Предприятие как объект планирования

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.

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.