Зміст курсу

Тепловое излучение. Опыт показывает, что интенсивность излучения (испускаемого физическим объектом волнового электромагнитного поля (ЭМП)), выходящего через малое отверстие из замкнутой полости, определяется только температурой нагрева стенок полости и не зависит от материала, из к-рого полость изготовлена. Волновое ЭМП, находящееся внутри полости, стенки к-рой имеют постоянную температуру, представляет равновесное тепловое излучение. Частотное распределение энергии ЭМП в свечении, испускаемом нагретым телом, считают удобным соотносить со спектром излучения абсолютно чёрного тела (АЧТ) – тела, поглощающего всё падающее на него излучение.

Begin

Image1.Picture.LoadFromFile(‘c:\picture1.bmp’);

Image2.Picture.LoadFromFile(‘c:\picture2.jpg’);

end;

  Должен быть подключен модуль JPEG. Файлы изображений должны находиться в указанном в строке выбора месте. Это BiyMap. А это Jpeg.

12.9. Битовый образ	12.18
12.9.1. Основы
Это область памяти для хранения картинок в стандарте BitMap. Содержимое области может прямо выводиться в форму или (лучше) в компоненту Image. Битовый образ может загрузиться дисковым файлом только один раз для его многократного использования. Это ускоряет работу приложения. Для работы с битовым образом нужно: § В разделе var объявить переменную (например, MyBitMap) типа BitMap. § Создать объект типа BitMap, используя код MyBitMap:=TBitMap.Create. § Загрузить в него файл с расширением.bmp, используя код MyBitMap.LoadFromFile(‘файл’); § Использовать этот файл для вывода картинок.	Под него выделяется память. Она заполняется данными.

12.9.2. Пример

12.19

unit aplanes_; interface uses Windows, Messages, SysUtils, Classes, Graphics, Controls, Forms, Dialogs; type TForm1 = class(TForm) procedure FormPaint(Sender: TObject); private { Private declarations } public { Public declarations } end; var Form1: TForm1; sky, aplane: TBitMap; // битовые образы implementation {$R *.DFM} procedure TForm1.FormPaint(Sender: TObject); begin // создать битовые образы sky:= TBitMap.Create; aplane:= TBitMap.Create; // загрузить картинки sky.LoadFromFile('sky.bmp'); aplane.LoadFromFile('aplane.bmp'); // рисовать картинки Form1.Canvas.Draw(0,0,sky); // фон - небо Form1.Canvas.Draw(20,20,aplane); // сам_1 aplane.Transparent:=True; // прозрачен Form1.Canvas.Draw(120,20,aplane); // сам_2 // освободить память sky.free; aplane.free; end; end.

Проект - картинка с двумя самолетами на фоне неба. Левый самолет, для фона непрозрачен. Правый самолет, для фона прозрачен. Небо. Самолет. Файлы должны быть доступны. Результат: Теперь битовый образ самолета прозрачен. Точки с цветом, как у левого нижнего пикселя.

12.10. Анимация	12.20
Это рисунок с движением или изменением. Для создания анимации нужно: § Вывести рисунок на экран. § Затем стереть его. § Вывести рисунок на экран в другой позиции. Для получения ощущения движения нужно подобрать расстояние и временной интервал между отрисовками. Для работы нужны битовые образы: § Фона. § Движущегося объекта. § Буфера для хранения копии фона, заслоняемого движущимся объектом. Для задания временных интервалов нужно в приложении использовать компонент Timer, который находится на вкладке System. Это не визуальный компонент, поэтому его можно разместить в любом месте формы.
Пример	12.21
unit prg_14_3_; interface uses Windows, Messages, SysUtils, Classes, Graphics, Controls, Forms, Dialogs, ExtCtrls, StdCtrls, Buttons; type TForm1 = class(TForm) Timer1: TTimer; Image1: TImage; procedure FormActivate(Sender: TObject); procedure Timer1Timer(Sender: TObject); procedure FormClose(Sender: TObject; var Action: TCloseAction); private { Private declarations } public { Public declarations } end; var Form1: TForm1; implementation {$R *.DFM} var Back, Bitmap, Buf: TBitMap; BackRct: TRect; BufRct: Trect; x,y:integer; W,H: integer; procedure TForm1.FormActivate(Sender: TObject); begin // создать три объекта - битовых образа Back:= TBitmap.Create; Bitmap:= TBitmap.Create; Buf:= TBitmap.Create; Back.LoadFromFile(‘factory.bmp’); Form1.Image1.canvas.Draw(0,0,Back); Bitmap.LoadFromFile('aplane.bmp'); Bitmap.Transparent:= True; Bitmap.TransParentColor:= Bitmap.canvas.pixels[1,1]; // создать буфер для копии области фона W:= Bitmap.Width; H:= Bitmap.Height; Buf.Width:= W; Buf.Height:=H; Buf.Palette:=Back.Palette; Buf.Canvas.CopyMode:=cmSrcCopy; // область буфера для восстановления BufRct:=Bounds(0,0,W,H); // начальное положение картинки x:= -W; y:= 20; // сохраняем область фона BackRct:=Bounds(x,y,W,H); Buf.Canvas.CopyRect(BufRct,Back. Canvas,BackRct); end;	Проект - картинка с самолетом, движущимся слева направо на фоне фабрики. Форма приложения содержит компоненты: § Image1 - изображение. § Timer1 - таймер. // фон, картинка, буфер // область фона, восстановлена из буфера // область буфера для фона // текущее положение картинки // размеры картинки 12.22 // фон // картинка // буфер // загрузить и вывести фон // загрузить картинку, которая движется // определим «прозрачный» цвет // Для соответствия палитр!!

// обработка сигнала таймера procedure TForm1.Timer1Timer(Sender: TObject); begin Form1.image1.canvas.Draw(x,y,Buf); x:=x+2; if x>form1.Image1.Width then x:=-W; // сохраняем область фона BackRct:=Bounds(x,y,W,H); Buf.Canvas.CopyRect(BufRct, Back.Canvas,BackRct); // выведем рисунок Form1.image1.canvas.Draw(x,y,bitmap); end; // завершение работы программы procedure TForm1.FormClose(Sender: TObject; var Action: TCloseAction); begin // освободим память для битовых образов Back.Free; Bitmap.Free; Buf.Free; end; end.

12.23 // восстановлением фона удалим рисунок

12.10.2. Утилита Image Editor

12.24

Она доступна по команде Сервис=>Image Editor. В редакторе можно создавать и сохранять: Файл Команда Иконка File=>New=>Icon File (.ico) Курсор File=>New=>Cursor File(.cur) Битовое изображение File=>New=> BitMap File (.bmp) Ресурсов File=>New=> Resource File (.res) Ресурсов компонент File=>New=>Component Resource File (.dcr) Существующие файлы этих типов в редакторе можно корректировать. При создании нового или открытии существующего файла вызывается окно редактирования Оно выглядит как в обычном графическом редакторе, но доступные инструменты определяются автоматически типом файла. Например, при открытии файла factory.bmp окно редактирования имеет вид:

12.11. Использование файла ресурсов	12.25
12.11.1. Введение
Для того чтобы работающее приложение не требовало внешних файлов с картинками, можно битовые образы загрузить как ресурсы в исполняемый файл (.exe файл). Порядок действий: 1. Создать файл ресурсов. 2. Занести битовые образы в файл ресурсов. 3. Подключить файл ресурсов к программе. Для создания файла ресурсов используется утилита Image Editor (Редактор изображения).
12.11.2. Создание файла ресурсов
Файл ресурсов может содержать картинки разного типа. Файл имеет иерархически организованное оглавление, которое заполняется по мере включения в файл новых картинок При создании файла формируется окно содержания. Новый файл можно сохранить с расширением.res с использованием стандартного файл-менеджера.

12.11.3. Наполнение файла ресурсов

12.26

Для добавления ресурса в файл нужно: § Командой Resource=>New вызвать список доступных ресурсов (BitMap, Icon, Cursor). § Из списка выбирается нужный ресурс. Если это курсор, то он заносится в оглавление файла. Если это Icon или BitMap, то вызывается окно свойств, в котором выбираются подходящие значения. § Создается ресурс с именем по умолчанию CursorN, IconN, BitMapN. Имя ресурса можно изменить командой Resource=>Rename. § В файл ресурсов можно включить множество составляющих. Итоговое оглавление ниже:

Для выделенного в оглавлении ресурса командой Resource=>Edit можно вызвать окно его редактирования. Пример окна редактирования для ресурса BitMap ниже.

12.11.4. Подключение файла ресурсов

12.27

Осуществляется директивой компилятору, которая предписывает ему при компоновке включить в exe-файл указанный файл ресурсов. Формат директивы {$R <имя файла ресурса>} После этого файл ресурсов известен с программе под системным именем HInstance. Загрузить картинку из подключенного файла ресурсов в переменную типа TBitMap можно с помощью метода LoadFromResourceName, который имеет два формальных параметра: § HInstance, § Имя ресурса.. Пример Пусть для работы с программой 14_3_ был создан файл ресурсов images.res, содержащий два BitMap образа с именами: § factory - из файла factory.bmp, § aplane - из файла aplane.bmp. Тогда в коде модуля формы перед интерфейсной частью нужно ввести директиву {$R images.res}, а в разделе implementation вместо команд Back.LoadFromFile(‘factory.bmp’); BitMap.LoadFromFile('aplane.bmp'); применить команды Back.LoadFromResourceName (HInstance,’factory’); Bitmap.LoadFromResourceName (HInstance,’aplane’);

Ø Спектральная поглощательная способность AЧT для всех частот и температур – отношение поглощённого светового потока d Ф ’ к падающему d Ф В природе АЧТ, вообще, отсутствуют (АЧТ представляет физическую модель); однако, напр-р, сажа или черный бархат, пo cвoйствaм в определенном интервале частот довольно близки к этой идеальной модели. Информацию об АЧТ получают только, регистрируя интенсивность испускания ЭМП из полости; АЧТ характеризуют испускательной способностью R _l (или R _n) – энергетической светимостьюв определённом спектральном интервале.

Ø Законом Кирхгофа установлено, что отношение испускательной и поглощательной способностей тела не зависит от природы тела и является универсальной для всех тел функциейчастоты и температуры Для АЧТ универсальная функция Кирх­гофаρ _{n, Т} ( или ρ _{λ, Т} ) есть спектральная плотность энергетической светимости ( испускательная способность ).

Ø B историч. отношении изучение спектров АЧТ оказалось важным тем, что дало возможность сформулировать важное понятие квантов энергии, определивших дальнейшие направления в формировании физической картины мира.

¬ Спектры черного тела. Спектральное распределение энергии в спектре зависит только от температуры тела ( пунктиром указана кривая, характерная для формулы Рэлея-Джинса ).

Ø Одной из попыток истолковать спектры АЧТ (дать теоретич. объяснение наблюдаемой зависимости спектральной плотности испускания была формулировка соотношения Рэлея и Джинса, основанная на обычных (классических) представлениях. Формула Рэлея — Джинса объясняла ход кривых лишь в области больших длин волн: и с уменьшением этого параметра (примерно в диапазоне длин волн, отвечающем ультрафиолетовым частотам) качественно расходилась с измеряемыми кривыми, не описывая также максимума кривой (положение к-рого на шкале длин волн устанавливается законом Вина).

Ø Теоретич. объяснение законов спектра свечения нагретых тел было дано на основе формулы Планка. При выводе формулы М.Планку пришлось, однако, игнорировать общепринятое в то время классич. предположение о том, что энергия приходящаяся на одну степень свободы поля, то есть на каждый возможный стационарный тип колебаний поля в полости АЧТ (моду излучения) зависит от температуры стенок полости (~ Эта энергия (энергия светового кванта) оказалась пропорц-ной только частоте данного колебанияв этом и состояла гипотеза Планка, в виде таких квантов и должны запасать и испускать энергию ЭМП элементарные излучатели - атомы, из к-рых состоит вещество стенок полости. Действит-но, температура в среде не оказывает влияния на положение атомов в системе энергетических уровней. Формулой устанавливалась такая зависимость ( согласующаяся с результатами практических измерений спектров АЧТ, рис .1):

или на частотной шкале:

Ø Формулой Планка заложены основы квантового описания процессов взаимодействия света с веществом. При этом в физику была введена новая фундаментальная константа h = 6.626·10^-34 Дж · с (постоянная Планка или квант действия), а также представления о квантовых переходах между дискретными энергетическими уровнями энергии, на которых могут находиться электроны в атомных системах. В результате переходов изменяется энергия атомной системы, «дефект» же (разность) энергий испускается в виде кванта. Световые потоки, испускаемые средой как ансамблем атомных систем, состоят из квантов и формируют регистрируемое приборами или зрением наблюдателя излучение. Для описания этих переходов Эйнштейн ввел в употребление коэффициенты, носящие его имя, описывающие вероятности переходов между уровнями.

Фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называютвозникновение проводимости в схеме электродов в вакуумном устройстве в результате действия электромагнитного излучения. Фотоэффект считают результатом приобретения электронами энергии за счет действующего ЭМП, необходимой для их высвобождения и перехода в энергетическую зону проводимости.

Ø Внутренний фотоэффект— это результат вызванных ЭМ излучением переходов электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости — повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении. Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называют испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения.

Ø Два электрода (катод К из исследуемого металла и анод А) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения ( рис .2). Ток, возникаю­щий при освещении катода монохроматич. светом (через кварцевое окошко), измеряется включенным в цепь миллиамперметром. Зависимость силы фототока I, образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения U между катодом и анодом называют вольт-амперной харак­теристикой фотоэффекта.

Ø По мере увеличения U сила фототока I (U) посте­пенно возрастает до выхода на насыщение. Максимальное значение тока I _нас. ¾ фототок насыщения ¾ определяется таким значением U, при к-ром все электроны, испускаемые катодом, достигают анода: I _нас.=где число электронов, испус­каемых катодом в 1 с. При U = 0 фототок I не исчезает, поск-ку фотоэлектроны при вылете из катода обладают нек-рой начальной скоростью. Для того, чтобы сила фототока I стала равной нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U _0. При U = U ₀ ни один из электронов, даже обладающий при вылете максимальной начальной скоростью, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода: Т.е., измерив задерживающее напряжение U ₀, м-но определить максимальное значение скорости фотоэлектронов и кинетической энергии

«Законыфотоэффекта

1. Закон Столетова: при фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, испускаемых фотокатодом в единицу времени, пропорционально интенсивности света (сила фототока насыщения пропорциональна энергетической освещенности Е_е катода).

2. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой

3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта — минимальная частота света (зависящая от химич. природы вещества и состояния его поверхности), ниже к-рой фотоэффект невозможен.

× Для объяснения механизма фотоэффекта Эйнштейном предположено, что свет частотой не только испускается отдельными квантами (согласно гипотезе Планка), но и распространяетсяв пространстве и поглощаетсявеществом отдельными порциями (квантами), энергия к-рых ¾ Кванты электромагнитного излучения, движущиеся со скоростью с распространения света в вакууме, называются фотонами.

× Энергия действующего фотона расходуется на совершение электроном работы выходаА из металла и на передачу вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии W _k. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта записывается так:

× Это уравнение объясняет зависимость кинетической энергии фотоэлектронов от частоты падающего света (2-ой закон). Предельная частота (или при которой кинетическая энергия фотоэлектронов становится равной 0, и есть красная граница фотоэффекта (3-ий закон).

Ø На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлементов и фотосопротивлений (фоторезисторов) в фотоэкспонометрах, люксметрах и устройствах управления и автоматизации различных процессов, пультах дистанционного управления, а также полупроводниковых фотоэлектронных умножителей и солнечных батарей.

Гипотеза о фотонах. Для объяснения механизма фотоэффекта А.Эйнштейном предположено, что свет частотой не только испускается отдельными квантами, но и распространяетсяв пространстве и поглощаетсявеществом отдельными порциями (квантами), энергия которых В теории Планка исходили из того, что атом обменивается энергией с ЭМП не непрерывно, а лишь порциями, квантами, величины которых пропорциональны частоте света. В 1905 г. А.Эйнштейн на основании этого предположил, что планковские кванты существуют в виде реальных частиц. Кванты ЭМ излучения, движущиеся со скоростью с распространения света в вакууме, были названы фотонами. Т.о. А.Эйнштейну удалось объяснить фотоэффект и фотохимические эффекты.

Ø В явлениях такого рода энергия, передаваемая светом отдельной частице, пропорциональна не интенсивности, а частоте излучения. При этом получается, что свет м-но наглядно представить некоторым подобием мелкого града или потоком быстро летящих мелких шариков. Гипотеза световых квантов была воспринята в то время ведущими физиками как ересь. Фотон был признан только после длительных дискуссий. Решающим аргументом в пользу его признания было открытие эффекта Комптона. Сам же А.Эйнштейн ясно понимал неудовлетворительность и временный характер гипотезы световых квантов. Парадоксальность введения понятия «фотон», заключается в том, что в природе никакого дуализма нет: в пространстве реально существуют только световые волны, несущие колебания ЭМ поля.

Неувязка в представлении фотона как физического объекта заключается в том, что он д-н обладать свойствами, к-рые принципиально не может иметь никакая реально существующая частица. Фотон есть бесконечная, плоская монохроматическая волна с круговой поляризацией (правой или левой). В то же время при рассмотрении поглощения и испускания фотона в квантовой механике предполагается мгновенность этого процесса. В соответствии с классическими представлениями бесконечная волна не может поглощаться или испускаться, т. к. она вечна, а интегрирование по всему пространству дает бесконечно большую энергию фотона. Атом, размеры которого на несколько порядков меньше длины световой волны, принципиально не может излучить плоскую, не расходящуюся волну. Поэтому говорить о фотоне как о реальном объекте природы неверно. Фотон следует признать математической абстракцией, идеальной и удобной в ряде ситуаций физической моделью, такой же, как материальная точка или абсолютно твердое тело в механике.

× Фотон, однако, оказался той физич. моделью, применение к-рой чрезвычайно облегчило рассмотрение процессов обмена энергией, импульсом и моментом импульса между светом и веществом. Хотя причина универсального характера постоянной Планка в физике так и осталась не понятой, введение А.Эйнштейном представления о фотоне стало большим достижением физики. Используя понятие фотона, м-но рассчитывать многие сложные оптические процессы взаимодействия света и вещества, пользуясь простой механич. моделью сталкивающихся шариков и набором простых формул: так энергия фотона величина его импульса (здесь волновой вектоp). Хотя фотон не имеет массы покоя, его движение д-но соответствовать массе, рассчитываемой, следуя значение мoмeнта импульса, переносимого фотоном, выражается как

Эффект Комптона, как одно из оправданий применения гипотезы о фотонах, представляет собой результат опытов по рассеянию рентгеновских лучей свободными электронами. По представлениям классич. физики при рассеянии поля ЭМ излучения свободными электронами его частота w (длина волны l) не меняется ¾ частотного смещения в отклонённых лучах не д-но происходить. Тем не менее, отклонение R - лучей регистрировалось в эксперименте, а частота и интенсивность рассеиваемых лучей имели выраженную зависимость от угла рассеяния q. Согласно квантовой теории часть первоначальной энергии R -фотона передается электрону, и поэтому энергия рассеянного R - фотона , а, следоват-но, и его частота, дoлжны меняться. Для количественного анализа эффекта используются выражения для законов сохранения импульса и энергии кванта с учётом релятивистской массы электрона (m_e ¾ масса покоящегося электрона ):

«Из этих двух выражений определяется разность Затем в выражении для разности совершают переход к разности т.е., (используя получают Здесь комптоновская длина волны; её значение ¾ L = 2.42 × 10^-10 cм есть константа, близкая к длинам ЭМ волн в R - диапазоне. Порядок (размер) величины L и означает, что эффект рассеяния со смещением частоты в отклоняемых лучах должен проявляться в R - диапазоне (т.е. при длинах волн излучения, сравнимых с L).

× Зависимость энергии рассеиваемых R- фотонов от угла q соответствовала наблюдаемой. Эффект Комптона тем самым стал дополнит. подтверждением гипотезы фотонов. Объяснением эффекта Комптона также обоснована справедливость законов сохранения энергии и импульса в микромире.

Складається з наступних розділів: