2.1.2 Закони теплового випромінювання

Характеристиками теплового випромінювання є світність (R_т), випромінювальна здатність (r_,T), поглинальна здатність (а_,T).

Світність – це кількість енергії, що випромінюється одиницею площі тіла за одиницю часу в усіх напрямах і на всіх частотах.

Випромінювальна здатність – це кількість енергії, що випромінюється в одиничному інтервалі частот при заданій температурі за одиницю часу з одиниці площі тіла:

.

Поглинальна здатність – це безрозмірна величина, яка визначається відношенням густини потоку випромінювання, що був поглинутий тілом, до величини потоку випромінювання, що на нього падає:

.

Тіло, яке поглинає всю енергію, що на нього падає, називається абсолютно чорним тілом (а_,T=1). В природі немає абсолютно чорних тіл, всі вони є сірими, і вважаються абсолютно чорними умовно.

На рис. 2.2 показано приклад абсолютно чорного тіла. Це – майже замкнена порожнина із малим отвором. Випромінювання, що попадає в порожнину, багаторазово відбивається від стінки і поглинається порожниною практично повністю.

2.1.3 Закон Кірхгофа

Відношення випромінювальної здатності до поглинальної залежить тільки від частоти і температури.

- формула, що виражає закон Кірхгофа

- для абсолютно чорного тіла

2.1.4 Закон Стефана-Больцмана

Світність абсолютно чорного тіла пропорційна четвертій степені абсолютної температури.

- формула, що виражає закон

 - стала Стефана-Больцмана, =5,710^-8 Вт/м²К⁴.

2.1.5 Закон зміщення Віна

Довжина хвилі, на яку припадає максимум випромінювання обернено пропорційна абсолютній температурі:

- формула закону зміщення.

Експериментальне значення констан-ти b=2,910^-3 мК.

_,Т – випромінювальна здатність абсолютно чорного тіла, що характеризує спектральний склад рівноважного випромінювання як функцію довжини хвилі і температури.

2.1.6 Гіпотеза Планка. Формула Планка для розподілу енергії по частотах (довжинах хвиль)

Для пояснення кривої розподілу випромінювання енергії по частотах (довжинах хвиль) Планк запропонував гіпотезу, згідно якої тіло випромінює і поглинає енергію певними порціями, або квантами.

,

h – стала Планка (квант дії), її розмірність співпадає із розмірністю момента імпульсу; h=6,6210^-34 Джс.

Формула Планка, записана для випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла як функції частоти, має вигляд:

,

.

Як функція довжини хвилі характеристика спектрального складу

,

де .

2.1.7 Оптична пірометрія та її застосування

Пірометри – це прилади для вимірювання температури, або енергії, що випромінюється тілом. Побудовані на законах теплового випромінювання.

Пірометри розрізняють оптичні і колірні в залежності від того, які закони теплового випромінювання використано в їх конструкції.

Пірометри застосовуються для вимірювання відносно високих температур (T>1000С), позаяк вони не потребують контакту з тілом температура якого вимірюється, а також самосвітних тіл, віддалених від спостерігача (наприклад, зір).

2.2 Фотони

2.2.1 Фотоефект. Види фотоефекту. Закони фотоефекту. Фотодіоди та фоторезистори

Одним із явищ, яке може бути пояснене на основі представлення світла у вигляді частинок, або корпускул, що називаються фотонами – є явище фотоефекту.

Фотоефектом називається явище виривання електронів під дією світла з атомів.

Якщо електрони лишаються в об’ємі речовини, то при цьому збільшується концентрація носіїв, зменшується опір, - такий фотоефект називається внутрішнім.

Якщо ж електрони вилітають за межі речовини, то фотоефект буде зовнішнім, при цьому електрони, що вирвались із матеріалу під дією прикладеного електричного поля, можуть утворити електричний струм в колі.

Схема дослідження фотоефекту показана на рис. 2.4, а вольт-амперна характеристика вакуумного фотоелемента на рис. 2.5.

Закони фотоефекту:

1. Струм насичення пропорційний світловому потоку: , (див. рис. 2.5, де Ф₂>Ф₁).

2. Існує червона межа фотоефекту, тобто така мінімальна частота світла, при якій ще можливий фотоефект: , де А_в – робота виходу електрона.

3. Максимальна швидкість фотоелектронів не залежить від інтенсивності світла, а залежить тільки від його частоти.

Ейнштейн запропонував формулу фотоефекту:

.

Енергія фотона цілком засвоюється електроном і йде на подолання роботи виходу із матеріалу і надання електрону кінетичної енергії.

Як видно із рис. 2.5, навіть при напрузі U<0 може існувати невеликий струм, пов’язаний із тим, що деякі електрони мають можливість долетіти від катода до анода.

По запірній напрузі (U_з) визначають величину кінетичної енергії електронів при фотоефекті (див. рис. 2.4):

.

Запірна напруга – це така напруга, при якій ні один вирваний під дією фотоефекту електрон, не долітає від катода до анода.

Фотодіоди – це прилади (вакуумні або твердотільні), які служать джерелами електричного струму.

Фоторезистори – це твердотільні прилади, в яких під дією світла збільшується провідність.

Твердотільні фотодіоди відрізняються від твердотільних резисторів тим, що в них є p-n-перехід.

Наявність p-n-переходу приводить до розділення пар носіїв, що виникають під дією світла, і утворення різниці потенціалів.