ยวเบน) และหลังจากโมโนโครมาไรเซชัน จะถูกโฟกัสโดยระบบเลนส์ในระนาบโฟกัส โดยที่ แผ่นถ่ายภาพหรือระบบช่องเอาท์พุต (ควอนโตมิเตอร์) ตั้งอยู่ด้านหลังซึ่งมีการติดตั้งโฟโตเซลล์หรือโฟโตมัลติพลายเออร์ เมื่อถ่ายภาพ ความเข้มของเส้นจะถูกกำหนดโดยความหนาแน่นของการทำให้ดำคล้ำ S ซึ่งวัดด้วยไมโครโฟโตมิเตอร์ โดยที่ p คือสิ่งที่เรียกว่า ค่าคงที่ Schwarzschild - ปัจจัยความคมชัด; เสื้อ - เวลาเปิดรับแสง ใน AESA สารที่อยู่ระหว่างการศึกษาจะต้องอยู่ในสถานะของแก๊สอะตอมมิก<Обычно атомизация и возбуждение атомов осуществляются одновременно - висточниках света. Для анализа металлов, сплавов и др. проводников чащевсего используют дуговой разряд или искровой разряд,гдев качестве электродов служат сами анализируемые пробы. Дуговой разряд применяетсяи для анализа непроводящих веществ. В этом случае порошкообразную пробупомещают в углубление в графитовом электроде (метод испарения) или с помощьюразл. устройств вводят порошок в плазму дугового разряда между горизонтальнорасположенными графитовыми электродами. Применяется также введение порошкообразныхпроб в дуговые плазмотроны. При АЭСА растворов в качестве источников возбуждающего света применяютпламя горючих газов (смеси ацетилен - кислород, ацетилен - закись азотаи др.). В качестве источников света начали использовать также безэлектродныйразряд и особенно индуктивносвязанную плазму. Во всех случаях растворв виде аэрозоля потоком аргона вводят в зону возбуждения спектра (темп-ра2500-3000 К в пламенах и 6000- 10000 К в плазме разряда), где происходитвысушивание, испарение и атомизация аэрозоля. Процесс атомизации в методах АЭСА обычно носит термич. характер, чтопозволяет сделать нек-рые обобщения. В реальных условиях, учитывающих кинетикупроцесса, для частиц, находящихся в зоне с темп-рой ТT кип (T кип - темп-pa кипения), зависимость кол-ва испарившихсячастиц от времени описывается ур-нием: โดยที่ r คือรัศมีของอนุภาค D คือสัมประสิทธิ์ การแพร่กระจาย - แรงตึงผิวของสารละลาย, p - ความดันไออิ่มตัว, M - โมล มวล - ความหนาแน่น เมื่อใช้สมการนี้ คุณจะสามารถหาปริมาณของสารที่ระเหยในช่วงเวลา t ได้

หากโมเลกุลประกอบด้วยองค์ประกอบ n 1 และ n 2 ระดับของการทำให้เป็นละอองสามารถคำนวณได้โดยใช้สมการ: โดยที่ M 1 และ M 2 อยู่ที่ มวลขององค์ประกอบ n 1 และ n 2; Z 1 และ Z 2 - เชิงสถิติ<суммы по состояниям этих элементов, M МОЛ - мол. массаатомизирующейся молекулы, Z 3 - статистич. сумма по еёсостояниям, -энергия диссоциации молекулы. Такого типа расчёты позволяют найти концентрациюатомов определяемого элемента п а в ур-нии (2) и определитьеё связь с интенсивностью аналитич. линии. Необходимость учитывать взаимодействиеопределяемого элемента с окружающей средой, др. компонентами анализируемоговещества, ионизацию атомов определяемого элемента и др. эффекты значительноусложняет картину испарения и атомизации исследуемого вещества. С цельюоблегчения С. а. создаются спец. программы расчёта на ЭВМ достаточно сложныхреакций в газовой и конденсированных фазах при заданных темп-ре идавлении. В источниках излучения чаще всего не соблюдается термодинамич. равновесие, <поэтому эти расчёты могут использоваться лишь при выборе оптим. условийанализа. В АЭСА применяют эмпирич. метод, заключающийся в эксперим. построениианалитич. ф-ции с помощью серии стандартных образцов анализируемого материала с заранееточно известными содержаниями определяемого элемента. Такие образцы либоизготовляют специально, либо заранее в неск. образцах устанавливают концентрациюэтого элемента точными методами. Измеряя затем аналитич. сигнал , находят содержание определяемого элемента в пробе. Структура и физ.-хим. свойства анализируемого и стандартного объектовмогут оказаться неадекватными (различны, напр., условия парообразованиястепени атомизации, условий возбуждения). Эти различия приходится учитыватьпри С. а. В таких случаях используют метод факторного статистич. планированияэксперимента. В результате экспериментов получают т. н. ур-ния регрессии, <учитывающие влияние на интенсивность аналитич. линий концентраций всехэлементов, составляющих пробу, и устанавливают концентрацию анализируемогоэлемента с помощью этих ур-ний. Совр. многоканальные квантометры позволяютодновременно измерять интенсивность большого числа спектральных линий. <На основе этих эксперим. данных с помощью ЭВМ можно решать довольно сложныеслучаи анализа, однако за счёт измерения неск. линий случайная погрешностьопределения С. возрастает. Атомно-абсорбционный анализ (ААА) основан на зависимости аналитич. сигнала(абсорбционности) (где - интенсивности падающего и прошедшего сквозь образец света) от концентрации(Бугера- Ламберта - Берa закон): где k v - коэф. поглощения на частоте v, l - эфф. <длина светового пути в области поглощения, п - концентрация атомованализируемого элемента в парах. Схема установки ААА включает: независимый источник излучения света счастотой v, равной частоте аналитич. линии определяемого элемента; атомизатор, <преобразующий пробу в атомарный пар; спектрофотометр. Свет, прошедший сквозьатомный пар, системой линз направляется на входную щель спектрофотометра, <интенсивность аналитич. спектральной линии на выходе регистрируется фотоэлектрич. методом. Поскольку естественнаяширина спектральной линии, постоянна, зависит только от времени жизнивозбуждённого состояния и обычно пренебрежимо мала, разница контуров линиииспускания и поглощения определяется в осн. допплеровским и лоренцевским уширениями: (โดยที่ p คือความดัน, c คือความเร็วแสง, m คืออะตอม, M คือน้ำหนักโมเลกุล, คือค่าตัดขวางที่มีประสิทธิภาพของการชนที่นำไปสู่การขยายกว้างขึ้น, K คือค่าคงที่)T. ดังนั้น ความกว้างของรูปทรงของเส้นดูดกลืนและการปล่อยก๊าซอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับความดัน อุณหภูมิ และองค์ประกอบของเฟสก๊าซในแหล่งกำเนิดรังสีและในเซลล์ดูดซับ ซึ่งจะส่งผลต่อลักษณะที่ปรากฏของฟังก์ชันและอาจนำไปสู่ ความคลุมเครือในผลลัพธ์ของ SA ในระดับหนึ่ง สามารถกำจัดสิ่งนี้ได้โดยใช้เทคนิคที่ค่อนข้างซับซ้อน ในวิธีวอลช์ จะใช้หลอดแคโทดกลวง (HCL) ซึ่งปล่อยเส้นสเปกตรัมที่แคบกว่าเส้นดูดกลืนของอะตอมขององค์ประกอบที่ถูกกำหนดในเซลล์ดูดซับแบบธรรมดามาก เป็นผลให้การพึ่งพาในช่วงค่า A (0 -0.3) ที่ค่อนข้างกว้างกลายเป็นฟังก์ชันเชิงเส้นอย่างง่าย ในฐานะที่เป็นอะตอมไมเซอร์ใน AAA จะใช้การสลายตัว เปลวไฟขึ้นอยู่กับส่วนผสมของไฮโดรเจน - ออกซิเจน อะเซทิลีน - อากาศ อะเซทิลีน - ไนตรัสออกไซด์ ฯลฯ วิเคราะห์ละอองของสารละลายตัวอย่างที่ถูกเป่าเข้าไปในเปลวไฟที่กำลังลุกไหม้ ความเข้มและ I 0 ของแสงที่ผ่านเปลวไฟระหว่างการจ่ายละอองลอยและเมื่อไม่มีการจ่ายละอองจะถูกวัดตามลำดับ ในความทันสมัย อุปกรณ์การวัดเป็นแบบอัตโนมัติ ในบางกรณี กระบวนการระเหยและการทำให้เป็นอะตอมของตัวอย่างไม่เกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์ในเฟสก๊าซเนื่องจากอุณหภูมิเปลวไฟต่ำ (T ~ 3000 K) กระบวนการระเหยของอนุภาคละอองลอยและระดับการทำให้เป็นละอองของเปลวไฟยังขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของเปลวไฟ (อัตราส่วนของตัวออกซิไดเซอร์ที่ติดไฟได้) รวมถึงองค์ประกอบของสารละลายละอองลอยด้วย ความสามารถในการทำซ้ำเชิงวิเคราะห์ที่ดี สัญญาณ (ในกรณีที่ดีที่สุด S r คือ 0.01-0.02) สามารถรับสัญญาณได้โดยใช้ LPC เป็นแหล่งการแผ่รังสีซึ่งมีความเสถียรสูง และโดยการดำเนินการกระบวนการระเหยและการทำให้เป็นอะตอมในเปลวไฟ

27) ความกว้างของการปล่อยก๊าซธรรมชาติ เส้นดอปเปลอร์ขยายตัวในตัวกลางที่เป็นก๊าซ. ความกว้างของเส้นสเปกตรัมธรรมชาติ-ความกว้างของเส้นสเปกตรัมเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงควอนตัมที่เกิดขึ้นเองของระบบควอนตัมที่แยกได้ (อะตอม โมเลกุล นิวเคลียส ฯลฯ) อีช. กับ. ล. เรียกว่า รังสีด้วย ความกว้าง. ตามหลักความไม่แน่นอนระดับความตื่นเต้น ฉันพลังงานของระบบควอนตัมที่มีอายุการใช้งานจำกัด t ฉันเป็นแบบกึ่งแยกและมีความกว้างจำกัด (เล็ก) (ดูความกว้างของระดับ) พลังงานของระดับที่ตื่นเต้นเท่ากับ - ความน่าจะเป็นรวมของการเปลี่ยนควอนตัมที่เกิดขึ้นเองทั้งหมดจากระดับ ฉัน (เอ ik- ความน่าจะเป็นที่จะเคลื่อนไปสู่ระดับหนึ่ง เค;ดูค่าสัมประสิทธิ์ของไอน์สไตน์) ถ้าระดับพลังงาน j ซึ่งระบบควอนตัมไปถึงนั้นตื่นเต้นเช่นกัน ดังนั้น E. sh กับ. ล. เท่ากับ (ช ฉัน+จี เจ- ความน่าจะเป็น ดว.จรังสีโฟตอนในช่วงความถี่ ง w ในระหว่างการเปลี่ยนผ่าน i-j ถูกกำหนดโดย f-loy: สำหรับเส้นเรโซแนนซ์ของอะตอมและไอออน E. sh กับ. ล. เท่ากับ: ที่ไหน ฉ- ความแรงของทรานซิชันออสซิลเลเตอร์ ฉัน-เจมันมีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับความถี่การเปลี่ยนผ่าน w ฉัน: ก/วัตต์ ฉัน~ a 3 (z+1) 2 (ในที่นี้ a=1/137 คือค่าคงที่ของโครงสร้างละเอียด z คือความหลายหลากของประจุไอออน) เส้นต้องห้ามจะมีความกว้างน้อยเป็นพิเศษ ความกว้างของเส้นธรรมชาติ คลาสสิค ออสซิลเลเตอร์ที่มีประจุ จ, มวล ตและเป็นเจ้าของ ความถี่ w 0 เท่ากับ: Г = 2еw 2 0 /3mс 3 . การแผ่รังสี การลดทอนยังนำไปสู่การเลื่อนสูงสุดของเส้นไปทางความถี่ต่ำลงเล็กน้อย ~Г 2 /4w 0 การเปลี่ยนผ่านควอนตัมที่เกิดขึ้นเองซึ่งกำหนดความกว้างอันจำกัดของระดับพลังงานและ E.n. กับ. ฏ. ไม่ได้เกิดขึ้นพร้อมกับการปล่อยโฟตอนเสมอไป ดอปเปลอร์ขยายเส้นสเปกตรัมการขยายตัวนี้สัมพันธ์กับปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ กล่าวคือ กับการขึ้นอยู่กับความถี่รังสีที่สังเกตได้กับความเร็วของตัวปล่อย หากแหล่งกำเนิดรังสีเอกรงค์ซึ่งมีความถี่ในสถานะนิ่งเคลื่อนที่เข้าหาผู้สังเกตด้วยความเร็ว เพื่อให้การฉายรังสีความเร็วไปสู่ทิศทางของการสังเกต ผู้สังเกตจะบันทึกความถี่ของการแผ่รังสีที่สูงกว่า โดยที่ c คือความเร็วเฟสของการแพร่กระจายคลื่น 0 คือมุมระหว่างทิศทางความเร็วของตัวปล่อยและการสังเกต ในระบบควอนตัม แหล่งกำเนิดรังสีคืออะตอมหรือโมเลกุล ในตัวกลางที่เป็นก๊าซที่สมดุลทางอุณหพลศาสตร์ ความเร็วของอนุภาคจะถูกกระจายตามกฎแมกซ์เวลล์-โบลต์ซมันน์ ดังนั้นรูปร่างของเส้นสเปกตรัมของสารทั้งหมดจะสัมพันธ์กับการกระจายตัวนี้ สเปกตรัมที่ผู้สังเกตการณ์บันทึกจะต้องมีชุดของอนุภาคที่ต่อเนื่องกัน เนื่องจากอะตอมที่ต่างกันจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่ต่างกันเมื่อเทียบกับผู้สังเกต เมื่อพิจารณาเฉพาะการคาดการณ์ความเร็วในการแจกแจงของแมกซ์เวลล์-โบลต์ซมันน์ เราก็จะได้นิพจน์ต่อไปนี้สำหรับรูปร่างของเส้นสเปกตรัมดอปเปลอร์: การพึ่งพาอาศัยกันนี้เป็นฟังก์ชันเกาส์เซียน ความกว้างของเส้นที่สอดคล้องกับค่า เมื่อมวลอนุภาค M เพิ่มขึ้นและอุณหภูมิ T ลดลง ความกว้างของเส้นจะลดลง เนื่องจากปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ เส้นสเปกตรัมของสารทั้งหมดจึงไม่ตรงกับเส้นสเปกตรัมของอนุภาคแต่ละตัว เส้นสเปกตรัมที่สังเกตได้ของสสารคือการซ้อนทับของเส้นสเปกตรัมของอนุภาคทั้งหมดของสสาร ซึ่งก็คือเส้นที่มีความถี่กลางต่างกัน สำหรับอนุภาคแสงที่อุณหภูมิปกติ ความกว้างของเส้น Doppler ในช่วงออปติคอลสามารถเกินความกว้างของเส้นธรรมชาติได้หลายขนาดและเข้าถึงค่าได้มากกว่า 1 GHz กระบวนการที่รูปร่างของเส้นสเปกตรัมของสารทั้งหมดไม่ตรงกับรูปร่างของเส้นสเปกตรัมของแต่ละอนุภาคเรียกว่าการขยายเส้นสเปกตรัมที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน ในกรณีที่พิจารณา สาเหตุของการขยายตัวแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกันคือปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ รูปร่างของเส้นสเปกตรัมดอปเปลอร์อธิบายได้ด้วยฟังก์ชันเกาส์เซียน ถ้าการกระจายตัวของความเร็วอนุภาคแตกต่างจากแมกซ์เวลเลียน รูปร่างของเส้นสเปกตรัมดอปเปลอร์จะแตกต่างจากฟังก์ชันเกาส์เซียน แต่การขยายตัวจะยังคงไม่เป็นเนื้อเดียวกัน

28 เลเซอร์: หลักการทำงาน ลักษณะสำคัญ และการใช้งาน

เลเซอร์เป็นแหล่งกำเนิดของแสงแบบเอกรงค์เดียวที่มีลำแสงที่มีทิศทางสูง

กระบวนการทางกายภาพหลักที่กำหนดการกระทำของเลเซอร์คือการกระตุ้นการปล่อยรังสี มันเกิดขึ้นเมื่อโฟตอนมีปฏิกิริยากับอะตอมที่ตื่นเต้น เมื่อพลังงานโฟตอนเกิดขึ้นพร้อมกันกับพลังงานกระตุ้นของอะตอม (หรือโมเลกุล)

อันเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์นี้ อะตอมจะเข้าสู่สภาวะไม่ตื่นเต้น และพลังงานส่วนเกินจะถูกปล่อยออกมาในรูปของโฟตอนใหม่ที่มีพลังงาน ทิศทางของการแพร่กระจายและโพลาไรเซชันเท่ากันทุกประการกับของโฟตอนปฐมภูมิ ดังนั้นผลลัพธ์ของกระบวนการนี้คือการมีโฟตอนสองตัวที่เหมือนกันทุกประการ ด้วยปฏิสัมพันธ์เพิ่มเติมของโฟตอนเหล่านี้กับอะตอมที่ตื่นเต้นคล้ายกับอะตอมแรก อาจเกิด "ปฏิกิริยาลูกโซ่" ของการคูณโฟตอนที่ "บิน" ที่เหมือนกันอย่างแน่นอนในทิศทางเดียว ซึ่งจะนำไปสู่การปรากฏตัวของลำแสงที่มีทิศทางแคบ เพื่อให้โฟตอนที่เหมือนกันถล่มลงมา จำเป็นต้องใช้ตัวกลางซึ่งจะมีอะตอมที่ถูกกระตุ้นมากกว่าอะตอมที่ไม่ได้รับการกระตุ้น เนื่องจากการดูดกลืนโฟตอนจะเกิดขึ้นเมื่อโฟตอนมีปฏิกิริยากับอะตอมที่ไม่ได้รับการกระตุ้น ตัวกลางดังกล่าวเรียกว่าตัวกลางที่มีระดับพลังงานผกผัน

เลเซอร์พบการใช้งานที่หลากหลาย และโดยเฉพาะอย่างยิ่งมีการใช้ในอุตสาหกรรมสำหรับการแปรรูปวัสดุประเภทต่างๆ: โลหะ คอนกรีต แก้ว ผ้า หนัง ฯลฯ

กระบวนการทางเทคโนโลยีเลเซอร์สามารถแบ่งได้เป็นสองประเภท ประการแรกใช้ความสามารถในการโฟกัสลำแสงเลเซอร์อย่างละเอียดมากและกำหนดพลังงานอย่างแม่นยำทั้งในโหมดพัลซิ่งและต่อเนื่อง ในกระบวนการทางเทคโนโลยีดังกล่าว มีการใช้เลเซอร์ที่มีกำลังเฉลี่ยค่อนข้างต่ำ: เหล่านี้คือเลเซอร์แก๊สแบบพัลส์เป็นระยะ ด้วยความช่วยเหลือของอย่างหลังได้มีการพัฒนาเทคโนโลยีสำหรับการเจาะรูบาง ๆ ในหินทับทิมและเพชรสำหรับอุตสาหกรรมนาฬิกาและเทคโนโลยีสำหรับการทำแม่พิมพ์สำหรับการวาดลวดเส้นเล็ก พื้นที่หลักของการใช้เลเซอร์พัลซิ่งพลังงานต่ำเกี่ยวข้องกับการตัดและการเชื่อมชิ้นส่วนขนาดเล็กในไมโครอิเล็กทรอนิกส์และอุตสาหกรรมสูญญากาศไฟฟ้า โดยมีการทำเครื่องหมายชิ้นส่วนขนาดเล็ก การเผาไหม้ตัวเลข ตัวอักษร และรูปภาพโดยอัตโนมัติสำหรับความต้องการของ อุตสาหกรรมการพิมพ์

เทคโนโลยีเลเซอร์ประเภทที่สองขึ้นอยู่กับการใช้เลเซอร์ที่มีกำลังเฉลี่ยสูง: ตั้งแต่ 1 kW ขึ้นไป เลเซอร์อันทรงพลังถูกนำมาใช้ในกระบวนการทางเทคโนโลยีที่ใช้พลังงานสูง เช่น การตัดและเชื่อมแผ่นเหล็กหนา การชุบแข็งพื้นผิว การนำและการผสมชิ้นส่วนขนาดใหญ่ การทำความสะอาดอาคารจากสิ่งปนเปื้อนบนพื้นผิว การตัดหินอ่อน หินแกรนิต การตัดผ้า หนัง และวัสดุอื่น ๆ เมื่อเชื่อมโลหะด้วยเลเซอร์ จะได้การเชื่อมคุณภาพสูงและไม่ต้องใช้ห้องสุญญากาศ เช่นเดียวกับการเชื่อมด้วยลำแสงอิเล็กตรอน และนี่เป็นสิ่งสำคัญมากในการผลิตสายพานลำเลียง

เทคโนโลยีเลเซอร์อันทรงพลังพบการประยุกต์ใช้ในวิศวกรรมเครื่องกล อุตสาหกรรมยานยนต์ และอุตสาหกรรมวัสดุก่อสร้าง ช่วยให้ไม่เพียงปรับปรุงคุณภาพของการแปรรูปวัสดุเท่านั้น แต่ยังช่วยปรับปรุงตัวบ่งชี้ทางเทคนิคและเศรษฐกิจของกระบวนการผลิตอีกด้วย

เลเซอร์แก๊สอาจเป็นเลเซอร์ชนิดที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในปัจจุบันและมีความเหนือกว่าเลเซอร์ทับทิมในเรื่องนี้ ในบรรดาเลเซอร์แก๊สประเภทต่างๆ เป็นไปได้ที่จะค้นหาเลเซอร์ที่ตรงกับความต้องการเลเซอร์เกือบทุกประเภท ยกเว้นพลังงานที่สูงมากในบริเวณสเปกตรัมที่มองเห็นได้ในโหมดพัลซิ่ง กำลังไฟฟ้าสูงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการทดลองหลายครั้งเมื่อศึกษาคุณสมบัติทางแสงแบบไม่เชิงเส้นของวัสดุ

ลักษณะเฉพาะของเลเซอร์แก๊สมักเกิดจากการที่พวกมันเป็นแหล่งของสเปกตรัมอะตอมหรือโมเลกุลตามกฎแล้ว ดังนั้นจึงทราบความยาวคลื่นของการเปลี่ยนผ่านอย่างแม่นยำ โดยถูกกำหนดโดยโครงสร้างอะตอมและมักจะไม่ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อม

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ - ตัวอย่างหลักของวิธีการทำงานของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์คืออุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลแม๊กออปติคัล (MO)

30 - เปิดตัวสะท้อนแสง โหมดตามยาว โหมดขวาง เสถียรภาพการเลี้ยวเบน

ในปี 1958 Prokhorov A.M. (สหภาพโซเวียต) และเป็นอิสระจากเขา R. Dicke, A. Shavlov, C. Towns (USA) ยืนยันความคิดเกี่ยวกับความเป็นไปได้ของการใช้ตัวสะท้อนเสียงแบบเปิดในช่วงแสงแทนที่จะเป็นปริมาตร เช่น เครื่องสะท้อนเสียงถูกเรียกว่า เปิดออปติคอลหรือเพียงแค่ออปติคอล L >> l

ถ้า m = n = const แล้ว

ชุดความถี่เรโซแนนซ์ผลลัพธ์เป็นของสิ่งที่เรียกว่า ตามยาว(หรือแนวแกน) แฟชั่น- โหมดแนวแกนคือการสั่นสะเทือนที่แพร่กระจายไปตามแกนแสงของตัวสะท้อนอย่างเคร่งครัด พวกเขามีปัจจัยคุณภาพสูงสุด โหมดตามยาวจะแตกต่างกันเฉพาะในการกระจายความถี่และสนามตามแนวแกน Z เท่านั้น (กล่าวคือ ความแตกต่างระหว่างความถี่ที่อยู่ติดกันจะเป็นค่าคงที่และขึ้นอยู่กับรูปทรงของเครื่องสะท้อนเท่านั้น)

โหมดที่มีดัชนีต่างกัน m และ n จะแตกต่างกันในการกระจายสนามในระนาบที่ตั้งฉากกับแกนตัวสะท้อน นั่นคือ ในทิศทางตามขวางเพราะฉะนั้นจึงเรียกพวกมันว่า ขวาง(หรือไม่ใช่แนวแกน) ม็อด- สำหรับโหมดตามขวางที่แตกต่างกันในดัชนี m และ n โครงสร้างสนามจะแตกต่างกันในทิศทางของแกน x และ y ตามลำดับ

ความแตกต่างในความถี่ของโหมดตามขวางที่มีดัชนี m และ n ต่างกัน 1 เท่ากับ:

สามารถแสดงเป็น:

โดยที่ NF คือหมายเลขเฟรสเนล

โหมดตามขวางแต่ละโหมดจะสัมพันธ์กับโหมดตามยาวจำนวนอนันต์ ซึ่งต่างกันในดัชนี g

โหมดที่มีดัชนี m และ n เหมือนกัน แต่ g ต่างกัน จะรวมกันภายใต้ชื่อทั่วไป โหมดตามขวาง การสั่นสะเทือนที่สอดคล้องกับ g บางอย่างเรียกว่าโหมดตามยาวที่เกี่ยวข้องกับโหมดตามขวางนี้

ในทฤษฎีของเรโซเนเตอร์แบบเปิด เป็นเรื่องปกติที่จะกำหนดแต่ละโหมดเป็น TEMmnq โดยที่ m, n คือดัชนีโหมดตามขวาง และ g คือดัชนีตามยาว การกำหนด TEM สอดคล้องกับวลีภาษาอังกฤษ Transvers Electromagnetic (การสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้าตามขวาง ซึ่งมีเส้นโครงของเวกเตอร์ E และ H ไปยังแกน Z เล็กน้อย) เนื่องจากตัวเลข g มีขนาดใหญ่มาก ตัวห้อย g จึงมักถูกละไว้ และโหมดตัวสะท้อนเสียงจึงถูกกำหนดเป็น TEMmn โหมดตามขวาง TEMmn แต่ละประเภทมีโครงสร้างสนามที่แน่นอนในส่วนตัดขวางของเครื่องสะท้อนเสียงและสร้างโครงสร้างเฉพาะของจุดแสงบนกระจกสะท้อนเสียง (รูปที่ 1.8) โหมดเปิดสามารถสังเกตได้ด้วยสายตาซึ่งต่างจากเครื่องสะท้อนเสียงแบบโพรง

การสูญเสียการเลี้ยวเบนของโหมดจริงนั้นน้อยลงอย่างมากเนื่องจากความจริงที่ว่าในระหว่างการแผ่รังสีหลายครั้งระหว่างกระจก การเลือก "ธรรมชาติ" จะเกิดขึ้นสำหรับโหมดเหล่านั้นซึ่งแอมพลิจูดของสนามสูงสุดจะอยู่ที่กึ่งกลางของกระจก ดังนั้น ในเรโซเนเตอร์แบบเปิดเมื่อมีการสูญเสียการเลี้ยวเบน โหมดที่แท้จริงจะไม่สามารถมีอยู่ได้ กล่าวคือ โครงสร้างคงที่ของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น คลื่นนิ่ง คล้ายกับที่มีอยู่ในเครื่องสะท้อนเสียงแบบโพรง อย่างไรก็ตาม มีการสั่นบางประเภทที่มีการสูญเสียการเลี้ยวเบนต่ำ (บางครั้งเรียกว่าควอซิโหมดหรือโหมดเรโซเนเตอร์แบบเปิด) สนามของการแกว่ง (โหมด) เหล่านี้กระจุกตัวอยู่ใกล้กับแกนของเครื่องสะท้อนและในทางปฏิบัติจะลดลงจนเหลือศูนย์ในบริเวณรอบข้าง

31 องค์ประกอบโหมดของรังสีจากเครื่องกำเนิดเลเซอร์ โหมดการทำงานของเลเซอร์โซลิดสเตต

องค์ประกอบโหมดของการแผ่รังสีขึ้นอยู่กับการออกแบบและขนาดของตัวสะท้อนเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ ตลอดจนขนาดของพลังงานการแผ่รังสี เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ปล่อยเส้นสเปกตรัมแคบ ขอบจะแคบลงตามกำลังการแผ่รังสีที่เพิ่มขึ้น เว้นแต่จะมีการเต้นเป็นจังหวะและ เอฟเฟ็กต์มัลติโหมดจะปรากฏขึ้น การที่เส้นแคบลงนั้นถูกจำกัดด้วยความผันผวนของเฟสที่เกิดจากการปล่อยก๊าซธรรมชาติ วิวัฒนาการของสเปกตรัมการปล่อยคลื่นด้วยการเพิ่มกำลังในการฉีด เลเซอร์จะแสดงในรูป 7. ในโหมดความถี่เดียวจะสังเกตการแคบของเส้นสเปกตรัมเป็น Hz นาที ค่าความกว้างของเส้นในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีความเสถียรของโหมดความถี่เดียวโดยใช้การเลือกภายนอก ตัวสะท้อนคือ 0.5 kHz ในเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์ โดยการมอดูเลตปั๊ม เป็นไปได้ที่จะได้รับโมดูเลเตอร์ รังสีเช่น ในรูปแบบของการเต้นเป็นจังหวะไซน์ที่มีความถี่ถึงในบางกรณี 10-20 GHz หรือในรูปแบบของพัลส์อัลตราโซนิกที่มีระยะเวลาต่ำกว่าพิโควินาที ด้วยความเร็ว 2-8 Gbit/s

โซลิดสเตตเลเซอร์- เลเซอร์ที่ใช้สารในสถานะของแข็งเป็นตัวกลางที่ออกฤทธิ์ (ตรงข้ามกับก๊าซในเลเซอร์แก๊สและของเหลวในเลเซอร์สีย้อม)

วงจรการทำงานของสารออกฤทธิ์ของเลเซอร์โซลิดสเตตแบ่งออกเป็นสามและสี่ระดับ รูปแบบใดที่องค์ประกอบแอคทีฟที่กำหนดทำงานจะถูกตัดสินโดยความแตกต่างด้านพลังงานระหว่างระดับการทำงานหลักและระดับล่าง ยิ่งความแตกต่างนี้มากเท่าไร การสร้างประสิทธิภาพก็จะสูงขึ้นที่อุณหภูมิที่สูงขึ้น ตัวอย่างเช่น สถานะพื้นของ Cr3+ ไอออนมีลักษณะเป็นสองระดับย่อย ซึ่งมีระยะห่างระหว่าง 0.38 ซม.-1 ด้วยความแตกต่างของพลังงานดังกล่าว แม้ที่อุณหภูมิฮีเลียมเหลว (~4 K) ประชากรของระดับย่อยด้านบนจะน้อยกว่าระดับล่างเพียง ~13°/0 กล่าวคือ พวกมันมีประชากรเท่ากัน ดังนั้น ทับทิม ​​เป็นสารออกฤทธิ์ที่มีรูปแบบสามระดับที่อุณหภูมิใดก็ได้ สำหรับไอออนนีโอไดเมียม ระดับเลเซอร์ด้านล่างสำหรับการแผ่รังสีที่ =1.06 μm จะอยู่เหนือระดับหลัก 2,000 cm-1 แม้ที่อุณหภูมิห้อง ในระดับต่ำกว่าไอออนนีโอไดเมียมจะน้อยกว่าระดับหลักถึง 1.4-104 เท่า และองค์ประกอบที่ทำงานอยู่ซึ่งใช้นีโอไดเมียมเป็นตัวกระตุ้นจะทำงานตามรูปแบบสี่ระดับ

เลเซอร์โซลิดสเตตสามารถทำงานได้ในโหมดพัลซิ่งและต่อเนื่อง โหมดการทำงานของเลเซอร์โซลิดสเตตมีพัลซิ่งสองโหมด: โหมดการสั่นอิสระและโหมด Q-switched ในโหมดวิ่งอิสระ ระยะเวลาของพัลส์การแผ่รังสีจะเกือบเท่ากับระยะเวลาของพัลส์ปั๊ม ในโหมดสวิตช์ Q ระยะเวลาพัลส์จะสั้นกว่าระยะเวลาพัลส์ของปั๊มอย่างมาก

32) เลนส์ไม่เชิงเส้น - สาขาหนึ่งของทัศนศาสตร์ที่ศึกษาชุดของปรากฏการณ์ทางแสงที่สังเกตได้ระหว่างปฏิกิริยาของสนามแสงกับสารที่มีปฏิกิริยาแบบไม่เชิงเส้นของเวกเตอร์โพลาไรเซชัน P กับเวกเตอร์ความแรงของสนามไฟฟ้า E ของคลื่นแสง ในสสารส่วนใหญ่ ความไม่เชิงเส้นนี้จะสังเกตได้เฉพาะที่ความเข้มของแสงที่สูงมากเท่านั้น ซึ่งทำได้โดยใช้เลเซอร์ เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าทั้งปฏิสัมพันธ์และกระบวนการนั้นเป็นเส้นตรงถ้าความน่าจะเป็นของมันแปรผันกับกำลังแรกของความเข้มของรังสี ถ้าระดับนี้มากกว่าหนึ่ง ทั้งปฏิสัมพันธ์และกระบวนการจะเรียกว่าไม่เชิงเส้น ดังนั้นคำว่าทัศนศาสตร์เชิงเส้นและไม่เชิงเส้นจึงเกิดขึ้น รูปร่าง เลนส์ไม่เชิงเส้นเกี่ยวข้องกับการพัฒนาเลเซอร์ที่สามารถสร้างแสงที่มีความแรงของสนามไฟฟ้าสูงเทียบได้กับความแรงของสนามไฟฟ้าด้วยกล้องจุลทรรศน์ในอะตอม สาเหตุหลักที่ทำให้เกิดความแตกต่างในผลกระทบของรังสีความเข้มสูงจากการแผ่รังสีความเข้มต่ำที่มีต่อสสาร: ที่ความเข้มข้นของรังสีสูง กระบวนการมัลติโฟตอนมีบทบาทหลัก เมื่อโฟตอนหลายตัวถูกดูดซับในการกระทำเบื้องต้น ที่ความเข้มของรังสีสูง ผลกระทบจากปฏิสัมพันธ์ในตัวเองจะเกิดขึ้น นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติเริ่มต้นของสารภายใต้อิทธิพลของรังสี กระบวนการเปลี่ยนความถี่ที่ใช้กันมากที่สุดอย่างหนึ่งคือ การสร้างฮาร์มอนิกที่สอง- ปรากฏการณ์นี้ทำให้เอาต์พุตเลเซอร์ของเลเซอร์ Nd:YAG (1,064 นาโนเมตร) หรือเลเซอร์แซฟไฟร์เจือไทเทเนียม (800 นาโนเมตร) ถูกแปลงเป็นแสงที่มองเห็นได้ โดยมีความยาวคลื่น 532 นาโนเมตร (สีเขียว) หรือ 400 นาโนเมตร (สีม่วง) ตามลำดับ . ในทางปฏิบัติ เพื่อเพิ่มความถี่ของแสงเป็นสองเท่า จึงมีการติดตั้งคริสตัลออปติกแบบไม่เชิงเส้นในลักษณะที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัดในลำแสงเอาท์พุตของการแผ่รังสีเลเซอร์

33) การกระเจิงของแสง - การกระเจิงของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงที่มองเห็นได้ระหว่างการโต้ตอบกับสสาร ในกรณีนี้ การเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นในการกระจายเชิงพื้นที่ ความถี่ และโพลาไรเซชันของรังสีเชิงแสง แม้ว่าการกระเจิงมักเข้าใจว่าเป็นเพียงการเปลี่ยนแปลงของการกระจายเชิงมุมของฟลักซ์แสงเท่านั้น ให้ และ เป็นความถี่ของเหตุการณ์และแสงที่กระจาย จากนั้น If - การกระเจิงแบบยืดหยุ่น If - การกระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่น - การกระเจิงของสโตกส์ - การกระเจิงแบบป้องกันการสโตกส์ แสงที่กระเจิงให้ข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างและไดนามิกของวัสดุ การกระเจิงของเรย์ลีห์- การกระเจิงของแสงที่สอดคล้องกันโดยไม่เปลี่ยนความยาวคลื่น (เรียกอีกอย่างว่าการกระเจิงแบบยืดหยุ่น) บนอนุภาคความไม่เป็นเนื้อเดียวกันหรือวัตถุอื่น ๆ เมื่อความถี่ของแสงที่กระเจิงนั้นน้อยกว่าความถี่ธรรมชาติของวัตถุหรือระบบที่กระเจิงอย่างมีนัยสำคัญ สูตรที่เทียบเท่า: การกระเจิงของแสงโดยวัตถุที่มีขนาดน้อยกว่าความยาวคลื่น แบบจำลองปฏิสัมพันธ์กับออสซิลเลเตอร์แบบกระจายรามาน เส้นสเปกตรัมปรากฏในสเปกตรัมของการแผ่รังสีที่กระเจิงซึ่งไม่อยู่ในสเปกตรัมของแสงปฐมภูมิ (น่าตื่นเต้น) จำนวนและตำแหน่งของเส้นที่ปรากฏจะขึ้นอยู่กับโครงสร้างโมเลกุลของสาร การแสดงออกของความเข้มของรังสีคือ โดยที่ P คือโมเมนต์ไดโพลเหนี่ยวนำ ซึ่งกำหนดเป็นปัจจัยสัดส่วน α ในสมการนี้เรียกว่าความสามารถเชิงขั้วของโมเลกุล ลองพิจารณาคลื่นแสงเป็นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความเข้ม อีด้วยความถี่ของการสั่น ν 0 : ที่ไหน อี 0- แอมพลิจูด, ก ที- เวลา.

การแผ่รังสีความร้อนของร่างกายคือรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเนื่องจากส่วนหนึ่งของพลังงานภายในของร่างกายซึ่งสัมพันธ์กับการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาค

ลักษณะสำคัญของการแผ่รังสีความร้อนของวัตถุที่ได้รับความร้อนจนถึงอุณหภูมิหนึ่ง ตเป็น:

1. ความส่องสว่างอันทรงพลัง ร (ต ) - ปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาต่อหน่วยเวลาจากหน่วยพื้นผิวของร่างกายตลอดช่วงความยาวคลื่นทั้งหมดขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ธรรมชาติ และสภาพของพื้นผิวของวัตถุที่แผ่รังสี ในระบบเอสไอ ร(ท) มีมิติ [W/m2]

2. ความหนาแน่นสเปกตรัมของความส่องสว่างที่มีพลัง ร(ล,ที) =dW/dl คือปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาจากหน่วยพื้นผิวของร่างกายต่อหน่วยเวลาในช่วงความยาวคลื่นในหน่วย (ใกล้กับความยาวคลื่นที่พิจารณา l)เหล่านั้น. ปริมาณนี้เป็นตัวเลขเท่ากับอัตราส่วนพลังงาน เดววัตต์ซึ่งปล่อยออกมาจากหน่วยพื้นที่ต่อหน่วยเวลาในช่วงความยาวคลื่นแคบจาก ลก่อน ลิตร+ดลไปจนถึงความกว้างของช่วงเวลานี้ ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของร่างกาย ความยาวคลื่น และยังขึ้นอยู่กับธรรมชาติและสภาพของพื้นผิวของวัตถุที่เปล่งแสงด้วย ในระบบเอสไอ อาร์(ล, ที)มีมิติ [W/m 3 ]

ความส่องสว่างอันทรงพลัง ร(ท)เกี่ยวข้องกับความหนาแน่นสเปกตรัมของความส่องสว่างที่มีพลัง อาร์(ล, ที)ด้วยวิธีดังต่อไปนี้:

(1) [วัตต์/ตร.ม.]

3. ร่างกายทั้งหมดไม่เพียงแต่เปล่งออกมาเท่านั้น แต่ยังดูดซับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตกกระทบบนพื้นผิวอีกด้วย แนวคิดนี้จึงถูกนำมาใช้เพื่อตรวจสอบความสามารถในการดูดซับของวัตถุที่สัมพันธ์กับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นหนึ่งๆ ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงแบบเอกรงค์ - อัตราส่วนของขนาดของพลังงานของคลื่นเอกรงค์เดียวที่ถูกดูดซับโดยพื้นผิวของร่างกายต่อขนาดของพลังงานของคลื่นเอกรงค์เดียวที่ตกกระทบ:

(2)

ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงแบบเอกรงค์เป็นปริมาณไร้มิติซึ่งขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความยาวคลื่น มันแสดงให้เห็นว่าเศษส่วนของพลังงานของคลื่นเอกรงค์ที่ตกกระทบถูกดูดซับโดยพื้นผิวของร่างกาย ความคุ้มค่า (ล,ท)สามารถรับค่าได้ตั้งแต่ 0 ถึง 1

การแผ่รังสีในระบบปิดแบบอะเดียแบติก (ไม่แลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อมภายนอก) เรียกว่าสมดุล- หากคุณสร้างรูเล็กๆ บนผนังของโพรง สถานะสมดุลจะเปลี่ยนไปเล็กน้อย และการแผ่รังสีที่ออกมาจากโพรงจะสอดคล้องกับรังสีที่สมดุล

หากลำแสงพุ่งเข้าไปในรูดังกล่าว หลังจากการสะท้อนและการดูดซับบนผนังของโพรงซ้ำแล้วซ้ำเล่า ก็จะไม่สามารถกลับออกมาได้ ซึ่งหมายความว่าสำหรับหลุมดังกล่าวค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับ a (ล, ต) = 1.

ช่องปิดที่ถือว่ามีรูเล็ก ๆ ทำหน้าที่เป็นหนึ่งในแบบจำลอง ตัวดำสนิท

ตัวดำสนิทเลย คือวัตถุที่ดูดซับรังสีที่ตกกระทบทั้งหมด โดยไม่คำนึงถึงทิศทางของรังสีที่ตกกระทบ องค์ประกอบทางสเปกตรัม และโพลาไรเซชันของมัน (โดยไม่สะท้อนหรือส่งสัญญาณใดๆ)

สำหรับวัตถุที่มีสีดำสนิท ความหนาแน่นของความส่องสว่างสเปกตรัมเป็นฟังก์ชันสากลของความยาวคลื่นและอุณหภูมิ ฉ(ลิตร,ที)และไม่ขึ้นอยู่กับธรรมชาติของมัน

วัตถุทั้งหมดในธรรมชาติสะท้อนรังสีที่ตกกระทบบนพื้นผิวบางส่วน ดังนั้นจึงไม่ถูกจัดว่าเป็นวัตถุสีดำสนิท หากค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงแบบเอกรงค์ของร่างกายมีค่าเท่ากันทุกความยาวคลื่นและน้อยกว่าความสามัคคี(ก( ล, ต) = ก T = ค่าคงที่<1), เมื่อนั้นจึงเรียกว่าร่างกายเช่นนั้นสีเทา- ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงแบบเอกรงค์ของวัตถุสีเทานั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของร่างกาย ธรรมชาติของมัน และสถานะของพื้นผิวเท่านั้น

เคียร์ชอฟแสดงให้เห็นว่าสำหรับวัตถุทั้งหมด โดยไม่คำนึงถึงธรรมชาติของวัตถุ อัตราส่วนของความหนาแน่นสเปกตรัมของความส่องสว่างของพลังงานต่อค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงแบบเอกรงค์นั้นเป็นฟังก์ชันสากลที่เหมือนกันของความยาวคลื่นและอุณหภูมิ ฉ(ลิตร,ที)เช่นเดียวกับความหนาแน่นสเปกตรัมของพลังงานความส่องสว่างของวัตถุสีดำสนิท :

(3)

สมการ (3) แสดงถึงกฎของเคอร์ชอฟ

กฎของเคอร์ชอฟฟ์สามารถกำหนดได้ดังนี้: สำหรับร่างกายทั้งหมดของระบบที่อยู่ในสมดุลทางอุณหพลศาสตร์อัตราส่วนของความหนาแน่นสเปกตรัมของความส่องสว่างของพลังงานต่อค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงแบบเอกรงค์ไม่ได้ขึ้นอยู่กับธรรมชาติของร่างกายเป็นฟังก์ชันเดียวกันสำหรับร่างกายทั้งหมดขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น l และอุณหภูมิ T

จากสูตรข้างต้นและ (3) เป็นที่ชัดเจนว่าที่อุณหภูมิที่กำหนด วัตถุสีเทาที่มีค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงขนาดใหญ่จะเปล่งแสงที่รุนแรงกว่า และวัตถุสีดำสนิทจะเปล่งแสงที่แรงที่สุด เนื่องจากสำหรับตัวสีดำสนิท a( ล, ต)=1 จากสูตร (3) จะได้ว่าฟังก์ชันสากล ฉ(ล, ต) แสดงถึงความหนาแน่นของสเปกตรัมของวัตถุสีดำ

วัตถุที่ได้รับความร้อนจะปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา การแผ่รังสีนี้ดำเนินการโดยการแปลงพลังงานการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคในร่างกายให้เป็นพลังงานรังสี

กฎของพรีโวสต์: หากวัตถุสองชิ้นที่อุณหภูมิเดียวกันดูดซับพลังงานในปริมาณที่ต่างกัน การแผ่รังสีความร้อนที่อุณหภูมินี้จะต้องแตกต่างกัน

รังสี(การแผ่รังสี) หรือความหนาแน่นสเปกตรัมของพลังงานความส่องสว่างของร่างกายคือค่า E n , T ซึ่งเท่ากับตัวเลขกับความหนาแน่นพลังงานพื้นผิวของการแผ่รังสีความร้อนของร่างกายในช่วงความถี่ของความกว้างหน่วย:

Е n ,Т = dW/dn, W – พลังงานการแผ่รังสีความร้อน

สภาพเปล่งรังสีของวัตถุขึ้นอยู่กับความถี่ n อุณหภูมิสัมบูรณ์ของวัตถุ T วัสดุ รูปร่าง และสภาพของพื้นผิว ในระบบ SI E n, T มีหน่วยวัดเป็น J/m 2

อุณหภูมิคือปริมาณทางกายภาพที่แสดงถึงระดับความร้อนของร่างกาย ศูนย์สัมบูรณ์คือ –273.15°C อุณหภูมิในหน่วยเคลวิน TK = t°C + 273.15°C

สารดูดซับความสามารถของร่างกายคือปริมาณ A n, T ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเศษส่วนของพลังงานที่เหตุการณ์ (ได้มา) ดูดซึมโดยร่างกาย:

A n , T = W การดูดซับ / W ลดลง

และ n,T เป็นปริมาณไร้มิติ ขึ้นอยู่กับ n, T รูปร่างของร่างกาย วัสดุ และสภาพพื้นผิว

ขอแนะนำแนวคิด - ตัวดำสนิท (a.b.t.)วัตถุจะถูกเรียกว่า a.ch.t ถ้าวัตถุดูดซับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมดที่ตกกระทบ ณ อุณหภูมิใดๆ นั่นคือวัตถุที่ A n ,T º 1 ตระหนักถึง a.ch.t อาจอยู่ในรูปแบบของช่องที่มีรูเล็ก ๆ ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของช่องมาก (รูปที่ 3) การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่เข้ามาผ่านรูเข้าไปในโพรงซึ่งเป็นผลมาจากการสะท้อนหลายครั้งจากพื้นผิวด้านในของโพรงนั้นถูกดูดซับไว้เกือบทั้งหมดไม่ว่าผนังของโพรงจะทำจากวัสดุใดก็ตาม วัตถุจริงไม่ได้ดำสนิท อย่างไรก็ตาม บางส่วนมีคุณสมบัติทางแสงใกล้เคียงกับ a.ch.t (เขม่า, แพลตตินัมดำ, กำมะหยี่สีดำ) วัตถุจะเรียกว่าสีเทาหากความสามารถในการดูดซับเท่ากันทุกความถี่ และขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ วัสดุ และสถานะของพื้นผิวของร่างกายเท่านั้น

ข้าว. 3. โมเดลตัวเครื่องสีดำสนิท

เส้นผ่านศูนย์กลาง d ของทางเข้า, เส้นผ่านศูนย์กลาง D ของช่องของ a.ch.t

กฎของเคอร์ชอฟฟ์สำหรับการแผ่รังสีความร้อน สำหรับความถี่และอุณหภูมิตามอำเภอใจ อัตราส่วนของสภาพเปล่งรังสีของร่างกายต่อความสามารถในการดูดซับของวัตถุจะเท่ากันสำหรับวัตถุทั้งหมด และเท่ากับค่าการปล่อยรังสี e n , T ของวัตถุสีดำ ซึ่งเป็นฟังก์ชันของความถี่และอุณหภูมิเท่านั้น

E n,T / A n,T = e n,T.

เป็นไปตามกฎของเคอร์ชอฟฟ์ที่ว่า หากวัตถุที่อุณหภูมิที่กำหนด T ไม่ดูดซับรังสีในช่วงความถี่ที่กำหนด (A n , T = 0) ก็จะไม่สามารถปล่อยสมดุลที่อุณหภูมินี้ในช่วงความถี่เดียวกันได้ ความสามารถในการดูดซับของวัตถุอาจแตกต่างกันไปตั้งแต่ 0 ถึง 1 วัตถุทึบแสงซึ่งมีระดับการแผ่รังสีเป็น 0 จะไม่ปล่อยหรือดูดซับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า พวกมันสะท้อนเหตุการณ์รังสีที่เกิดขึ้นได้อย่างสมบูรณ์ หากการสะท้อนเกิดขึ้นตามกฎของทัศนศาสตร์เรขาคณิต ร่างกายจะเรียกว่ากระจก

ตัวปล่อยความร้อนซึ่งการแผ่รังสีสเปกตรัมไม่ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นเรียกว่า ไม่เลือกสรรถ้ามันขึ้นอยู่กับ - เลือกสรร.

ฟิสิกส์คลาสสิกไม่สามารถอธิบายรูปแบบของฟังก์ชันการแผ่รังสีของ a.ch.t ได้ในทางทฤษฎี e n ,T วัดจากการทดลอง ตามหลักฟิสิกส์คลาสสิก พลังงานของระบบใดๆ ก็ตามเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง กล่าวคือ สามารถใช้ค่าที่ปิดโดยพลการได้ ในพื้นที่ที่มีความถี่สูง e n ,T จะเพิ่มขึ้นอย่างน่าเบื่อตามความถี่ที่เพิ่มขึ้น (“ภัยพิบัติอัลตราไวโอเลต”) ในปี พ.ศ. 2443 เอ็ม. พลังค์ได้เสนอสูตรสำหรับค่าการแผ่รังสีของ a.h.t.:

,

,

ตามที่การปล่อยและการดูดซับพลังงานโดยอนุภาคของวัตถุที่แผ่รังสีไม่ควรเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง แต่แยกกันในส่วนที่แยกจากกันควอนตัมพลังงานที่

เมื่อรวมสูตรของพลังค์เข้ากับความถี่ เราจะได้ความหนาแน่นของการแผ่รังสีตามปริมาตรของ AC กฎหมายสเตฟาน-โบลต์ซมันน์:

อี ต = เอสT 4,

โดยที่ s คือค่าคงที่สเตฟาน-โบลต์ซมันน์ เท่ากับ 5.67 × 10 -8 W × m -2 × K -4

การเปล่งรังสีอินทิกรัลของวัตถุสีดำนั้นแปรผันตามกำลังสี่ของอุณหภูมิสัมบูรณ์ ที่ความถี่ต่ำ e n, T เป็นสัดส่วนกับผลคูณ n 2 T และในบริเวณความถี่สูง e n, T เป็นสัดส่วนกับ n 3 exp(-an/T) โดยที่ a เป็นค่าคงที่บางส่วน

ความหนาแน่นของรังสีสเปกตรัมสูงสุดสามารถพบได้จากสูตรของพลังค์ - กฎของเวียนนา:ความถี่ที่สอดคล้องกับค่าสูงสุดของการแผ่รังสีของวัตถุสีดำจะเป็นสัดส่วนกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ ความยาวคลื่น lmax ที่สอดคล้องกับค่าสูงสุดของการแผ่รังสีจะเท่ากับ

ลิตรสูงสุด = b/T,

โดยที่ b คือค่าคงที่ของเวียนนา เท่ากับ 0.002898 m×K

ค่าของ l max และ n max ไม่เกี่ยวข้องกันโดยสูตร l = c/n เนื่องจากค่าสูงสุดของ e n,T และ e l,T ตั้งอยู่ในส่วนต่างๆ ของสเปกตรัม

การกระจายพลังงานในสเปกตรัมการแผ่รังสีของวัตถุสีดำสนิทที่อุณหภูมิต่างกันมีรูปแบบดังแสดงในรูปที่ 1 4. เส้นโค้งที่ T = 6000 และ 300 K แสดงถึงลักษณะการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์และมนุษย์ ตามลำดับ ที่อุณหภูมิที่สูงเพียงพอ (T>2500 K) สเปกตรัมการแผ่รังสีความร้อนส่วนหนึ่งจะตกในบริเวณที่มองเห็นได้

ข้าว. 4. ลักษณะสเปกตรัมของวัตถุที่ได้รับความร้อน

ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ศึกษาฟลักซ์การแผ่รังสีที่มาจากวัตถุ จำเป็นต้องรวบรวมพลังงานรังสีจากแหล่งกำเนิดในปริมาณที่เพียงพอส่งไปยังเครื่องรับและเน้นสัญญาณที่เป็นประโยชน์กับพื้นหลังของการรบกวนและเสียงรบกวน แยกแยะ คล่องแคล่วและ เฉยๆวิธีการทำงานของอุปกรณ์ วิธีการจะถือว่าใช้งานได้เมื่อมีแหล่งกำเนิดรังสีและต้องส่งรังสีไปยังเครื่องรับ วิธีการทำงานของอุปกรณ์แบบพาสซีฟเมื่อไม่มีแหล่งกำเนิดพิเศษและใช้รังสีของวัตถุเอง ในรูป รูปที่ 5 แสดงแผนภาพบล็อกของทั้งสองวิธี

ข้าว. 5. วิธีการทำงานของอุปกรณ์แบบ Active (a) และ passive (b)

มีการใช้โครงร่างแสงต่างๆ สำหรับการโฟกัสฟลักซ์การแผ่รังสี ให้เราระลึกถึงกฎพื้นฐานของทัศนศาสตร์:

1. กฎการแพร่กระจายของแสงเป็นเส้นตรง

2. กฎความเป็นอิสระของลำแสง

3. กฎแห่งการสะท้อนแสง

4. กฎการหักเหของแสง

การดูดกลืนแสงในสสารถูกกำหนดดังนี้

I = ฉัน 0 ประสบการณ์(-โฆษณา)

โดยที่ I 0 และฉัน คือความเข้มของคลื่นแสงที่ทางเข้าสู่ชั้นของสารดูดซับที่มีความหนา d และที่ทางออกจากมัน a คือสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงของสาร (กฎบูแกร์-แลมเบิร์ต)

ในอุปกรณ์ประเภทต่างๆ ที่ใช้ในออปโตอิเล็กทรอนิกส์ จะมีการเน้นการแผ่รังสีที่มาจากวัตถุหรือแหล่งกำเนิด การปรับรังสี การสลายตัวของรังสีออกเป็นสเปกตรัมโดยการกระจายองค์ประกอบ (ปริซึม, ตะแกรง, ตัวกรอง) การสแกนสเปกตรัม มุ่งเน้นไปที่เครื่องรับรังสี จากนั้นสัญญาณจะถูกส่งไปยังอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่รับสัญญาณ สัญญาณจะถูกประมวลผลและบันทึกข้อมูล

ปัจจุบัน พัลส์โฟโตมิเตอร์กำลังได้รับการพัฒนาอย่างกว้างขวาง เนื่องจากเกี่ยวข้องกับการแก้ปัญหาหลายประการในการตรวจจับวัตถุ

บทที่ 2 แหล่งกำเนิดรังสีในช่วงแสง

แหล่งกำเนิดรังสีคือวัตถุทั้งหมดที่มีอุณหภูมิแตกต่างจากอุณหภูมิพื้นหลัง วัตถุสามารถสะท้อนรังสีที่ตกใส่วัตถุได้ เช่น รังสีดวงอาทิตย์ การแผ่รังสีจากดวงอาทิตย์สูงสุดอยู่ที่ 0.5 ไมครอน แหล่งกำเนิดรังสี ได้แก่ อาคารอุตสาหกรรม รถยนต์ ร่างกายมนุษย์ ร่างกายสัตว์ ฯลฯ แบบจำลองคลาสสิกที่ง่ายที่สุดของตัวปล่อยคืออิเล็กตรอนที่สั่นรอบตำแหน่งสมดุลตามกฎฮาร์มอนิก

เพื่อความเป็นธรรมชาติแหล่งกำเนิดรังสี ได้แก่ ดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ โลก ดวงดาว เมฆ ฯลฯ

ไปจนถึงการประดิษฐ์แหล่งกำเนิดรังสีรวมถึงแหล่งกำเนิดที่สามารถควบคุมพารามิเตอร์ได้ แหล่งที่มาดังกล่าวใช้ในเครื่องส่องสว่างสำหรับอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ ในเครื่องมือสำหรับการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ ฯลฯ

การเปล่งแสงเกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากการเปลี่ยนอะตอมและโมเลกุลจากสถานะที่สูงไปเป็นสถานะที่มีพลังงานต่ำกว่า แสงเรืองนี้เกิดจากการชนกันระหว่างอะตอมที่เคลื่อนที่ด้วยความร้อนหรือจากการชนของอิเล็กตรอน