Понятие теплового излучения
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ЗДРАВООХРАНЕНИЮ
И СОЦИАЛЬНОМУ РАЗВИТИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ
ХИМИКО-ФАРМАЦЕВТИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ
Кафедра физики
КВАНТОВАЯ ФИЗИКА
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО КУРСУ
ФИЗИКА И БИОФИЗИКА
Издание второе, репринтное
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
удк
К 32
Квантовая физика: Метод, указания по курсу Физика и биофизика / Сост. Л. М. Скворцов, И. В. Павлушков, Л. А. Палевич, Е. Д. Эйдельман. СПб.: Изд-во СПХФА, 2006. 43 с. (репринтное издание).
Даны методические указания но изучению раздела квантовой физики курса «Физика и биофизика» для студентов биотехнологического и фармацевтического факультетов в соответствии с учебной программой. Приведены примеры использования законов и контрольные вопросы.
Рекомендовано методической комиссией
биотехнологического факультета СПХФА
Составители:
докт. физ.-мат. наук, проф. А. М. Скворцов,
канд. физ.-мат. наук, доц. И. В. Павлушков,
ст. преп. Л А Палевич,
докт. физ.-мат. наук, проф Е. Д. Эйдельман
Под обшей редакцией
докт. физ.-мат. наук, проф А. М. Скворцов
ISBN 5-8085-0201-2 Санкт-Петербургская
химико-фармацевтическая академия, 2006
Занятие № 1
Тема: ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Понятие теплового излучения
Излучение, испускаемое нагретыми телами, называется тепловым излучением. Все нагретые тела излучают. Нагревая вещество, Вы замечаете, что при… При слабом нагревании теле также происходит тепловое излучение, но с меньшей…Коэффициент поглощения
Рассмотрим процесс поглощения теплового излучения. Пусть Ф0 — поток излучения, падающий на данную поверхность (рис. 1). Часть потока отразится от… Рис. 1. Поглощение излучения теломЗакон Кирхгофа
Лучеиспускательная способность любого тела не может быть больше испускательной способности абсолютно черного тела…Вопросы
1. Спектр излучения абсолютно черного тела (1) и условного тела (2) показан на рис. 7. Нарисуйте график зависимости коэффициента поглощения от длины…Зависимость лучеиспускательной способности от длины волны
Из закона Кирхгофа следует, что все абсолютно черные тела имеют одинаковый спектральный состав излучения, который определяется только температурой… Используя в качестве абсолютно черного тела излучение полости,… При увеличении температуры (Т3> Т2 > Т1) увеличивается площадь под графиком спектрального распределения энергии…Законы излучения абсолютно черного тела
Указанные особенности зависимости лучеиспускательной способности абсолютно черного тела от длины волны обобщены в трех законах. Наименование законов… Закон Стефана -БольцманаВопросы
1. Медную монету, имеющую температуру 20°С, нагрели до 400. Во сколько раз изменилась ее энергетическая светимость?
2. Вследствие изменения температуры максимум лучеиспускательной способности сместился с λ1=2400 нм на λ2=800 нм. Во сколько раз изменится энергетическая светимость тела?
Практическое применение законов излучение абсолютно черного тела
Для этой цели сравнивается яркость тонкой проволоки, находящейся в хорошо откаченной колбе при изменении силы тока с яркостью изображения… б) Определение коэффициента полезного действия источников света (электрической… На рис. 10 изображена зависимость лучеиспускательной способности от длины волны для двух температур Т1 =60009К…Формула Планка
Универсальный вид зависимости лучеиспускательной способности абсолютно черного тела от длины волны заставляет думать, что существует общий закон,… E = hv где h — постоянная Планка (h=6,63·10-34 Дж·сек; v — частота колебаний.Закон Бугера
Проходя через среду, световой поток ослабляется. Если на кусок прозрачного вещества толщины l падает свет с интенсивностью I0, то на выходе… Если толщина слоя очень мала и равна dx, то и уменьшение интенсивности света… -dI/I = kdx (1)Коэффициенты поглощения и характерные толщины
Поглощающего слоя ряда веществ
в сотни тысяч длин волн, прежде чем его интенсивность уменьшится в…Закон Бугера—Ламберта—Бера
Вернемся к коэффициенту поглощения k для монодисперсного света. Уже сам Бугер предполагал, что величина k зависит от числа атомов, которые свет… k=С Молярный коэффициент поглощения не зависит от концентрации, является табличной величиной и имеется в справочниках для…Явление фотоэффекта. Опыты Столетова
Фотоэффектом называют вырывание электронов из вещества под действием света. Это явление было открыто экспериментально немецким физиком Г. Герцем в…Вольт — амперная характеристика фотоэлемента
В дальнейших экспериментах была детально исследована зависимость силы фототока от напряжения, приложенного к пластинам конденсатора при заданной…Законы фотоэффекта
Все наблюдавшиеся экспериментальные результаты были сформулированы в виде законов фотоэффекта: 1. Ток насыщения прямо пропорционален световому потоку, падающему на катод… 2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности светового потока и линейно возрастает…Объяснение законов фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна
Все попытки объяснить явление фотоэффекта на основе волновой теории света оказались безрезультатными. Объяснение фотоэффекта было дано А. Эйнштейном… (4) где hv — энергия падающего кванта, А — работа выхода, — кинетическая энергия вырванного с поверхности металла…Вопросы
1. Нарисовать зависимость кинетической энергии вырванных фотоэлектронов от величины падающего светового потока для частот v1 и v2, причем v1>… 2. Между катодом и анодом приложен задерживающий потенциал, такой, что…Экспериментальное подтверждение уравнения Эйнштейна
Используя формулу (1), уравнение Эйнштейна можно переписать в виде eUз=hv-A (5) Из формулы (5) следует, что зависимость величины е·Uз от частоты падающего света носит линейный характер. Видно, что…Применение фотоэффекта
Фотоэффект имеет исключительно широкое применение в современной технике и в лабораторных исследованиях. Для различных измерений используют…Спектральный состав излучения
Во многих случаях важно не только общее количество энергии, излучаемой источником за одну секунду, то есть интенсивность света, но и его… Рис. 23. Спектр монохроматического излучения лазера с длиной волны λ0Спектры поглощения и спектры испускания
Если между раскаленным источником света и дифракционной решеткой поместить пары металлов или каких-либо других атомов, то на фоне сплошного спектра…Фраунгоферовы линии
В 1862 г. Волластон заметил, что спектр Солнца испещрен множеством черных тонких линий (рис. 27). Позднее эти темные линии на сплошном спектре… Как объяснить появление таких линий в солнечном спектре? В атмосфере Солнца…Спектр атомов водорода
Спектр атомарного водорода (как и спектры других атомов) состоит из отдельных линий, сгруппированных в серии. Исторически первой была изучена так… ; k = 3, 4, 5 …, где R=3,28985·1015, табличная величина (постоянная Ридберга).Строение атома
Из опытов Резерфорда было известно, что атом имеет планетарную структуру и состоит из точечного положительно заряженного ядра и электронов,…Постулаты Бора
Для объяснения спектров атомов Нильс Бор в 1913 году сформулировал следующие постулаты: 1. Атом может длительно находиться в устойчивых стационарных состояниях с… 2. При переходе из одного стационарного состояния Еk в другое Еn атом излучает (поглощает) один квант света с энергией…Энергетические уровни в атоме водорода
Сопоставляя второй постулат Бора hvn,k=Ek-En с формулой для энергии Е кванта света в спектре водорода, легко видеть, что энергия атома в… Таким образом, энергия атома водорода обратно пропорциональна квадрату номера орбиты, на которой находится электрон.…Радиусы орбит и скорости движения электронов по орбитам
Запишем силы, действующие на электрон, вращающийся по орбите радиуса r в атоме водорода. Заряженный отрицательно электрон (—e) взаимодействует с… С другой стороны, эту силу можно рассмотреть как центростремительную (она удерживает вращающийся электрон на орбите) и…Энергия электрона на орбитах
Энергия электрона на орбите складывается из его кинетической и потенциальной энергий. Используя выражения для r и v, полученные в предыдущем… Таким образом, полная энергия электрона в атоме водорода обратно пропорциональна радиусу орбиты (рис. 33).Волны де-Бройля и третий постулат Бора
Рассмотрим третий, наиболее загадочный, постулат Бора mvr=n·h/2π Запишем его в видеПонятие люминесценции
Вам известно, что нагретые тела светятся. Суть этого явления заключается в превращении энергии теплового, хаотического движения атомов в энергию… Все это не имеет никакого отношения к люминесценции. И наоборот, всякое… В окружающем нас мире немало естественных люминофоров. Вот цитата из серьезной монографии «Люминесцентный анализ» ред.…Механизм люминесценции и правило Стокса
Пусть на люминофор падает свет, спектр которого схематически изображен на рис. 35.Закон спадания люминесценции со временем
Как уже говорилось, после прекращения облучения люминесцентное вещество некоторое время светится, однако интенсивность его свечения убывает со… Пусть N — число возбужденных атомов, т. е. число атомов, у которых электроны… dN/N= — А·dt (6)Энергетический выход, квантовый выход, закон Вавилова
Важными характеристиками люминесценции являются энергетический и квантовый выходы. Отношение энергии, излучаемой при люминесценции, к поглощенной… Обычно В ≈ 0,7—0,8, поэтому использование таких люминофоров очень экономично.Использование люминесценции
Известным применением люминесценции служат экраны, светящиеся под действием рентгеновских лучей или радиации. Это позволяет получить изображения… Часто для люминесценции используют искусственные люминофоры, например…Исследование физиологических процессов
Какова же природа люминесценции тканей? По современным представлениям имеется две причины собственной люминесценции. Во-первых, присутствие в тканях люминесцирующих соединений типа порфириновых…ЛИТЕРАТУРА
Лаврова И. В. Курс физики. Учебное пособие для студентов биол.-хим. фак. мед. ин-тов. М.: Просвещение, 1981, 256 с, 4 л.
Зисман Г. А., Тодес О. М. Курс общей физики: Т. 3. М.: Наука, 1979, 496 с, ил.
Яворский Б. М., Детлаф А. А. Курс физики: Т. 3. М.: Высш. шк., 1971, 536 с. с илл.
СОДЕРЖАНИЕ
Занятие № 1
Тема: Тепловое излучение.
1. Понятие теплового излучения 3
2. Полная светимость ЕТ и спектральная светимость elТ
нагретого тела 3
3. Коэффициент поглощения 3
4. Закон Кирхгофа 5
5. Зависимость лучеиспускательной способности от длины
волны 7
6. Законы излучения абсолютно черного тела '. . 8
7. Практическое применение законов излучения абсолютно
черного тела 9
8. Формула Планка 10
Занятие № 2
Тема: Поглощение света.
1. Закон Бугера 12
2. Закон Бугера—Ламберта—Бера 14
3. Зависимость молярного коэффициента поглощения 
от длины волны света l (спектр поглощения) 15
Занятие № 3
Тема: Фотоэффект.
1. Явление фотоэффекта. Опыты Столетова 18
2. Вольт-амперная характеристика фотоэлемента 19
3. Законы фотоэффекта 20
4. Объяснение законов фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна ... 21
5. Экспериментальное подтверждение уравнения Эйнштейна ... 22
Занятие № 4
Тема: Спектры атомов.
1. Спектральный состав излучения 25
2. Спектры поглощения и спектры испускания 26
3. Фраунгоферовы линии 27
4. Спектр атомов водорода 28
5. Строение атома 29
6. Постулаты Бора 30
7. Энергетические уровни в атоме водорода 30
8. Радиусы орбит и скорости движения электронов по
орбитам ... 31
9. Энергия электрона на орбитах 32
10. Волны де-Бройля и третий постулат Бора 34
Занятие № 5
Тема: Люминесценция.
1. Понятие люминесценции 35
2. Механизм люминесценции и правило Стокса 36
3. Закон спадания люминесценции со временем 37
4. Энергетический выход, квантовый выход. Закон Вавилова 39
5. Использование люминесценции 40
6. Исследование физиологических процессов 41
Литература 42