Инфрачервено и ултравиолетово излъчване

В понятието оптичен (светлинен) диапазон от спектъра на ел.-магн. вълни обикновено освен видимата светлина се включват и инфрачервените и ултравиолетовите лъчения, невидими за чов. око. Тези лъчения са най-близки по дължина на вълната до видимата светлина, затова имат подобни на нея св-ва.

Инфрачервено излъчване

В спектъра – м/у червената граница на видимата светлина (дълж. на вълната около 760нм) и микровълните (ок. 2 мм). Инфрачервените лъчи създават усещане за топлина, тъй като се поемат от кожата.Основни източници – нагретите тела (под 500 К).

Методи за регистриране – топлинни приемници (повишава се темп. на термочувствителен елемент); фотоелектрични приемници (предизвиква се поява или изменение на ел. ток или напрежение). Намира голямо приложение в термографията, във военната практика, в медицината и др.

Ултравиолетово излъчване

Простира се от 400нм до около 0,6 нм. Главен източник – Слънцето. При взаимодействие с кислорода в стратосферата се образува озон, който поглъща по-голямата част от вредното за живите орг. ултравиол. лъчение и го преобразува в топлинна енергия.

Ултравиолетовото лъчение в малки дози има благоприятен ефект, но в по-големи предизвиква хим. рацлагане на орг. в-ва и убива живите клетки. Използва се при луминесцентния анализ (метод за определяне на някои в-ва в смеси). Намира приложение в медицината, промишлеността, биологията и др.

Топлинно излъчване

Закон на Стефан:

Р – мощност (енергията за 1 сек.), s = 5,67.10^-8 W/(m².K⁴)

Когато тяло с температура Т се намира в среда с тмпература Т₀, .

Спектър на топлинното излъчване: Интензитетът на излъчването на абсолютно черно тяло зависи единствено от абсолютната му температура и от дължината на вълната. При увеличаване на температурата нараства пълната енергия, излъчена от черното тяло за единица време и l_m.Т = 2,9.10-3 m.K = const.

Хипотеза на Планк: Обяснявайки спектрите на излъчване на абс. черно тяло, Планк дава хипотезата, че електромагнитната енергия се излъчва от атомите и молекулите не непрекъснато, а на отделни порции, наречени кванти. Енергията на един квант е E = h.n; h = 6,63.10^-34 J.s, константа на Планк. Хипотезата на Планк не само описва излъчването на абс. челно тяло, но и поставя началото на квантовата физика.

Фотоелектричен ефект

При облъчване на някои метали със светлина, от тяхната повърхност се отделят електрони. Това е фотоефект

Волтамперна х-тика на фотоклетка: Фотоефектът силно зависи от състоянието на осветителната повърхност. Във вакуумиран стъклен или кварцов балон са поставени два метални електрода. Това е фотоклетката. На тъмно във веригата не протича ток, тъй като в пространството м/у катода и анода няма свободни токови носители. При осветяване на катода от него се избиват фото е^–, които се ускоряват от приложеното напрежение и достигат анода. Протича ток, наречен фототок. Той е право пропорционален на приложеното напрежение.

Ток на насищане – при определено напрежение всички е­­^–, отделени от катода, достигат со анода. Затова при увеличаване на напрежението токът става постоянен. Той е право пропорционален на интензитета на светлината.

Ако се подаде обратно напрежение, електричното поле се стреми да върне фотое^– обратно към катода. При това кинетичната Е на е^– намалява. Фототокът също намалява, защото само е^–, имащи достатъчно голяма Е_К, достигат до анода (останалите под действието на ел. сили се връщат обратно). Когато обр. напрежение U = U_C (наречено спирачно напрежение, фототокът става 0. От ЗЗЕ следва: eU_C = E_kmax’ = mv_max²/2, където м е масата на е^–, а v_max – максималната скорост на е^–.

Основни закономерности на фотоефекта:

1.    При осветяване с монохроматична светлина броят на отделените е^– е правопропорционален на интензитета на светлината.

2.    За всеки метал съществува червена граница на фотоефекта, т.е. максималната дължина на вълната (или съотв. миним. честота) на светлината, при която все още е възможно отделяне на фото е^–. Ако дължината на вълната надвишава червената граница, няма фотоефект, независимо от интензитета на светлината.

3.    Максималната Е_КМАХ на фотое^– не зависи от интензитета на светлината. Е_КМАХ нараства линейно при увеличаване на честотата на падащата светлина.

4.    Фотоелектрони се отделят практически едновременно с осветяването (по-малко от 10^-9 сек. след освет. на повърхн.), дори когато интензитетът на светлината е много малък.

Фотони. Обяснение на фотоефекта

Айнщайн доразвива хипотезата на Планк за светлинните кванти и стига до извода, че светлината не само се излъчва на порции (кванти), но също така и се поглъща на кванти. Квантите били наречени фотони. Фотоните са особен вид частици, които винаги се движат със скоростта на светлината. Монохроматична светлина с честота n може да се разглежда като поток от еднакви фотони. Е на един фотон е E = h.n. На светлина с различна честота n съответстват фотони с различна Е. Фотоните съчетават в себе си св-вата на вълни и на частици. От една страна, подобно на вълните, те се характеризират с честота n и дължина на вълната l, които са свързани с познатото съотношение с = ln. От друга страна, подобно на частиците, те са обособени обекти (локализирани в пространството) с точно определена Е. Излъчват се и се поглъщат само цели фотони.

hn = A_e + E_kmax’, където A_e е отделителна работа.

Обяснение закономерностите на фотоефекта.

1.    Броят на фотоните, попадащи за 1 време в/у 1 площ е правопропорционален на интензитета на светлината.

2.    Ако hn < A_e, фотоефектът няма да се наблюдава, тъй като Е на фотона не е достатъчна за отделянето на е^–. Следователно граничната честота (дължина на вълната) зависи от отделителната работа за всеки метал и се изразява с уравнението n_min = Ae/h  l_max = c/n_min = ch/A_e. Един е^– поглъща само един фотон. При нормален интензитет на светлината вероятността един е^– да погълне 2 или повече фотона е много малка.

3.    Взаимодействието на фотон и е^– е подобно на удар м/у 2 частици. Е на фотона е съсредоточена в много малка област от пространството, за разлика от Е на ел.магн. вълна в теоремата на Максуел, която е разпределена равномерно в цялото пространтсво, обхванато от вълната и се поглъща от е^– за много малък интервал от време. Затова фотое^– се появяват практически едновременно с осветяването на метала.