Главная › Макияж › Какой вид излучения нагревает вещество. «Тепловое излучение тел и фотоэффект» Введение

Какой вид излучения нагревает вещество. «Тепловое излучение тел и фотоэффект» Введение

Тепловое излучение - Электромагнитное излучение , источником которого является энергия теплового движения атомов и молекул

1. Характеристики теплового излучения

Тепловое излучение - это электромагнитное излучение атомов и молекул., возникающее при тепловом их движении.

Если излучающее тело не получает теплоты извне, то оно охлаждается и его внутренняя энергия уменьшается до средней энергии теплового движения частиц окружающей среды. Тепловое излучение свойственно всем телам при температурах выше абсолютного нуля.

Характеристиками теплового излучения являются поток излучения, энергетическая светимость, спектральная плотность энергетической светимости, коэффициент поглощения .

Потоком излучения Ф (лучистым потоком) называют среднюю мощность излучения за время, значительно большее периода световых колебаний:

В СИ поток излучения измеряется в Ваттах (Вт).

Поток излучения, отнесённый к единице поверхности, называют энергетической светимост ью R (плотность лучистого потока):

. (2)

Единицей измерения энергетической светимости в СИ является 1 Вт/м 2 .

Нагретое тело излучает электромагнитные волны различной длины. Выделим небольшой интеграл длин волн от  до  + d.

Энергетическая светимость, соответствующая этому интервалу, пропорциональна ширине интервала:

. (3)

где r  -спектральная плотность энергетической светимости тела , равная отношению энергетической светимости узкого участка спектра к ширине этого участка. Единицей измеренияr  в СИ является 1 Вт/м 3 .

Зависимость спектральной плотности энергетической светимости от длины волны называют спектром излучения тела .

Проинтегрировав (3), получим выражение для энергетической светимости тела:

. (4)

Пределы интегрирования взяты с превышением, чтобы учесть всё возможное тепловое излучение.

Способность тела поглощать лучистую энергию характеризуют коэффициентом поглощения.

Коэффициент поглощения равен отношению потока излучения, поглощённого данным телом, к потоку излучения, упавшего на него.

. (5)

Коэффициент поглощения зависит от длины волны, поэтому для монохроматических потоков вводят понятие монохроматического коэффициента поглощения :

. (6)

Понятия абсолютно черного тела и серого тела.

Из формул (5 и 6) следует, что коэффициенты поглощения могут принимать значения от 0 до 1. Хорошо поглощают излучение тела чёрного цвета: чёрная бумага, ткани, бархат, сажа, платиновая чернь и т.п. Плохо поглощают излучение тела с белой и зеркальной поверхностями. Тело, коэффициент поглощения которого равен единице для всех частот, называют абсолютно чёрным . Оно поглощает всё падающее на него излучение. Абсолютно чёрное тело - это физическая абстракция. Таких тел в природе нет. Моделью абсолютно чёрного тела является маленькое отверстие в замкнутой непрозрачной полости (рис.). Луч, попавший в это отверстие, многократно отразившись от стенок, почти полностью будет поглощён. Поэтому при малом отверстии в большой полости луч не сумеет выйти, то есть полностью поглотится. Глубокая нора, раскрытое окно, не освещённое изнутри комнаты, колодец - примеры тел приближающихся по характеристикам к абсолютно чёрным.

Рис. 1. Модель абсолютно черного тела.

Тело, коэффициент поглощения которого меньше единицы и не зависит от длины волны света, падающего на него, называют серым . Серых тел в природе нет, однако некоторые тела в определённом интервале длин волн излучают и поглощают как серые. Так, например, тело человека иногда считают серым, имеющим коэффициент поглощения0,9.

Экспериментально обнаружено, что тепловое излучение от нагретого тела притягивает - а не отталкивает! - находящиеся поблизости атомы. Хотя явление основывается на хорошо известных эффектах атомной физики, оно долгое время оставалось незамеченным и было теоретически предсказано всего четыре года назад.

Сдвиг уровней энергии за счет теплового излучения

Недавно в архиве электронных препринтов появилась , сообщающая об экспериментальном подтверждении того, что тепловое излучение от горячего тела способно притягивать к телу находящиеся поблизости атомы. Эффект выглядит, на первый взгляд, противоестественным. Тепловое излучение, испущенное нагретым телом, улетает прочь от источника - так почему же оно способно вызывать силу притяжения ?!

Показать комментарии (182)

Свернуть комментарии (182)

В обсуждении, как это почти всегда сейчас происходит, постулирован один из вариантов "объяснения". На самом деле, его применимость нужно было обосновать.
Игорь! Вы очень хороший человек. Вот уже не один год Вы катите камень своей миссии.
Что есть гравитация? Разве её механическое рассмотрение опять стало научным?
В описанном эксперименте было зарегистрировано изменение инерции.
Остальное от лукавого, да?
Очень интересен ход мыслей о доске на волнах. (я сам из бывших).
Все же, там могут быть разные простые эффекты. Например, движение в сторону понижения дна. В этой ситуации каждая следующая волна может быть чуть ниже, и все еще имеет вертикальную компоненту.

Интересно, а добавление нанотрубок в асфальт никак не связано с премией за топологию?
Нет?
На плоскости ЭМ волны не рисуются?
Ну, да, ... да.
И опять эти вихри на уровне Декарта

Ответить

Основная ценность данной статьи – она рушит некоторые стереотипы и заставляет размышлять, что способствует развитию творческого мышления. Я очень рад, что такие статьи здесь начали появляться.

Можно немного пофантазировать. Если еще понижать энергию тела (объекта), включая энергию внутренних взаимодействий в элементарных частицах, то энергия объекта станет отрицательной. Такой объект будет выталкиваться обычной гравитацией и будет обладать свойством антигравитации. На мой взгляд, современный вакуум нашего Мира не обладает абсолютной нулевой энергией – т.к. он является хорошо структурированной средой, в отличии от абсолютного хаоса. Просто уровень энергии вакуума в шкале энергии принят равным нулю. Поэтому может существовать уровень энергии меньше уровня энергии вакуума - в этом ничего мистического нет.

Ответить

"Возвращаясь к исходной теоретической статье 2013 года, упомянем потенциальную важность этого эффекта не только для атомных экспериментов, но и для космических явлений. Авторы рассмотрели силы, действующие внутри пылевого облака плотностью 1 г/см3, нагретого до 300 К и состоящего из частиц размером 5 микрон."
Нет ли здесь ошибки? Уж больно велика плотность пылевого облака, как у верхнего слоя реголита.
И по самому явлению: а если взять более нетривиальный вариант задачи - действие теплового излучения на неполяризуемую частицу, например, электрон. Куда будет направлена сила? Нагреватель - 100% диэлектрик.

Ответить

Да, это высокая плотность, на грани слипания пылинок.
У изолированного электрона нет уровней энергии, ему нечего понижать. Ну и дипольный момент у него отсутствует, в пределах погрешностей (там в тексте как раз есть ссылка на поиски ЭДМ электрона). Поэтому на него эта сила не действует. К тому же он заряжен, на нем хорошо рассеиваются фотоны, так что в целом он будет просто отталкиваться за счет давления.

Ответить

Дальний ИК спектр удобен тем, что энергии фотонов все еще малы, поэтому все требования выполняются. Более низкие температуры тоже подойдут, но там эффект уже очень слабый. При температурах в тысячи градусов рассеяние фотонов уже намного сильнее, и оно перебивает этот эффект.

Ответить

Я не про нагретое тело говорил. А про другие излучатели и спектры.
Все что мы тут обсуждаем это волновые эффекты. Значит они не могут быть ограничены только ИК диапазоном.
Правильно ли я понимаю, что в зависимости от размера частицы нужно подбирать соответствующую длину волны?
Для тяжелых атомов или атомов водорода надо подбирать свою частоту чтоб притяжение было максимальным?
Сейчас в моей голове крутится прикольная идея как такое проверить например на волнах в бассейне или море.
Т.е. сделать механическую игрушку, которая будет плыть против волн.
Что думаете на счет такой возможности?

Ответить
- 1) Длина волны должна быть существенно больше размера частицы.
  2) Сама система не должна взаимодействовать с внешним воздействием как целое, взаимодействие осуществляется только за счет индуцированной поляризации.
  3) Должен быть дискретный спектр возбуждений, а энергии квантов должны быть существенно меньше расстояний между уровнями, иначе волны будут легко рассеиваться и оказывать тем самым давление. При выполнении этих условий эффект от длины волны уже не зависит.
  4) Сила должна быть векторной, а не скалярной, чтобы понижать энергию системы.
  А теперь представьте, можно ли это реализовать для волн на воде.
  
  Ответить
  - Частично этот эффект я хорошо наблюдаю в реальном мире. Я люблю гоняться на яхтах. И мастера спорта по яхтингу выигрывают регаты именно за счет умения правильно ходить против волны. Т.е. если все делать грамотно, то набегающие волны придают яхте дополнительную энергию.
    Фактически это парадокс. Но он хорошо заметен в гонках. Как только поднимаются волны, сразу же происходит "квантование" по уровням мастерства)) Любители затормаживаются, а профи наоборот получают дополнительное преимущество.
    Так что такая игрушка вполне реальна.
    Я настраивал свою яхту так, что она шла без управления и какого либо вмешательства против ветра и против волн без проблем.
    Если копать глубже, то именно такая настройка и дает максимальное преимущество.
    Скажем так, если представить себе точечный источник сильного ветра посередине озера, то моя яхта будет стремиться к нему и ходить кругами до бесконечности...
    очень красивая и реальная аналогия например движения земли вокруг солнца)))
    и создается впечатление что есть некая сила которая тащит яхту к источнику ветра.
    Кстати можно задачку вынести на элементы и оценить например минимальное расстояние на которое яхта может подойти к источнику ветра.
    Напомню что яхта под парусами ходит против ветра галсами, описывая подобие синусоиды. Поворачивает она только через нос. Ели ее развернет то магия исчезнет и она пойдет назад по ветру.
    
    Ответить
    
    Вы, на мой взгляд, немного запутались. В хождении галсом нет никаких похожих на описываемый эффектов. Там сложная сумма вполне определенных сил, которая дает результирующую силу, у которой есть ненулевая отрицательная проекция вдоль оси направления ветра.
    
    Ответить

А вот простой эксперимент по нашей теме. Можете объяснить?

За счет чего кривая траектория оказывается быстрее чем путь по прямой?

Очевидно что если мы это наблюдаем в нашем масштабе то в квантовом мире будет точно так же. И в макро мире тоже.

Ответить

Банальная школьная задачка по физике. Упрощаем модель до одной прямолинейной траектории с малым углом к горизонтали - и траектории в виде линии с изломом, где первый участок наклонен к горизонту значительно сильнее, а у второго наклон еще меньше, чем у первой траектории. Начало и конец траекторий один и тот же. Трением пренебрежем. И рассчитаем время прибытия к "финишу" для груза по одному и другому пути. 2-й з-н Н. (восьмиклассники знают, что это) даст, что время прибытия к финишу по второй траектории меньше. Если теперь дополните задачку второй частью установки, представляющую зеркальное отражение относительно вертикали в конце траектории, немного скруглите края, то получите свой случай. Банальщина. Уровень "С" на ЕГЭ по физике. Даже не олимпиадная задача по сложности

Ответить
- Ваша идея с упрощением мне нравится. Может это поможет детишкам. Дайте время мне подумать и попробовать поговорить с подростками.
  А если без упрощения и все так банально, то какая форма траектории наиболее быстрая?
  
  Ответить

"При температурах в тысячи градусов рассеяние фотонов уже намного сильнее, и оно перебивает этот эффект."...

Вот именно!!!
Предположительно этот эффект работает в ограниченной зоне и соответствующих видов энергетических взаимодействий. "Частотная дисперсия" и соответствующая ей динамика - превалируют в граничных зонах. Некоторые нюансы этих процессов в 1991 году пытался раскопать Володя Лисин, но так,
наверное и не успел. (просто я не смог до него дозвониться.). По-моему, этот эффект угасает по мере уменьшения температурных градиентов и (интенсивности конвекционных потоков) в анализируемой зоне.
http://maxpark.com/community/5302/content/3334997#comment-44 797112
#10 MAG » 04.09.2015, 22:02
http://globalwave.tv/forum/viewtopic.php?f=20&t=65
Пролетели столетия, но без чудес... - "ни туды и ни сюды": (Фильм 7. Теплота и температура)
https://www.youtube.com/watch?v=FR45i5WXGL8&index=7& list=PLgQC7tmTSjqTEDDVkR38piZvD14Kde
rYw

Ответить

Забавный эффект. Он может пролить свет на проблему первого грамма при образовании планет - как микроскопическая пыль может слипнуться в газо-пылевом облаке. Пока атом, положим, водорода, вдали от частиц, он находиться практически в изотропном тепловом излучении. Но если к нему ненароком приблизятся две пылинки, то, взаимодействуя своим излучением с атомом, получат импульс друг к другу! Сила-то во много раз больше гравитационной.

Ответить

Для слипания пылинок не надо городить такой крутой физики. Да что "пылинки", мы же все понимаем, что речь скорее всего идёт про H2O, как основной твёрдый компонент во многих облаках? Соединения углерода с водородом чрезмерно летучи (до пентана), про аммиак вообще ничего не скажу, вещества кроме H, He, C, N, O - в меньшинстве, на сложную органику тоже мало надежд. Так что твёрдой будет в основном вода. Вероятно что в реальных облаках газа льдинки-снежинки движутся достаточно хаотично и относительно быстро, я полагаю что со скоростями самое меньшее, сантиметры в секунду. Подобный эффект, как в статье, просто не создаст такого потенциала, чтобы снежинки сталкивались - характерные относительные скорости снежинок слишком велики и снежинки проходят потенциальную яму друг-друга за доли секунды. Но не беда. Снежинки и без того часто сталкиваются и чисто механически на этом теряют энергию. В какой-то момент они слипнутся за счет молекулярных сил в момент контакта и останутся вместе, так что будут образовываться снежные хлопья. Тут, чтобы скатать небольшие и очень рыхлые снежки, не нужно ни тепловое, ни гравитационное притяжение - требуется только постепенное перемешивание облака.
Также полагаю что расчет в статье имеет грубую ошибку. Учитывалось попарное притяжение пылинок. Но пыль в плотном облаке непрозрачна и даёт равномерный жар со всех сторон, т.е. имеем пылинку внутри тёплой полой камеры. И вот с чего бы она летела бы в область ближайшей пыльцы? Т.е. чтобы притяжение работало, нужен холодный космос, а в плотном облаке его не видно, а значит нет и теплового градиента.

Ответить
- >Также полагаю что расчет в статье имеет грубую ошибку. Учитывалось попарное притяжение пылинок. Но пыль в плотном облаке непрозрачна и даёт равномерный жар со всех сторон, т.е. имеем пылинку внутри тёплой полой камеры.
  Вот здесь не соглашусь. Тут можно провести аналогию с плазмой. В приближении идеальной бесстолкновительной плазмы всё примерно как вы говорите: рассматривается среднее поле, которое, в отсутствие внешних зарядов и токов, равно нулю - вклады от заряженных частиц полностью друг друга компенсируют. Тем не менее, когда мы начинаем рассматривать отдельные ионы, оказывается, что воздействие со стороны ближайших соседей таки присутствует, и его необходимо учитывать (что делается через столкновительный интеграл Ландау). Характерный расстояние, за которым о попарном взаимодействии можно забыть, - дебаевский радиус.
  Для рассматриваемого взаимодействия, полагаю, аналогичный параметр будет бесконечным: интеграл от 1/r^2 сходится. Для строгого доказательства надо бы построить кинетическое уравнение для "тумана" из капелек с таким взаимодействием. Ну, или воспользоваться уравнением Больцмана: сечение рассеяния конечное, значит, так изощряться, как в плазме, вводя среднее поле, не придётся.
  Ну вот, думал, интересная идея для статьи, а всё тривиально. :(
  А в обсуждаемой статье поступили очень просто: оценили общую потенциальную энергию сферического облака из микрочастиц с гауссовым распределением. Для гравитации есть готовая формула, для этого взаимодействия (на асимптотике r>>R) посчитали. И оказалось, что есть заметная область, где вклад гравитации много меньше.
  
  Ответить
  - > Для рассматриваемого взаимодействия, полагаю, аналогичный параметр будет бесконечным
    Может, нулевым? В целом я не очень понял ваш пост, в нём переизбыток математики которую я не знаю, когда тут проще - чтобы была неуравновешенная сила, нужен градиент плотности излучения, когда градиента нет, силы считай нет, т.к. она одинакова во все стороны.
    > И оказалось, что есть заметная область, где вклад гравитации много меньше.
    Нельзя ли чуть поконкретнее? Я не очень понимаю, как этот эффект может помогать образованию чего-либо в космосе, чтобы иметь хоть какое-то значение. По мне так вычислена бесполезная величина. Как всё равно что доказывать что эффект в более чем в 100500 раз сильнее чем гравитационное взаимодействие между соседними атомами в атмосфере Юпитера - я соглашусь, но это лишь потому что гравитационное взаимодействие отдельных пылинок в общем-то не интересно вообще. Зато гравитация хотя бы не экранируется.
    Эффект, полагаю, усиливается в ближнем поле, когда расстояние стремится к 0, но это уже описание как именно происходит столкновение пылинок, если они уже столкнулись.
    PS: потенциал пылинки в тепловом излучении, я так понимаю, по порядку величины не зависит от размеров облака - этот потенциал зависит лишь от плотности излучения, т.е. от температуры и степени непрозрачности облака. Степень непрозрачности по порядку величины можно взять 1. Получается, не важно какое у нас облако, значение имеет лишь средняя температура кругом. Насколько велик этот потенциал, если его выразить в величине кинетической энергии м/c? (посчитать может и могу, но может есть готовое решение?) Также если облако непрозрачно, то потенциал облака в целом будет функцией от площади поверхности облака. Любопытно, получили то же поверхностное натяжение, но чуть другим образом. А внутри облака пыль будет свободной.
    
    Ответить

Вы откройте статью 2013 года, посмотрите, там несложно, там все описано обычным человеческим языком.

Они для иллюстрации взяли облако конечного радиуса 300 метров и тупо подставили числа в формулы для ситуации внутри и снаружи облака. Главное замечание в том, что даже снаружи на расстоянии чуть ли километр от центра тепловое притяжение все еще сильнее гравитационного. Это просто для того, чтобы почувствовать масштаб эффекта. Они признают, что реальная ситуация куда сложнее, и моделировать ее надо тщательно.

Ответить

Пыль в основном представлена (при 400 °К) оливином, сажей и частичками кремния. Ими "коптят" красные сверхгиганты.
Пылинки перерабатывают кинетическую энергию в тепловую. И они взаимодействуют не друг с другом, а с оказавшимися поблизости атомами или молекулами, которые прозрачны для излучения. Поскольку r - в кубе, то пылинки, оказавшиеся в миллиметре, сантиметре от АТОМА, тянут его каждый на себя, при этом появляется результирующая сила, сближающая пылинки. При этом пылинки в метре - игнорируются из-за уменьшения силы взаимодействия в миллиарды (а то и триллионы) раз.

Ответить

«Это излучение расходится во все стороны, поэтому плотность его энергии падает с расстоянием как 1/r2. Атом, находясь поблизости, чувствует это излучение - ведь оно понижает его энергию. А поскольку атом стремится понизить свою энергию взаимодействия как можно сильнее, ему энергетически выгодно приблизиться к шару - ведь там понижение энергии наиболее существенно!»
Но, позвольте, если атом устремляется к нагретому шару, то он никак не понизит свою энергию, а, наоборот, только повысит ее. Полагаю, что это не корректное объяснение.

Ответить

Тут придумал задачу. Пусть есть термостабилизированная камера, составленная из двух черных полусфер различного радиуса, ориентированных в разные стороны, и дополнительного плоского кольца. Пусть левая полусфера имеет меньший радиус чем правая, плоская перегородка делает область камеры замкнутой. Пусть атом находится в центре кривизны каждой из двух полусфер и неподвижен. Пусть полусферы тёплые. Вопрос - будет ли атом испытывать тепловую силу в одну из сторон?

Тут я вижу 2 решения: 1) в такой камере быстро возникнет тепловое равновесие, т.е. плотность излучения будет одинаковой со всех сторон, причем одинаковой в любой из точек камеры. Если плотность теплового излучения в камере не зависит от выбранной точки, то и потенциал взаимодействия с излучением не меняется, а значит нет и силы.
2) Неверное решение. Разбиваем стенку на элементы поверхности равной площади и интегрируем силу взаимодействия атома с элементом поверхности. Получается, что плоское кольцо даёт нулевой вклад, а более близкая левая поверхность имеет квадратично меньше точек, каждая из которых тащит в куб раз сильнее - т.е. пылинка летит к ближайшей поверхности, т.е. налево.

Как видно, ответ совершенно разный.

Объяснение противоречия. Если у нас есть излучающий элемент несферической формы, то он светит не во все стороны одинаково. Как итог, имеем градиент плотности излучения, направление которого не направлено на излучатель. Далее получаем вот что - разбивать сложную поверхность на точки, и рассматривать их как КРУГЛЫЕ пылинки становится совсем уже некорректно.

Ответить

Тут ещё более интересная задача на ум пришла. Пусть у нас есть излучатель тепла в виде плоского черного кольца, радиусы которого внешний и внутренний равны R и r. И точно на оси кольца, на расстоянии h расположен атом. Считать h<

Решение 1 (неверное!). Разбить кольцо на "пылинки", далее брать интеграл силы притяжения атома и элементов кольца по поверхности. Расчет не интересен, т.к. так или иначе, получим, что атом втягивается в кольцо.
Решение 2. С торца кольцо светить не может или светит исчезающе мало, т.е. потенциал энергии атома в точках плоскости кольца обращается в 0 (максимум потенциала). Излучение кольца будет ненулевым в точках, высота которых h над плоскостью кольца отлична от 0, в этих точках будет ненулевой потенциал (меньше 0). Т.е. имеем градиент плотности излучения, который локально (при h~=0, h<

Сдаётся мне, что решение 1 содержит ошибку, я вроде бы понимаю где, но не могу объяснить простыми словами.

Эта задача показывает вот что. Атом не притягивается к излучающему тепло объекту, т.е. вектор силы не направлен на излучающую поверхность. Нам совершенно не важно ОТКУДА идёт излучение, нам важно СКОЛЬКО излучения в данной конкретно точке и какой градиент плотности излучения. Атом идёт в сторону градиента плотности излучения, а этот градиент может быть направлен даже в ту полуплоскость, в которой нет ни одной точки излучателя.

Задача 3. То же кольцо что в п.2, но атом изначально в точке h=0. Это состояние равновесно и симметрично, но неустойчиво. Решением будет спонтанное нарушение симметрии. Атом вытолкнется с точки положения центра симметрии, т.к. оно неустойчиво.

Также я обращаю внимание - не надо заменять облако на притягивающиеся пылинки. Получится плохо. Если 3 пылинки встанут на одной прямой, и будут слегка затенять одна другую, то симметрия спонтанно нарушится, этого нет в гравитационных силах, т.к. гравитация не экранируется.

Ответить

У меня вопрос (не только к Игорю, а ко всем). Как потенциальная энергия входит в гравитационную массу системы? Мне хочется разобраться с этим вопросом. Например, вселенная состоит из равномерно расположенных в пространстве пылинок, которые гравитационно друг с другом взаимодействуют. Очевидно, что такая система обладает большой потенциальной энергией, поскольку есть состояние системы, в которой эти пылинки сконцентрированы в галактики, каждая из которых обладает меньшей потенциальной энергией, в сравнении с разбросанными по пространству пылинками из которых они состоят. Конкретный вопрос заключается в следующем - входит ли потенциальная энергия этой системы в гравитационную массу вселенной?
Мне кажется, что этот вопрос имеет отношение к теме, которую поднял PavelS. В бесконечной вселенной нельзя выделить сферу, которая ее охватывает. А внутри любой другой сферы, например, охватывающей галактику, гравитационный потенциал, создаваемый материей, расположенной за сферой (расположенной на больших масштабах практически равномерно по пространству), не влияет на поведение тел внутри этой сферы. Поэтому, говорить о вхождении потенциальной энергии в гравитационную массу можно только по отношению к локальным неоднородностям распределения материи.

Ответить

Я такой вопрос не поднимал. :) Также мне казалось, что расширение вселенной с учетом тёмной энергии и покраснением фотонов нарушает закон сохранения энергии, но при большом желании можно вывернуться и сказать, что полная энергия вселенной всё равно 0, т.к. вещество находится в потенциальной яме, и чем больше вещества, тем яма глубже. За что купил, за то продаю - сам в деталях не силён.
Про потенциальную энергию, она как правило считается меньшей нуля. Т.е. свободные частицы - это нуль, связанные - это уже меньше чем 0. Так что отрицательная потенциальная энергия работает как отрицательная масса (дефект массы) - масса системы меньше чем масса отдельных компонент. К примеру, при коллапсе сверхновой потенциальная энергия уходит в большой минус, а разность масс того что было и стало - может излучиться вовне в виде фотонов (скорее, не фотоны а нейтрино на самом деле).

Ответить
- В статье идет обсуждение проявлений потенциальной энергии в системе. Если в системе есть градиент потенциала этой энергии, то возникает сила. Вы совершенно верно заметили, что в некоторых условиях градиента нет, ввиду полной симметрии (атом находится внутри сферы). Я продолжил аналогию применительно к вселенной, где в целом нет градиента потенциальной гравитационной энергии. Есть только локальные его проявления.
  Есть утверждение, что масса вещества в основном состоит из кинетической энергии кварков и глюонов плюс небольшая частичка за счет поля Хигса. Если считать, что в этой массе подмешана еще отрицательная потенциальная энергия, то данное утверждение не является верным.
  Масса протона 938 МеВ. Суммарная масса кварков, как ее определи физики – примерно 9,4 МеВ. Здесь дефекта массы нет. Я хочу понять, вообще, потенциальная энергия каким либо образом учтена общей теорий относительности, как генератор массы, или нет. Или там есть просто энергия – которая является суммой кинетической энергии и потенциальной.
  «К примеру, при коллапсе сверхновой потенциальная энергия уходит в большой минус, а разность масс того что было и стало - может излучиться вовне в виде фотонов (скорее, не фотоны а нейтрино на самом деле)».
  Ну и что - дыра от того, что вещество, которое, в нее попало и находится в глубокой потенциальной яме не становиться легче, разве, что на величину массы энергии - вещества, которое она назад вернула.
  
  Ответить
  - "разве, что на величину массы энергии - вещества, которое она назад вернула"
    Вот это "разве что" может быть сколь угодно большим. Так что скинув килограмм в ЧД, она будет массивней менее чем на 1 кг. На практике аккреционным диском излучается в виде рентгена до 30% падающей массы, но число падающих протонов при этом не уменьшается. Излучается не вещество, а рентген. Рентген не принято называть термином вещество.
    Читай новость про столкновение двух ЧД, так там тоже результат заметно худее чем исходные дырки в сумме.
    Ну и наконец, вопрос в том, ГДЕ ты находишься со своими весами. В какой системе отсчета и в какой точке? Метод измерения решает всё. В зависимости от этого ты намеряешь разную массу, но это ИМХО скорее терминологический вопрос. Если атом находится внутри нейтронной звезды, то ты не можешь измерить его массу кроме как сравнивая с соседним пробным телом, которое находится рядышком. В этом плане масса атома при падении в яму не уменьшается, но масса совокупной системы не равна сумме масс компонент. Я полагаю что это наиболее точная терминология. При этом масса системы всегда измеряется относительно наблюдателя вовне этой системы.
    
    Ответить
    - Термин «величину массы энергии - вещества» здесь означает «величину массы энергии и массы вещества». Рентгеновское излучение имеет массу покоя, если его запереть в ящик из зеркал или в черной дыре. Гравитационные волны также несут энергию, и должны учитываться в генераторе массы в ОТО. Прошу извинить за неточность формулировки.
      Хотя, как я знаю, само по себе практически стационарное гравитационное поле в ОТО в составе массы не учитывается. Поэтому потенциальная энергия поля также не должна учитываться. К тому-же, потенциальная энергия всегда относительна. Или я не прав? В связи с чем, утверждение, что масса вселенной равна 0 за счет отрицательной энергии (и массы) гравитационного поля – чушь.
      В примере с черной дырой, если считать, что в процессе падения в дыру, например, килограмма картошки, обратно нечего не вылетело, я думаю, что черная дыра увеличивает свою массу на этот килограмм. Если не учитывать в составе массы потенциальную энергию картошки, то арифметика выглядит следующим образом. При своем падении в дыру картошка приобретает большую кинетическую энергию. За счет чего увеличивает, если смотреть снаружи дыры, свою массу. Но в тоже время, при взгляде снаружи, все процессы в картошке замедляются. Если сделать поправку на замедление времени, то масса картошки при взгляде на нее из внешней системы отсчета не изменится. А черная дыра увеличит свою массу ровно на 1 килограмм.
      
      Ответить

"Например, вселенная состоит из равномерно расположенных в пространстве пылинок, которые гравитационно друг с другом взаимодействуют."

Ваша модель уже является противоречивой и не имеющей отношения к реальности. Таких примеров вы можете придумать кучу и каждый раз приходить к любым выводам.
И фактором упорядоченности вашей системы будет выступать энтропия. А потенциальная энергия не даст вам никаких интересных результатов, так как она относительна выбранной точки отсчета и Наблюдателя.

В реальном мире похожая модель - это кристалл. В нем атомы равномерно расположены в пространстве и взаимодействуют друг с другом.
Поправьте меня если я не прав.

Ответить

«Ваша модель уже является противоречивой и не имеющей отношения к реальности.»
В отношении противоречивости – это надо доказать. В отношении соответствия реальности - может быть. Это гипотетическая модель. Она немного упрощена для лучшего понимания.
«И фактором упорядоченности вашей системы будет выступать энтропия…»
Согласен.

Ответить
- Если вы получаете удовольствие от волновых физических теорий и вам нравится моделировать их, то попробуйте объяснить вот этот эффект в нашей удивительной вселенной.
  Он проявляется на всех масштабах.
  https://cs8.pikabu.ru/post_img/2017/01/30/0/1485724248159285 31.webm
  Я запостил это для ИИ выше тоже. Интересно будет увидеть его обоснование тоже.
  
  Ответить
  
  Извините за прямоту, но это банальная механика первого курса университета. Впрочем, само явление должно быть понятно и сильному школьнику. Поймите, я не могу тратить время на произвольные запросы. Вообще, лучше все же в комментариях к новостям придерживаться темы новости.
  
  Ответить
  - - Вы всерьез полагаете, что физика сводится к перечислению всех возможных задачи и списку решений к ним? И что физик, видя задачу, открывает этот магический список, ищет в ним задачу за номером миллион, и читает ответ? Да нет, понимать физику - это увидеть явление, понять его, написать формулы, его описывающие.
      Когда я говорю, что это банальная физика 1 курса, это значит, что студента физфака после нормального курса механики способен самостоятельно ее решить. Нормальный студент не ищет решения, он решает задачу сам.
      Извините за отповедь, но это распространенное отношение очень удручает. Это основа непонимания большинством людей, что и как вообще делает наука.
      
      Ответить
      - Я с вами абсолютно согласен. Нет большего удовольствия чем решить задачу самому. Это как наркотик))
        Я просто задавал вопрос по дружески.
        У меня средний уровень в целом по решению задач по физике. На всесоюзных олимпиадах по физике я был по середине. А вот по программированию и моделированию получилось забраться повыше. но тут другое мышление работает.
        
        Ответить
        
        Я не могу четко сформулировать суть данного явления простыми словами. (какой то ступор в голове). Именно суть. Чтоб перенести ее в другую модель а так же объяснить школьникам.
        
        Этот эксперимент можно рассмотреть как прохождение сигнала. И по кривой траектории он проходит быстрее.
        Откуда берется этот выигрыш во времени?
        Очевидно что форма траектории так же влияет на эту задержку. Если сделать очень глубокие ямы то шарик просто не преодолеет яму, потеряв энергию на сопротивлении воздуха при больших скоростях.
        Если поставить задачу как определения оптимальной формы траектории, то задачка вроде перестает быть школьной. Мы уже попадаем в множество разных функций и форм траектории.
        Может вынести эту задачку на элементы? Мне кажется многим было бы полезно судя по реакции людей. И эта задача хорошо отражает реальность.
        
        Ответить
        
        Честное слово, я не понимаю, как, при участии во всесоюзных олимпиадах, вы не видите этого явления. Особенно вкупе с тем, что, по вашим словам, вы не можете четко сформулировать суть данного явления.
        Вы понимаете, что время прохождения траектории зависит не только от ее длины, но и от скорости? Вы понимаете, что внизу скорость больше, чем наверху? Вы можете соединить эти два факта в общее понимание, что более длинная траектория вовсе необязательно означает большее время? Все зависит от прироста скорости с увеличением длины.
        Достаточно понять вот это явление, чтобы перестать удивляться эффекту. А уж конкретный расчет для произвольной траектории уже потребует аккуратной записи интеграла (и именно здесь нужен 1 курс универа). Там, разумеется, будет по-разному для разных траекторий, но можно показать, что для достаточно _пологой_ траектории любой формы, идущей строго низе прямой, время прохода всегда будет меньше.
        > Я развлекаюсь сейчас с теорией Времени.
        Вот это очень опасная формулировка. Настолько опасная, что я превентивно прошу не писать в комментариях на элементах ничего на подобные темы. Спасибо за понимание.
        
        Ответить
        
        Я вижу это явление, я его понимаю, и могу взять интеграл по любой форме траектории и легко написать программку для рассчета.
        Но когда я иду с подростками в эксперементариум и объясняю им простым языком как все работает, то именно на этом явлении я проваливаюсь. Может это уже возраст сказывается))
        А навык быстро и легко видеть конечный ответ уходит если постоянно не тренироваться. Наверное как в спорте. В 40 лет тяжело крутиться на турнике как в молодости... и делать сальто)))
        Никогда не думал что обсуждение Времени это табу))). Тем более что это фундамент. Читая Хокинга и видя как они популяризируют эти идеи, я был уверен что они захватывают умы исследователей мира.
        Может вы меня не правильно поняли?
        Но это просто разговор... и конечно я не собираюсь нарушать правила и продвигать всякую ересь и необоснованные личные теории)) Это как минимум не прилично...
        Но мозг требует еды и чего то новенького)))
        
        Ответить
        
        Что касается олимпиад. Мой опыт показал, что реально крутые ребята это не те кто решает новые задачки, а те кто их придумывает. Их единицы. Это другое измерение и взгляд на мир. Случайный 5ти минутный разговор с таким человеком на одной из олимпиад полностью поменял мою жизнь и вывел меня из глубоких иллюзий и фактически спас мне жизнь.
        Он шутил, что "доктор наук" именно и получает свое звание за то, что лечит травмированных коллег, которые не смогли взобраться на одну из горок.
        Этот человек утверждал, что топовые победители олипмиад потом растворяются в научной среде и не приносят новых открытий и результатов. Поэтому без постоянного широкого развития своих знаний и реальных навыков не будет виден путь к новому.
        И в целом олимпиады это чистый спорт с везением, куражом, хитростями, с кучей травм и калечения психики детишек, включая меня. Но это жизнь)))
        
        Ответить

Разрушители мифов и легенд уже опровергли ваше предположение.
https://www.youtube.com/watch?v=XsKhzk4gn3A

Эффект не зависит от материалов и трения.
Так же по вашей версии если мы заменим шарики на скользящие грузики то эффект пропадет.

Так же более быстрые шарики испытывают большее сопротивление воздуха. Лобовое сопротивление пропорционально квадрату скорости. И все равно им не мешает это приходить первыми.

Давайте более реалистичные идеи. Такие штуки напрямую отражают суть работы нашего мира.

Ответить

- В общем трение качения тут не причем...))
  Эффект работает в моделях без трения и воздуха.
  Можно сделать магнитики и откачать воздух.
  А вот вычислить форму траектории которая самая быстрая - это вроде прикольная задачка.
  Профессионалы в классической механике наверное могут интуитивно предсказать ответ.
  
  Ответить
  - Меня тут осенило, что эксперимент на Вашем видео напоминает маятник Фуко. Очевидно, наиболее быстрой траекторией для шарика будет дуга окружности с наименьшим радиусом из возможных (вплоть до трассы в форме полукруга = 1 полуволна гребнем вниз). Для маятника парадокс более длинной траектории и при этом большей скорости решается за счёт меньшего радиуса описываемой дуги, т.е. длины плеча маятника, от которой зависит период его колебаний.
    При этом любое отклонение движения шарика от строго кругового нежелательно, поскольку должно бы отрицательно сказываться на его средней скорости. Прямолинейное же движение шарика на видео сродни колебаниям маятника с очень длинным плечом, имеющим, как понятно всем, наибольший период колебаний. Поэтому там наблюдается наименьшая скорость шарика.
    Вроде обошелся без интегралов;)
    Интересная задачка!
    
    Ответить
    - Надо доказать математически и проверить гипотезу. Но звучит интересно... одна из последних версий была что это циклоида перевернутая.
      У меня в запасе много всякого такого.
      Например:
      Самая вроде банальная задачка по сохранению энергии для школы, но показывает как раз то понимание потенциальной энергии и кинетической о которой говорил nicolaus. Задачка для него но сломала мозг многим, даже серьезным в физике дядькам.
      Берем машинку с заводной пружиной. Ставим на пол и отпускаем. Она за счет пружины разгоняется до скорости V. Записіваем закон сохранения энергии и вычисляем энергию пружины.
      0 + E(пружины) = mV^2/2
      А теперь внимание! Переходим в равноправную инерциальную систему которая движется навстречу машинке. Грубо говоря, идем навстречу машинке со скоростью V.
      Относительно нас в начале скорость машинки была V, после разгона будет 2V.
      Вычисляем энергию пружинки.
      E(пружинки) + mV^2/2 = m(2v)^2/2
      E(пружинки) = 3mV^2/2
      Энергия пружинки вдруг выросла относительно другой инерциальной системы отсчета.
      причем чем быстрее двигаться навстречу машинке то тем больше энергия пружинки.
      Как такое возможно?
      Nicolaus это для вас. Закон сохранения нарушен. Ура! свершилось!))))
      Это тоже фундаментальное понимание процессов и переноса энергии.
      Детишки любят подкинуть проблем)))
      
      Ответить
      
      У Вас некорректно выражение после "Вычисляем энергию пружинки".
      "А детишки которые задают вопросы - очень редки."
      Детишки, которые задают вопросы, не редки. У всех детей есть период "почемучек".
      Вообще, я воздержусь от дискуссии с Вами, чтобы Вас ненароком не обидеть. Я люблю отпускать шутки, которые могут быть непоняты.
      
      Ответить

Ответить

Нет, не так. Уровень энергии вакуума, т.е. пустого пространства, определяет динамику разбегания галактик. Разбегаются ли они с ускорением или наоборот, тормозятся. Это не позволяет слишком вольно двигать шкалу. Потенциал вакуума не может выбираться произвольно, он вполне измеряется.

Ответить

Уважаемый, Игорь! Я, конечно, понимаю, что Вас задолбали комментаторы после публикации каждой новостной статьи. Мы должны Вас благодарить за то, что даете информацию о зарубежных разработках, а не долбать, но мы такие, какие есть. Ваше право вообще отправлять к первоисточнику, т.к. это рерайт или Copy Paste с технически правильным переводом, за что еще раз отдельное СПС.
А теперь по теме, если атом, частица, любое тело без кинетики перемещено ближе к источнику электромагнитного излучения, то его общая энергия повышается. А как там она внутри тела перераспределяется (какая больше возрастает (снижается) кинетическая или потенциальная) это на конечный результат не влияет. Поэтому, я и высказался, что объяснение авторов статьи – не корректное. На самом деле никакой тепловой силы не существует – это сила гравитации. Как это происходит? Ответ в статье: «Гравитация Земли Фотонно-квантовая гравитация», опубликована в венгерском журнале (с. 79-94):
http://tsh-journal.com/wp-content/uploads/2016/11/VOL-1-No-5 -5-2016.pdf

Ответить

Игорь, уж не знаю, моветон ли это. Но, в свете многочисленных комментариев по данной тематике, мне кажется, назрела необходимость написать хороший научно-популярный текст, в том числе, о понятии потенциальной энергии. Ибо, на мой взгляд, люди немного путаются. Может быть, попробуете, если будет время, и научно популярно про Лагранжианы написать? Мне кажется, с вашим талантом и опытом будет очень нужная статья. Про такие фундаментальные понятия писать сложнее всего, понимаю. Но что, все-таки, думаете?

Ответить

Позволю себе ответить на ваш вопрос.

Вот что написано на википедии:
Публикация работы Eagleworks привела к тому, что иногда EmDrive описывается как «опробованный NASA», хотя официальная позиция агентства другая: «Это небольшой проект, который пока не привёл к практическим результатам»

Но по тексту очевидно что есть интерес к этому устройству и создатели смогли привлечь внимание. Иначе никто бы деньги не выделял. Что то там есть.
Предлагаю немножко подождать и увидеть конечные результаты. Это сэкономит ваше время и затраты сил. Но надеяться на чудеса и мечтать о том как рухнут устоявшиеся знания и опыт, не стоит)))
Лучше что то строить новое, чем пытаться поломать то что сделали наши предки.
Говоря простым языком, если их устройство заработает, то найдется человек который спокойно все опишет в рамках существующих теорий.

Ответить

- Я хорошо понимаю ваши чувства. Среди моих друзей программистов, которые обладают развитым мышлением но без опыта работы с теорией физики, полно таких настроений. Откопать видео на ютюбе, найти какого то деда в гараже которые вечный двигатель построил и т.д их любимое занятие.
  Это всегда весело и хороший повод собираться на природе и жарить шашлыки.
  А для меня это возможность лишний раз проверять собственные знания и пробелы. (Они есть у всех. Некоторые правда стесняются и маскируют их.)
  Суть вашего вопроса лежит в основах физики. Если вы четко дойдете до основ теории физики, то вы поймете простую вещь.
  Как только будет доказан уникальный эффект емДрайва, и будет понятно что это не замаскированный набор уже известных эффектов, то любо грамотный физик придумает объяснение.
  Но доказательство эксперимента должно быть строгим и по всем процедурам отлаженным веками. Тут нет никаких препятствий. Просто надо следовать четким процедурам принятых в научном мире.
  Мир реальной физики - это огромные деньги. И они даются только под конкретный результат. Никто не любит тратить время зря и попадать в пустышки. Наказание за ошибки очень жесткие. На моих глазах люди просто умирали за несколько месяцев когда рушились их надежды. И я молчу про то сколько просто сходит с ума зациклившись на своих идеях в попытках "помочь всему человечеству".
  Это все не нормально.
  Вся физика строится на простейших нескольких идеях. Пока вы не разберетесь в ней досконально, то лучше не бороться с ветряными мельницами.
  Один из постулатов основ теории физики, следующий: мы можем делить пространство и время до бесконечности.
  А дальше включается математика. Вам понадобится еще монетка и карандаш.
  На одном листике с этой идеей вы можете вывести распределение Максвелла. И предсказать случайное распределение шариков в стандартном эксперименте и пойти гулять вверх по измерениям.
  Если вы спокойно делаете такое упражнение значит вы понимаете чем занимаетесь.
  Другими словами перед тем как сделать сальто на турнике, надо спокойно и не задумываясь подтягиваться любыми способами.
  В теории физики есть точка от которой все строится. Вы должны уметь от этой точки выстраивать все базовые формулы и теории.
  Как только пробежитесь по основным путям и тропкам несколько раз, то вы станете честным и реальным жителем этого мира.
  И именно тогда вы поймете что язык физики сможет описать любые явления.
  Мой знакомый лингвист, видит физику как именно язык описания реального мира. Он не верит даже в электрон))) И это его право...
  А знакомые математики говорят, что физика это математика в которую добавили капельку времени (dt)
  Начните с самих основ. Тут все четко и красиво)))
  
  Ответить

"В-третьих, существует еще одна сила притяжения - гравитационная. Она не зависит от температуры, но растет с массой тела."

Я бы не был так уверен в том, что гравитация не зависит от температуры. С температурой растёт динамика частиц, значит растёт масса (как минимум, релятивистская), значит растёт гравитация.
Вообще говоря, учитывая [на самом деле] динамический характер гравитационных сил, уже сам этот факт увязывает силу гравитации с температурой, как динамической характеристикой механических систем. Но это тема отдельного разговора, вернее сказать теории. ;)

Ответить

Насколько я понял, в "звуковом" поле сей эффект реализовать еще проще, если диполь заменить мембранкой (например, мыльным пузырем) с резонансом на частоте более высокой, чем та, на которую настроен звуковой генератор. Все-таки киловатт энергии в звук вложить как-то проще, чем в ЭМ излучение))

Забавно было бы: мыльные пузыри притягиваются к динамику...

Ответить

Звук и музыка это вообще удобная штука для исследования волн. Это мое хобби.
Если кому то интересно то вот мои попытки применить квантовую физику и резонанс Шумана в творчестве.
https://soundcloud.com/dmvkmusic
Это 3д музыка поэтому слушать ее надо только в наушниках либо на хороших колонках.
У меня есть и динамики и целая студия и даже мыльные пузыри.
Я проверю вашу идейку)))
Спасибо!
Давайте еще!)))

Ответить

"А поскольку атом стремится понизить свою энергию взаимодействия как можно сильнее, ему энергетически выгодно приблизиться к шару - ведь там понижение энергии наиболее существенно!"
Хрень какая-то, а не объяснение, атом чего там хочет, чего-то ему выгодно. И самовольно, по своему хотению перемещается куда ему хочется.
Как жаль, что нет сейчас физиков способных объяснять.
Не говоря уже о том, что воздействие энергии по объяснению понижает энергетический уровень объекта. Второй закон термодинамики, видимо, истерично бьется в конвульсиях. Простите.

Ответить

К сожалению, по вопросу о потенциальной энергии в ходе дискуссии исчерпывающего ответа получить не удалось. Поэтому, попытался в нем разобраться сам (на что потребовалось время). Вот что из этого получилось.

Многие ответы удалось найти в изложении лекции замечательного российского физика Дмитрия Дьяконова “Кварки и откуда берется масса.” http://polit.ru/article/2010/09/16/quarks/ . Дмитрий Дьяконов имел один из самых высоких рейтингов цитирования, я думаю, что он входит число великих физиков.

Что удивительно, если сравнивать с лекцией, я ничего не соврал в своих предположениях, когда писал о характере потенциальной энергии.

Вот что говорил Дмитрий Дьяконов.

«Теперь я хочу вас погрузить в глубокую мысль. Посмотрите на слайд 5. Все знают, что птичка садится на провод, в проводе 500 киловольт, а ей хоть бы хны. Вот если птичка растянется и одной лапкой возьмётся за один провод, а другой лапкой - за другой, вот тут будет нехорошо. Почему? Потому что, говорят, что сам электрический потенциал не имеет физического смысла, он, как мы любим говорить, не наблюдаем. Есть более точное высказывание, что наблюдаема напряжённость электрического поля. Напряжённость - кто знает - это градиент потенциала.»

Принцип - что наблюдаемо не само значение электрического потенциала, а только его изменение в пространстве и времени - был открыт еще в ХIХ веке. Этот принцип распространяется на все фундаментальные взаимодействия и имеет название – «градиентная инвариантность» или (другое название) «калибровочная инвариантность».

«Я начал свой список с гравитационного взаимодействия. Оказывается, что оно тоже построено на принципе калибровочной инвариантности, только там независимость не от “цвета”, не от потенциала, а от чего-то другого. Попробую объяснить, от чего.
Представим себе, что где-то имеется большая масса. Например, Солнце. Солнце - это большая масса. Что оно делает? Оно как бы прогибает плоское пространство, и пространство делается искривлённым. Очень наглядно. Теперь мы помещаем поблизости Землю, она начинает крутиться вокруг Солнца. На самом деле, образ вполне геометрический: пространство продавлено и в этой лунке крутится наша планета Земля. Посмотрите на слайд - там исказились все координатные линии. И вот, что было самым главным достижением Эйнштейна, когда он выдвинул общую теорию относительности. Он сказал, что все наблюдаемые физические явления не должны зависеть от того, какую мы соизволим нанести координатную сетку и какими часами будем пользоваться.
Почему я это привёл здесь, потому что это тоже своего рода “калибровочная инвариантность”.

Кривизна есть наблюдаемая вещь, и в математическом смысле напряжённость электрического поля - это тоже своего рода кривизна. А потенциал не наблюдаем, птичка, сидящая на одном проводе, жива.»

Исход из этого можно сделать вывод, что потенциальная энергия не должна рассматриваться как источник массы, т.к. в противном случае масса и физические процессы будут зависеть от системы отчета, из которой производиться наблюдение.

Эту мысль подкрепляет ответ Дмитрия Дьяконова на вопрос по поводу массы электромагнитного поля.

«Дмитрий: Скажите, пожалуйста, а имеют ли массу силовые поля, например, электрическое и гравитационное поля?
Дмитрий Дьяконов: Если имеют, то очень малую, и conventional wisdom состоит в том, что они безмассовые.
Дмитрий: Я имел в виду немного другое. Допустим, если у нас есть конденсатор, между пластинами которого есть электрическое поле. Это поле имеет массу?
Дмитрий Дьяконов: Нет.
Дмитрий: А энергию оно имеет?
Дмитрий Дьяконов: Да.
Дмитрий: А mc??
Дмитрий Дьяконов: Хорошо, состряпайте мне замкнутую систему, то есть, включая конденсатор, батарейку, гидроэлектростанцию, источник на солнце и так далее. Вот когда вы состряпаете замкнутую систему, то мы померяем её массу, и я скажу, что Е, которая есть mc? от этой массы - это есть энергия покоя данной замкнутой системы. Других утверждений я не делаю.
Дмитрий: То есть энергия поля, по сути, - это энергия батареи, проводов и пластин?
Дмитрий Дьяконов: Конечно. Нужно взять замкнутую систему, про неё можно сделать суждение.»

Так откуда же в нашем мире берется масса?

Дмитрий Дьяконов: «Как видите, вся история науки состояла в том, чтобы мы занимались самыми разнообразными связанными стояниями, и всегда сумма масс составляющих была больше, чем целого. И вот мы доходим до последнего связанного состояния - это протоны и нейтроны, которые сделаны из трёх кварков, и тут, оказывается, всё наоборот! Масса протона 940 МэВ - см. слайд 9. А масса составляющих кварков, то есть двух u и одного d, - складываем 4+4+7 и получаем всего 15 МэВ. Значит, сумма составляющих масс не больше целого, как привычно, а меньше, и не просто меньше, а в 60 раз меньше! То есть мы впервые в истории науки встречаемся со связанным состоянием, в котором всё наоборот в сравнении с привычным.

Оказывается, что пустое пространство, вакуум живёт очень сложной и очень богатой жизнью, которая здесь изображена. В данном случае это не карикатура, а самое настоящее компьютерное моделирование самой настоящей квантовой хромодинамики, и есть автор, мой коллега Дерик Лейнвебер (Derick Leinweber), который любезно предоставил мне эту картинку для демонстраций. Причем, что замечательно, наличие материи почти не влияет на вакуумные флуктуации поля. Это глюонное поле, которое таким вот странным образом флуктуирует всё время.
А теперь туда впускаем кварки, см. слайд 13. Что с ними будет происходить? Происходит довольно интересная вещь. Тут тоже мысль не поверхностная, попробуйте в неё вникнуть. Представьте два кварка или кварк и антикварк, которые оказываются одновременно в окрестности такой большой флуктуации. Флуктуация наводит между ними некую корреляцию. А корреляция означает, что они взаимодействуют.
Тут как раз я могу привести житейский образ. Вы спускаете воду из ванны, там образуется воронка, куда падают две спички, они затягиваются этой воронкой, и обе они крутятся одинаково. То есть поведение двух спичек скоррелированно. И вы можете сказать, что воронка навела взаимодействие между спичками. То есть внешнее влияние наводит взаимодействие между объектами, которые попадают под это влияние. Или, скажем, вы идёте по Мясницкой, и начинается дождь. И почему-то вдруг все поднимают какой-то предмет над головой. Это скоррелированное поведение, получается, что люди взаимодействуют, но они не непосредственно взаимодействуют, а взаимодействие навело внешнее влияние, в данном случае, дождь.
Все наверняка слышали про сверхпроводимость, а если в зале есть физики, они объяснят, что механизм сверхпроводимости - это конденсация так называемых куперовских пар электронов в сверхпроводнике. Здесь происходит аналогичное явление, только квантовый конденсат образуют не электроны, а пары кварков и антикварков.

Что же происходит, если кварк попадает в такую среду? Кварк летит, он может выбить один кварк, который уже организовался в такую пару, этот летит дальше, попадает случайным образом в следующую, и так далее, см. слайд 14. То есть кварк путешествует сложным образом по этой среде. И именно это даёт ему массу. Я могу объяснять это на разных языках, но лучше, к сожалению, не станет.

Математическая модель этого явления, которое носит красивое название “спонтанное нарушение киральной симметрии”, была впервые предложена ещё в 1961 г. одновременно нашими отечественными учёными Ваксом и Ларкиным и замечательным японским учёным Намбу, который всю жизнь прожил в Америке и в 2008 году, в весьма преклонном возрасте, получил за это дело Нобелевскую премию.»

В лекции был слайд 14, показывающий как путешествуют кварки. Исходя из этого слайда следует, что масса формируется за счет энергии именно кварков, а не глюонного поля. И эта масса является динамической – возникающей в результате потоков энергии (движения кварков), в условиях «спонтанного нарушения киральной симметрии».

Все что я здесь написал - это очень краткие выдержки из лекции Дмитрия Дьяконова. Лучше эту лекцию http://polit.ru/article/2010/09/16/quarks/ прочитать полностью. Там есть красивые слайды, поясняющие смысл.

Объясню почему в ходе дискуссии в этой ветке задал вопросы по потенциальной энергии. В ответах я хотел прочитать примерно тоже, что написано в изложении лекции Дмитрия Дьяконова, чтобы в дальнейшем опереться на эти высказывания и продолжить обсуждение. Однако, к сожалению, дискуссия не состоялась.

Это необходимо для усиления позиций гипотезы эволюции материи. Согласно гипотезы, масса в нашей вселенной возникает в результате структуризации материи. Структуризация – это образование порядка на фоне хаоса. Все, что написано в изложении лекции Дмитрия Дьяконова, на мой взгляд, поддерживает эту гипотезу.

Структуризация материи может идти в несколько этапов. Переходы между этапами сопровождаются революционными изменениями свойств материи. Эти изменения физики называют фазовыми переходами. В настоящее время принято считать, что фазовых переходов было несколько (Дмитрий Дьяконов также писал об этом). Последний из фазовых переходов мог иметь наблюдаемые явления, которые космологи предъявляют в качестве доказательства стандартной космологической теории. Поэтому наблюдения не противоречат этой гипотезе.

Здесь есть еще один интересный аспект. Чтобы произвести связанные с эффектом расчеты, измерять потенциал вообще не нужно. Для того, чтобы вычислить силу, которая действует на волосы и их дополнительную энергию, необходимо измерить электрический заряд (количество электронов), ушедший в тело мальчика, а также знать геометрические характеристики тела мальчика, включая характеристики его волос, размеры и расположение окружающих электропроводящих тел.

Ответить

Если мальчик будет внутри клетки Фарадея, то насколько я понимаю, даже имея эл. контакт с ней, он никогда не получит на свою поверхность эл. заряд.
При соединении клетки с заряженным шаром, весь заряд распределится по поверхности клетки. Внутри неё не будет ни эл. стат. поля, ни заряда. Потенциал на поверхности мальчика также будет нулевым и его волосы останутся на месте. Я думаю даже если он возьмёт при этом заземлённый провод в руки, ему ничего от этого не будет. Нет заряда, нет разности потенциалов, нет и тока.
Т.е. если коротко, то поместив мальчика в клетку, Вы тем самым обнулите его эл. потенциал. Потенциал будет невиден, т.к. его там попросту нет. :-)
Эффект с разностью потенциалов тоже можно наблюдать. Для этого достаточно поставить рядом с мальчиком ещё один шар, подключенный к другому источнику или просто заземлённому. Стоит теперь мальчику коснуться сразу обоих шаров, он на себе почувствует что такое разность потенциалов (дети, не делайте этого!).
Эл. потенциал наблюдаем не только через волосы. Есть ещё один красивый эффект - огни святого Эльма или попросту - коронный разряд: http://molniezashitadoma.ru/ogon%20elma.jpg

Ответить

> красивый эффект с волосами мальчика связан не с потенциалом электрического поля, а с разностью потенциалов между телом мальчика и окружающей средой (по другому - с напряженностью электрического поля)

Напряжённость эл. ст. поля это вовсе не разность потенциалов. ;-)
Это основная характеристика эл. ст. поля, которой характеризуется каждая его точка: https://ru.wikipedia.org/wiki/Напряжённость_электрического_п оля
_______________

Что касается Дмитрия Дьяконова, то его высказывания мне кажутся мягко говоря странными... Возможно он слишком увлёкся своими "кварками" и заметно оторвался от реального мира. :-)

А сколько лет было Бору, когда он спас физику от падения электрона на ядро своим утверждением о том, что падение идет скачками? Потому как орбиты можно поделить на чистые и нечистые!
Таки получилось и поделить!
Сколько лет было Максвеллу, когда он измыслил электромагнитное поле?
И многие ведь понимают - что есть поляризация!
Иногда мне кажется, что нам вбили очень много уважения в слишком раннем возрасте.
Был бы очень благодарен Игорю Иванову, если бы он сделал некий экскурс в возраст великих первооткрывателей.
Иногда мне еще кажется, что физика боится четких формулировок.
Или уклоняется?
....................
Не критиканство, но взвешенность.
Эге?

Ответить

Я верю что закон Авогадро выполняется для всех атомов (всех химических элементов) без исключений.
И я НЕ ЗНАЮ что такое вес одного атома.
В том опыте, который описан, НЕ проведено никакой параллели с условиями "испытаний по Авогадро". А ведь там были разные атомы?
Есть вероятность, что мы пытаемся понять совсем не то, что хотели выяснить экспериментаторы.
........................
и по сколько им лет, кстати?

Ответить

Задача движения планеты Земля относительно Солнца -- это задача трёх магнитов. Два магнита одинаковой полярностью направленных друг на друга -- это Земля в своей плоскости относительно оси Солнца. Солнце -- третий магнит, раскручивающий Землю и другие планеты относительно их осей пропорционально их массам. Эллиптическая орбита Земли указывает на то, что есть ещё какая-то сила, действующая со стороны "зимней" хорды эллипса. Холодные мелкие тела космоса так же движутся не свободно в космосе, у них есть приобретённое ускорение. Данное исследование может только подтверждать, что сила гравитаций планет возникает из-за достаточно нагретых оснований планет. То есть, любая планета Солнечной системы является горячей внутри.
Почему Земля и другие планеты не притянутся к Солнцу вплотную? Система динамическая, а не статическая, оси планет параллельны, поэтому получается много волчков. И смены полюсов у планет не может быть, так как это равносильно сходу с орбиты.

- Вы считаете, что возможно движение тела, обладающего магнитным полем, имеющего спутник, по инерции бесконечно долго? В таком случае Луны у Земли должно быть две, расположенных симметрично. Поведение гироскопа объясняет момент инерции, и равновесное распределение массы относительно оси вращения. Если на диске волчка разбаланс относительно оси, то он начинает осью описывать спираль. К Земле это также применимо, она имеет один спутник, который должен был бы свести её с орбиты и унести в космос, если бы её движение относительно Солнца объяснялось только механическим моментом инерции. Здесь имеет место магнетизм со стороны Солнца настолько сильный, что способен компенсировать воздействие Луны на Землю.
  Ничем другим, как магнетизмом, объяснить упорядоченное движение планет и их спутников Солнечной Системы нельзя. Мы в виде Солнца имеем как бы статор, являясь ротором, но при этом являемся статором для Луны.
  
  Ответить
  - Магнитное и электрическое поля экранируются, Амвросий. Точнее - шунтируются. Но сейчас это несущественно.):
    Как Вы представляете пружинные весы с килограммовой гирей после накрывания их магнитным экраном? Стрелка побежит справа налево?
    Мне казалось, что гироскоп замечательный предмет для развития мышления. Даже китайцы так считают.
    Только вдумайтесь. Гироскоп можно свободно перемещать по любой из трех декартовых осей! Если не замечать наклона собственной оси гироскопа в её привязке к какой-то воображаемой базе.
    Например, можно удалять свой мысленный взор от волчка до тех пор, пока он не станет для наблюдателя таким маленьким, что и мыслей не будет возникать провести ось вращения через эту "точку".
    Кстати, Амвросий, у Вас не возникали соображения об осях вращения бесконечно малых точек?
    ............
    И вот, это исключительное свойство гироскопа побудило ученых искать специфическую только для гироскопа природу ЕГО инерции!
    Возможно, это был первый шаг "науки" назад - в будущее метафизики. Первый шаг, не вызвавший иммунного отторжения обществом. (мужики такой печали отродяся не видали)
    ....................
    Прошло сколько-то лет.
    Один гений предположил, что природа инерции материального тела находится не внутри тела, а в окружающем это тело пространстве.
    Этот вывод оказался настолько же прост, насколько и ошеломителен.
    Причем, в качестве модели для изучения природы инерции, гироскоп оказался самым удобным пособием. Ведь в лабораторных установках он легко доступен для наблюдения! В отличие, например, от потока снарядов. Даже если этот поток ограничить стальной трубой.
    Представляете, какой гигантский шаг сделала наука?
    .................
    Ну, да.
    И я не представляю.
    Думайте Амвросий.
    Думайте.
    
    Ответить
    - «Один гений предположил, что природа инерции материального тела находится не внутри тела, а в окружающем это тело пространстве.»
      Интересно, не о принципе маха Вы пишите?
      Но я о своем. То, что здесь (пост от 20.09.2017 08:05) написал, относится к «пространственной симметрии». (Не ищите этот термин в интернете в том понимании, как я его использую). Там в посте шла речь о 4D случае пространственной симметрии. (Четвертая пространственная координата направлена из точки наружу.) В общем целом направления пространственной симметрии не равноправны. И это можно показать с помощью волчка (гироскопа), для одной координаты. Возьмем числовую ось. Есть направление числовой оси в положительную сторону. И есть в отрицательную. Так вот – эти направления не равноправны. Если двигаться в отрицательную сторону, то на этой оси мы не встретим вещественных чисел, которые равны корень квадратный из координаты этой оси. Отрицательная ось получается разреженной. В пространстве нельзя в явном виде выделить, где положительное направление, а где отрицательное направление. Однако можно их разделить с использованием волчка. Волчек при своем движении в направлении вдоль оси волчка образует винт. Правый и левый. Направление правого винта примем за положительное направление, а левого за отрицательное. В этом случае положительное и отрицательное направления можно разделить. Так вот, в природе существуют процессы, которые чувствуют различие между движением в положительную и отрицательную стороны– или, по-другому, чувствуют разреженность отрицательной оси.
      Вот здесь http://old.сайт/nauchno-populyarnaya_biblioteka/43375 0/Mnogo_vselennykh_iz_nichego в комментарии к статье «Много вселенных из ничего» замечательного писателя фантаста Павла Амнуэля я написал точку зрения на движение матери в нашей вселенной с использованием «пространственной симметрии». Этот комментарий является продолжением поста от 20.09.2017 08:05. Там как раз это по теме обсуждаемой статьи. Мне бы хотелось знать Ваше мнение.
      
      Ответить
      - К сожалению, пока не нашел Вашего второго комментария к статье по мотивам Амнуэля. А только от 02.09.17. Возможно, я просто не так детерминирован?):
        Там было упоминание Планка (как космического аппарата... человека и парохода...)
        Вообще интересно. Когда я понял, что постоянную своего имени он высчитал элементарно поделив известный результат на формулу Рэлея, я чуть не лопнул от злости. Еще в бурсе я тоже откалывал нечто подобное. Оказывается, не так уж много людей могут видеть соотношение формул не затрудняя себя их точным моделированием. ... Как бы это еще на хлеб намазать?
        ):
        Там вообще интересная история была. Люди измыслили абстракцию абсолютно черного тела, которое не существует в природе.
        Таки она возьми, да и найдись!
        И что?
        Обозвали ученые пространство твердью небесной?
        - Фигушки! Да?
        А просто добавили в него материи, замесив её на энергии.
        Ну, хоть так.
        Еще в той статье предполагается возможность "столкновения вселенных".
        Это проще.
        -----------
        Сейчас я начну со второго "если", а первое упомяну потом.
        Можно?
        Если мы можем выделить две (несколько, сколько угодно) вселенных, то каждая из них должна обладать признаком, феноменологически допускающим таковое выделение.
        Ученые однажды пробовали перечислить такие признаки в тн "теории множеств".
        Мы поступим чуть проще.- Очевидно, что именно феноменологически (с точки зрения удобства описания "столкновения") каждую из вселенных мы можем описать просто как "оболочку перед столкновением".
        ЕСЛИ это так, то наш разум может оперировать
        СТОЛКНОВЕНИЕМ ОБОЛОЧЕК.
        А если это не так, то тот разум, который допустил столкновение вселенных пока что зрел, но недостаточно.
        ЕСЛИ сталкиваются две (несколько) оболочек, то...
        и вот теперь пойдет первое если:
        ЕСЛИ пространство исходных и результирующей оболочек ТРЕХ МЕРНО, то и образуется, в частности, плоскость.
        Например, плоскость эклиптики.
        Каковую мы и сподобились наблюдать.
        Все остальное для меня пока имеет меньшую значимость.
        Уже получается длинно, а еще на прямой вопрос не ответил. Так что прошу прощения заранее.
        Нет, я имел в виду основное положение ОТО.
        Про Маха и его мировой центр я впервые узнал от отца. Еще в школе. Кстати, согласен с Вами. - Идея, сформулированная Эйнштейном "витала в атмосфере", созданной, во многом, именно работами Маха. Жаль, что это не входит в школьную программу.
        
        Ответить

Ответить

Написать комментарий

Излучение электромагнитных волн веществом происходит благодаря внутриатомным и внутримолекулярным процессам. Источники энергии и, следовательно, вид свечения могут быть разными: экран телевизора, лампа дневного света, лампа накаливания, гниющее дерево, светлячок и т.д. Из всего многообразия электромагнитных излучений, видимых или не видимых человеческим глазом, можно выделить одно, которое присуще всем телам. Это излучение нагретых тел, или тепловое излучение. Оно возникает при любых температурах выше 0 К, поэтому испускается всеми телами. В зависимости от температуры тела изменяются интенсивность излучения и спектральный состав, поэтому далеко не всегда тепловое излучение воспринимается глазом как свечение.

27.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

ЧЕРНОЕ ТЕЛО

Среднюю мощность излучения за время, значительно большее периода световых колебаний, принимают за поток излучения Ф. В СИ он выражается в ваттах (Вт).Поток излучения, испускаемый 1 м 2 поверхности, называют энергетической светимостью R e . Она выражается в ваттах на квадратный метр (Вт/м 2).

Нагретое тело излучает электромагнитные волны различной длины волны. Выделим небольшой интервал длин волн от λ до λ + άλ. Энергетическая светимость, соответствующая этому интервалу, пропорциональна ширине интервала:

Серых тел в природе нет, однако некоторые тела в определенном интервале длин волн излучают и поглощают как серые. Так, например, тело человека иногда считают серым, имеющим коэффициент поглощения приблизительно 0,9 для инфракрасной области спектра.

27.2. ЗАКОН КИРХГОФА

Между спектральной плотностью энергетической светимости и монохроматическим коэффициентом поглощения тел существует определенная связь, которую можно пояснить на следующем примере.

В замкнутой адиабатной оболочке находятся два разных тела в условиях термодинамического равновесия, при этом их температуры одинаковы. Так как состояние тел не изменяется, то каждое из них излучает и поглощает одинаковую энергию. Спектр излучения каждого тела должен совпадать со спектром электромагнитных волн, поглощаемых им, иначе нарушилось бы термодинамическое равновесие. Это означает, что если одно из тел излучает какие-либо волны, например красные, больше, чем другое, то оно должно больше их и поглощать.

27.3. ЗАКОНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕРНОГО ТЕЛА

Излучение черного тела имеет сплошной спектр. Графики спектров излучения для разных температур приведены на рис. 27.2. Из этих экспериментальных кривых можно сделать ряд выводов.

Существует максимум спектральной плотности энергетической светимости, который с повышением температуры смещается в сторону коротких волн.

На основании (27.2) энергетическую светимость черного тела R е можно найти как площадь, ограниченную кривой и осью асбцисс, или

Из рис. 27.2 видно, что энергетическая светимость увеличивается по мере нагревания черного тела.

Долгое время не могли получить теоретически зависимость спектральной плотности энергетической светимости черного тела от длины волны и температуры, которая отвечала бы эксперименту. В 1900 г. это было сделано М. Планком.

В классической физике испускание и поглощение излучения телом рассматривались как непрерывный процесс.

Планк пришел к выводу, что именно эти основные положения не позволяют получить правильную зависимость. Он высказал гипотезу, из которой следовало, что черное тело излучает и поглощает энергию не непрерывно, а определенными дискретными порциями - квантами. Представляя излучающее тело как совокупность осцилляторов, энергия которых может изменяться лишь на величину, краткую hv, Планк получил формулу:

(h - постоянная Планка; с - скорость света в вакууме; k - постоянная Больцмана), которая прекрасно описывает экспериментальные кривые, изображенные на рис. 27.2.

На основании (27.6) и (27.8) спектр излучения серого тела может быть выражен зависимостью:

Проявление закона Вина известно из обыденных наблюдений. При комнатной температуре тепловое излучение тел в основном приходится на инфракрасную область и человеческим глазом не воспринимается. Если температура повышается, то тела начинают светиться темно-красным светом, а при очень высокой температуре - белым с голубоватым оттенком, возрастает ощущение нагретости тела.

Законы Стефана-Больцмана и Вина позволяют, измеряя излучение тел, определять их температуры (оптическая пирометрия).

27.4. ИЗЛУЧЕНИЕ СОЛНЦА. ИСТОЧНИКИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ЛЕЧЕБНЫХ ЦЕЛЕЙ

Наиболее мощным источником теплового излучения, обусловливающим жизнь на Земле, является Солнце.

Поток солнечной радиации, приходящийся на 1 м 2 площади границы земной атмосферы, составляет 1350 Вт. Эту величину называют солнечной постоянной.

В зависимости от высоты Солнца над горизонтом путь, проходимый солнечными лучами в атмосфере, изменяется в довольно больших пределах (рис. 27.3; граница атмосферы изображена условно) с максимальным различием в 30 раз. Даже при самых благоприятных условиях на 1 м 2 поверхности Земли падает поток солнечной радиации 1120 Вт. В июле в Москве при наивысшем стоянии Солнца это значение достигает только 930 Вт/м 2 . В остальное время дня потери в атмосфере еще больше.

Ослабление радиации атмосферой сопровождается изменением ее спектрального состава. На рис. 27.4 показан спектр солнечного излучения на границе земной атмосферы (кривая 1) и на поверхности Земли (кривая 2) при наивысшем стоянии Солнца. Кривая 1 близка к спектру черного тела, ее максимум соответствует длине волны 470 нм, что, по закону Вина, позволяет определить температуру поверхности Солнца - около 6100 К. Кривая 2 имеет несколько линий поглощения, ее максимум расположен около 555 нм. Интенсивность прямой солнечной радиации измеряют актинометром.

Принцип действия его основан на использовании нагревания зачерненных поверхностей тел, происходящего от солнечной радиации.

В термоэлектрическом актинометре Савинова- Янишевскою (рис. 27.5) приемной частью радиации является тонкий, зачерненный с наружной стороны серебряный диск 1. К диску с электрической изоляцией припаяны спаи термоэлементов 2, другие спаи 3 прикреплены к медному кольцу (на рисунке не показано) внутри корпуса актинометра и затенены. Под действием солнечной радиации возникает электрический ток в термобатарее (см. 15.6), сила которого пропорциональна потоку радиации.

Дозированную солнечную радиацию применяют как солнцелечение (гелиотерапия), а также как средство закаливания организма.

Для лечебных целей используют искусственные источники теплового излучения: лампы накаливания (соллюкс) и инфракрасные излучатели (инфраруж), укрепленные в специальном рефлекторе на штативе. Инфракрасные излучатели устроены подобно бытовым электрическим нагревателям с круглым рефлектором. Спираль нагревательного элемента накаливается током до температуры порядка 400-500 °С.

27.5. ТЕПЛООТДАЧА ОРГАНИЗМА. ПОНЯТИЕ О ТЕРМОГРАФИИ

Тело человека имеет определенную температуру благодаря терморегуляции, существенной частью которой является теплообмен организма с окружающей средой. Рассмотрим некоторые особенности такого теплообмена, предполагая, что температура окружающей среды ниже температуры тела человека.

Теплообмен происходит посредством теплопроводности, конвекции, испарения и излучения (поглощения).

Трудно или даже невозможно точно указать распределение отдаваемого количества теплоты между перечисленными процессами, так как оно зависит от многих факторов: состояния организма (температура, эмоциональное состояние, подвижность и т.д.), состояния окружающей среды (температура, влажность, движение воздуха и т.п.), одежды (материал, форма, цвет, толщина).

Однако можно сделать приближенную и усредненную оценки для лиц, не имеющих особой физической нагрузки и проживающих в условиях умеренного климата.

Так как теплопроводность воздуха мала, то этот вид теплоотдачи очень незначителен.

Более существенна конвекция, она может быть не только обычной, естественной, но и вынужденной, при которой воздух обдувает нагретое тело. Большую роль для уменьшения конвекции играет одежда. В условиях умеренного климата 15-20% теплоотдачи человека осуществляется конвекцией.

Испарение происходит с поверхности кожи и легких, при этом имеет место около 30% теплопотерь.

Наибольшая доля теплопотерь (около 50%) приходится на излучение во внешнюю среду открытых частей тела и одежды. Основная часть это-

го излучения относится к инфракрасному диапазону с длиной волны от 4 до 50 мкм.

Для вычисления этих потерь сделаем два основных допущения.

1. Излучаемые тела (кожа человека, ткань одежды) примем за серые. Это позволит использовать формулу (27.12).

Назовем произведение коэффициента поглощения на постоянную Стефана-Больцмана приведенным коэффициентом излучения: δ = ασ. Тогда (27.12) перепишется так:

Ниже даны коэффициент поглощения и приведенный коэффициент излучения для некоторых тел (табл. 27.1).

Таблица 27.1

2. Применим закон Стефана-Больцмана к неравновесному излучению, к которому, в частности, относится излучение тела человека.

Если раздетый человек, поверхность тела которого имеет температуру т 1 , находится в комнате с температурой т 0 , то его потери излучением могут быть вычислены следующим образом. В соответствии с формулой (27.15) человек излучает со всей открытой поверхности тела площади s мощность p 1 = Sδ t] 4 . Одновременно человек поглощает часть излучения, попадающего от предметов комнаты, стен, потолка и т.п. Если бы поверхность тела человека имела температуру, равную температуре воздуха в комнате, то излучаемая и поглощаемая мощности были бы одинаковы и равны р 0 = Sδ t 0 4 .

Такая же мощность будет поглощаться телом человека и при других температурах поверхности тела.

На основании двух последних равенств получаем мощность, теряемую человеком при взаимодействии с окружающей средой посредством излучения:

Для одетого человека под Т 1 следует понимать температуру поверхности одежды. Приведем количественный пример, поясняющий роль одежды.

При температуре окружающей среды 18° С (291 К) раздетый человек, температура поверхности кожи которого 33°С (306 К), теряет ежесекундно посредством излучения с площади 1,5 м 2 энергию:

Р = 1,5 ? 5,1 ? 10-8 (3064 - 2914) Дж/с и 122 Дж/с.

При той же температуре окружающей среды в хлопчатобумажной одежде, температура поверхности которой 24 °С (297 К), ежесекундно теряется посредством излучения энергия:

Р од = 1,5 ? 4,2 ? 10-8 (2974 - 2914) Дж/с и 37 Дж/с.

Максимум спектральной плотности энергетической светимости тела человека в соответствии с законом Вина попадает на длину волны приблизительно 9,5 мкм при температуре поверхности кожи 32°С.

Вследствие сильной температурной зависимости энергетической светимости (четвертая степень термодинамической температуры) даже небольшое повышение температуры поверхности может вызвать такое изменение излучаемой мощности, которое надежно зафиксируется приборами. Поясним это количественно.

Продифференцируем уравнение (27.15): dR e = 4σ 7 3 ? dΤ. Разделив это выражение на (27.15), получим dR e /R e = 4dT/T. Это означает, что относительное изменение энергетической светимости больше относительного изменения температуры излучающей поверхности в четыре раза. Так, если температура поверхности тела человека изменится на 3 °С, т.е. приблизительно на 1%, то энергетическая светимость изменится на 4%.

У здоровых людей распределение температуры по различным точкам поверхности тела достаточно характерно. Однако воспалительные процессы, опухоли могут изменить местную температуру.

Температура вен зависит от состояния кровообращения, а также от охлаждения или нагревания конечностей. Таким образом, регистрация излучения разных участков поверхности тела человека и определение их температуры являются диагностическим методом.

Такой метод, называемый термографией, находит все более широкое применение в клинической практике.

Термография абсолютно безвредна и в перспективе может стать методом массового профилактического обследования населения.

Определение различия температуры поверхности тела при термографии в основном осуществляется двумя методами. В одном случае используются жидкокристаллические индикаторы, оптические свойства которых очень чувствительны к небольшим изменениям температуры. Помещая эти индикаторы на тело больного, можно визуально по изменению их цвета определить местное различие температуры.

Другой метод - технический, он основан на использовании тепловизоров (см. 27.8).

27.6. ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ

Электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красной границей видимого света (λ = 0,76 мкм) и коротковолновым радиоизлучением [λ = (1-2) мм], называют инфракрасным (ИК).

Инфракрасную область спектра условно разделяют на близкую (0,76-2,5 мкм), среднюю (2,5-50 мкм) и далекую (50-2000 мкм).

Нагретые твердые и жидкие тела испускают непрерывный инфракрасный спектр. Если в законе Вина вместо λ Μαχ подставить пределы ИК-излучения, то получим соответственно температуры 3800-1,5 К. Это означает, что все жидкие и твердые тела в обычных условиях практически не только являются источниками ИК-излучения, но и имеют максимальное излучение в ИК-области спектра. Отклонение реальных тел от серых не изменяет существа вывода.

При невысокой температуре энергетическая светимость тел мала. Поэтому далеко не все тела могут быть использованы в качестве источников ИК-излучения. В связи с этим наряду с тепловыми источниками ИК-излучения используют еще ртутные лампы высокого давления и лазеры, которые уже не дают сплошного спектра. Мощным источником ИК-излучения является Солнце, около 50% его излучения лежит в ИК-об-ласти спектра.

Методы обнаружения и измерения ИК-излучения делят в основном на две группы: тепловые и фотоэлектрические. Примером теплового приемника служит термоэлемент, нагревание которого вызывает электрический ток (см. 15.6). К фотоэлектрическим приемникам относят фотоэлементы, электронно-оптические преобразователи, фотосопротивления (см. 27.8).

Обнаружить и зарегистрировать инфракрасное излучение можно также фотопластинками и фотопленками со специальным покрытием.

Лечебное применение инфракрасного излучения основано на его тепловом действии. Наибольший эффект достигается коротковолновым ИК-излучением, близким к видимому свету. Для лечения используют специальные лампы (см. 27.4).

Инфракрасное излучение проникает в тело на глубину около 20 мм, поэтому в большей степени прогреваются поверхностные слои. Терапевтический эффект как раз и обусловлен возникающим температурным градиентом, что активизирует деятельность терморегулирующей системы. Усиление кровоснабжения облученного места приводит к благоприятным лечебным последствиям.

27.7. УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ

Электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между фиолетовой границей видимого света (λ = 400 нм) и длинноволновой частью рентгеновского излучения (λ = 10 нм), называют ультрафиолетовым (УФ).

В области ниже 200 нм УФ-излучение сильно поглощается всеми телами, в том числе и тонкими слоями воздуха, поэтому особого интереса для медицины не представляет.

Остальную часть УФ-спектра условно делят на три области: А (400315 нм), В (315-280 нм) и С (280-200 нм).

Накаленные твердые тела при высокой температуре излучают заметную долю УФ-излучения. Однако максимум спектральной плотности энергетической светимости в соответствии с законом Вина даже для наиболее длинной волны (0,4 мкм) приходится на 7000 К. Практически это означает, что в обычных условиях тепловое излучение серых тел не может служить эффективным источником мощного УФ-излучения. Наиболее мощным источником теплового УФ-излучения является Солнце, 9% излучения которого на границе земной атмосферы составляет ультрафиолетовое.

В лабораторных условиях в качестве источников УФ-излучения используют электрический разряд в газах и парах металлов. Такое излучение уже не является тепловым и имеет линейчатый спектр.

Измерение УФ-излучения в основном осуществляется фотоэлектрическими приемниками: фотоэлементами, фотоумножителями (см. 27.8). Индикаторами УФ-света являются люминесцирующие вещества и фотопластинки.

УФ-излучение необходимо для работы ультрафиолетовых микроскопов (см. 26.8), люминесцентных микроскопов, для люминесцентного анализа (см. 29.7).

Главное применение УФ-излучения в медицине связано с его специфическим биологическим воздействием, которое обусловлено фотохимическими процессами (см. 29.9).

27.8. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ И ЕГО НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ

Фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называют группу явлений, возникающих при взаимодействии света с веществом и заключающихся либо в эмиссии электронов (внешний фотоэффект), либо в изменении электропроводимости вещества или возникновении электродвижущей силы (внутренний фотоэффект).

В фотоэффекте проявляются корпускулярные свойства света. Данный вопрос излагается в настоящей главе, так как ряд методов индикации теплового излучения основан на этом явлении.

Внешний фотоэффект наблюдается в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация) и в конденсированных средах.

Внешний фотоэффект в металле можно представить состоящим из трех процессов: поглощение фотона электроном проводимости, в результате чего увеличивается кинетическая энергия электрона; движение электрона к поверхности тела; выход электрона из металла. Этот процесс энергетически описывают уравнением Эйнштейна:

hv = А + m υ2 /2, (27.16)

где hv = ε - энергия фотона; m υ 2 /2 - кинетическая энергия электрона, вылетевшего из металла; А - работа выхода электрона.

Если, освещая металл монохроматическим светом, уменьшать частоту излучения (увеличивать длину волны), то, начиная с некоторого ее значения, называемого красной границей, фотоэффект прекратится. Согласно (27.16), предельному случаю соответствует нулевая кинетическая энергия электрона, что приводит к соотношению:

hv rp = А, или λ гр = hc/А. (27.17)

С помощью этих выражений определяют работу выхода А.

Приведем значения красной границы фотоэффекта и работы выхода для некоторых металлов (табл. 27.2).

Таблица 27.2

Как видно, термин «красная граница» не означает, что граница фотоэффекта обязательно попадает в область красного цвета.

Внутренний фотоэффект наблюдается при освещении полупроводников и диэлектриков, если энергия фотона достаточна для переброса электрона из валентной зоны в зону проводимости. В примесных полупроводниках фотоэффект обнаруживается также в том случае, если энергия электрона достаточна для переброса электронов в зону проводимости с донорных примесных уровней или из валентной зоны на акцепторные примесные уровни. Так в полупроводниках и диэлектриках возникает фотоэлектропроводимость.

Интересная разновидность внутреннего фотоэффекта наблюдается в контакте электронного и дырочного полупроводников. В этом случае под действием света возникают электроны и дырки, которые разделяются электрическим полем p- и-перехода: электроны перемещаются в полупроводник типа и, а дырки - в полупроводник типа р. При этом между дырочным и электронным полупроводниками изменяется контактная разность потенциалов по сравнению с равновесной, т.е. возникает фотоэлектродвижущая сила. Такую форму внутреннего фотоэффекта называют вентильным фотоэффектом.

Он может быть использован для непосредственного преобразования энергии электромагнитного излучения в энергию электрического тока.

Электровакуумные или полупроводниковые приборы, принцип работы которых основан на фотоэффекте, называют фотоэлектронными. Рассмотрим устройство некоторых из них.

Наиболее распространенным фотоэлектронным прибором является фотоэлемент. Фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте (рис. 27.6, а), состоит из источника электронов - фотокатода К, на который попадает свет, и анода А. Вся система заключена в стеклянный баллон, из которого откачан воздух. Фотокатод, представляющий фоточувствительный слой, может быть непосредственно нанесен на часть внут-

ренней поверхности баллона (рис, 27.6, б). На рис. 27.6, в дана схема включения фотокатода в цепь.

Для вакуумных фотоэлементов рабочим режимом является режим насыщения, которому соответствуют горизонтальные участки вольт-амперных характеристик, полученных при разных значениях светового потока (рис. 27.7; Ф 2 > Ф 1).

Основной параметр фотоэлемента - его чувствительность, выражаемая отношением силы фототока к соответствующему световому потоку. Эта величина в вакуумных фотоэлементах достигает значения порядка 100 мкА/лм.

Для увеличения силы фототока применяют также газонаполненные фотоэлементы, в которых возникает несамостоятельный темный разряд в инертном газе, и вторичную электронную эмиссию - испускание электронов, происходящее в результате бомбардировки поверхности металла пучком первичных электронов. Последнее находит применение в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ).

Схема ФЭУ приведена на рис. 27.8. Падающие на фотокатод К фотоны эмиттируют электроны, которые фокусируются на первом электроде (диноде) Э 1 . В результате вторичной электронной эмиссии с этого дино-да вылетает больше электронов, чем падает на него, т.е. происходит как бы умножение электронов. Умножаясь на следующих динодах, электроны в итоге образуют усиленный в сотни тысяч раз ток по сравнению с первичным фототоком.

ФЭУ применяют главным образом для измерения малых лучистых потоков, в частности ими регистрируют сверхслабую биолюминесценцию, что важно при некоторых биофизических исследованиях.

На внешнем фотоэффекте осно-ванаработа электронно-оптического

преобразователя (ЭОП), предназначенного для преобразования изображения из одной области спектра в другую, а также для усиления яркости изображений.

Схема простейшего ЭОП приведена на рис. 27.9. Световое изображение объекта 1, спроецированное на полупрозрачный фотокатод К, преобразуется в электронное изображение 2. Ускоренные и сфокусированные электрическим полем электродов Э электроны попадают на люминесцентный экран L. Здесь электронное изображение благодаря катодолюминесценции вновь преобразуется в световое 3.

В медицине ЭОП применяют для усиления яркости рентгеновского изображения (см. 31.4), это позволяет значительно уменьшить дозу облучения человека. Если сигнал с ЭОП подать в виде развертки на телевизионную систему, то на экране телевизора можно получить «тепловое» изображение предметов. Части тела, имеющие разные температуры, различаются на экране либо цветом при цветном изображении, либо яркостью, если изображение черно-белое. Такая техническая система,

называемая тепловизором, она используется в термографии (см. 27.5). На рис. 27.10 дан внешний вид тепловизора ТВ-03.

Вентильные фотоэлементы имеют преимущество перед вакуумными, так как работают без источника тока.

Один из таких фотоэлементов - медно-закисный - представлен на схеме рис. 27.11. Медная пластинка, служащая одним из электродов, покрывается тонким слоем закиси меди Си 2 О (полупроводник). На закись меди наносится прозрачный слой металла (например, золото Аи), который служит вторым электродом. Если фотоэлемент осветить через второй электрод, то между электродами возникнет фото-э.д.с., а при замыкании электродов в электрической цепи пойдет ток, зависящий от светового потока. Чувствительность вентильных фотоэлементов достигает нескольких тысяч микроампер на люмен.

На основе высокоэффективных вентильных фотоэлементов с к.п.д., равным 15% для солнечного излучения, создают специальные солнечные батареи для питания бортовой аппаратуры спутников и космических кораблей.

Зависимость силы фототока от освещенности (светового потока) позволяет использовать фотоэлементы как люксметры, что находит применение в санитарно-гигиенической практике и при фотографировании для определения экспозиции (в экспонометрах).

Некоторые вентильные фотоэлементы (сернисто-таллиевый, германиевый и др.) чувствительны к инфракрасному излучению, их применяют для обнаружения нагретых невидимых тел, т.е. как бы расширяют возможности зрения. Другие фотоэлементы (селеновые) имеют спектральную чувствительность, близкую к человеческому глазу, это открывает возможности использования их в автоматических системах и приборах вместо глаза как объективных приемников видимого диапазона света.

На явлении фотопроводимости основаны приборы, называемые фото-сопротивлениями. Простейшее фотосопротивление (рис. 27.12)

представляет собой тонкий слой полупроводника 1 с металлическими электродами 2; 3 - изолятор.

Фотосопротивления, как и фотоэлементы, позволяют определять некоторые световые характеристики и используются в автоматических системах и измерительной аппаратуре.

27.9. СВЕТОВОЙ ЭТАЛОН. НЕКОТОРЫЕ СВЕТОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ

Тепловое излучение тел широко используют как источник видимого света, поэтому остановимся еще на некоторых величинах, характеризующих его.

Для воспроизведения с наивысшей достижимой точностью единиц световых величин применяют световой эталон со строго заданными геометрическими размерами.

Устройство его схематически показано на рис. 27.13: 1 - трубка из плавленного оксида тория вставлена в тигель 2, состоящий из плавленного оксида тория и заполненный химически чистой платиной 3; 4 - кварцевый сосуд с порошком оксида тория 5; 6 - смотровое окно; 7 - фотометрическая установка, позволяющая уравнивать освещенности, создаваемые на пластине 9, эталонным излучателем и эталоном-копией; 8 - специальная электрическая лампа накаливания (эталон-копия).

Сила света i - характеристика источника света - выражается в кан-делах (кд). Кандела - сила света, испускаемого с поверхности площадью 1/600 000 м 2 полного излучателя в перпендикулярном направлении при температуре излучателя, равной температуре затвердевания платины при давлении 101 325 Па.

Световым потоком Ф называют среднюю мощность энергии излучения, оцениваемую по световому ощущению, которое она производит.

Единицей светового потока является люмен (лм). Люмен - световой поток, излучаемый точечным источником в телесном угле 1 ср при силе света 1 кд.

Светимостью называют величину, равную отношению светового потока, испускаемого светящейся поверхностью, к площади этой поверхности:

Единицей светимости является люкс (лк) - освещенность поверхности площадью 1 м 2 при световом потоке падающего на нее излучения, равном 1 лм.

Для оценки излучения или отражения света в заданном направлении вводят световую величину, называемую яркостью. Яркость определяют как отношение силы света dI элементарной поверхности dS в заданном направлении к проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную этому направлению:

где α - угол между перпендикуляром к светящейся поверхности и заданным направлением (рис. 27.14).

Единица яркости - кандела на квадратный метр (кд/м 2). Световой эталон при сформулированных выше условиях соответствует яркости 6 ? 10 5 кд/м 2 .

Источники, яркость которых одинакова по всем направлениям, называют ламбертовскими; строго говоря, таким источником является только черное тело.

Освещенностью называют величину,равную отношению потока, падающего на данную поверхность, к площади этой поверхности:

В гигиене освещенность используется для оценки освещения. Измеряется освещенность люксметрами, принцип действия которых основан на фотоэффекте (см. 27.8).

Оценку и нормирование естественного освещения производят не в абсолютных единицах, а в относительных показателях коэффициента естественной освещенности - отношение естественной освещенности в рассматриваемой точке внутри помещения к одновременному значению наружной освещенности на горизонтальной поверхности под открытым небом без прямого солнечного света.

Оценка искусственного освещения производится путем измерения освещенности и яркости, а нормирование уровней искусственного освещения - с учетом характера зрительной работы. Пределы допускаемой освещенности для разных работ колеблются от сотни до нескольких тысяч люкс.

§ 1. Тепловое излучение

В процессе исследования излучения нагретых тел было установлено, что любое нагретое тело излучает электромагнитные волны (свет) в широком диапазоне частот. Следовательно, тепловое излучение – это излучение электромагнитных волн за счет внутренней энергии тела.

Тепловое излучение имеет место при любой температуре. Однако при невысоких температурах излучаются практически лишь длинные (инфракрасные) электромагнитные волны.

Ведем следующие величины, характеризующие излучение и поглощение энергии телами:

энергетическая светимость R (T ) – это энергия W, испускаемая 1 м 2 поверхности светящегося тела за 1 с.

Вт/м 2 .

испускательная способность тела r (λ,Т) (или спектральная плотность энергетической светимости) – это энергия в единичном интервале длин волн, испускаемая 1 м 2 поверхности светящегося тела за 1 с.

.
.

Здесь
– это энергия излучения с длинами волн от λ до
.

Связь между интегральной энергетической светимостью и спектральной плотность энергетической светимости задаётся следующим соотношением:

Экспериментально было установлено, что отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела. Это означает, что оно является для всех тел одной и той же (универсальной) функцией длины волны (частоты) и температуры. Этот эмпирический закон открыт Кирхгофом и носит его имя.

Закон Кирхгофа: отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела, оно является для всех тел одной и той же (универсальной) функцией длины волны (частоты) и температуры:

Тело, которое при любой температуре полностью поглощает все падающее на него излучение, называется абсолютно черным телом а.ч.т.

Поглощательная способность абсолютно черного тела а а.ч.т. (λ,Т) равна единице. Это означает, что универсальная функция Кирхгофа
тождественна испускательной способности абсолютно черного тела
. Таким образом, для решения задачи теплового излучения необходимо было установить вид функции Кирхгофа или испускательной способности абсолютно чёрного тела.

Анализируя экспериментальные данные и применяя методы термодинамики австрийские физики Йозеф Стефан (1835 – 1893) и Людвиг Больцман (1844-1906) в 1879 году частично решили задачу излучения а.ч.т. Они получили формулу для определения энергетической светимости а.ч.т. – R ачт (T). Согласно закону Стефана-Больцмана

,
.

В
1896-м году немецкие физики во главе с Вильгельмом Вином создали суперсовременную по тем временам экспериментальную установку для исследования распределения интенсивности излучения по длинам волн (частотам) в спектре теплового излучения абсолютно черного тела. Эксперименты, выполненные на этой установке: во-первых, подтвердили результат, полученный австрийскими физиками Й.Стефаном и Л.Больцманом; во-вторых, были полученны графики распределения интенсивности теплового излучения по длинам волн. Они были удивительно похожи на полученные ранее Дж. Максвеллом кривые распределения молекул газа, находящегося в закрытом объеме, по величинам скоростей.

Теоретическое объяснение полученных графиков стало центральной проблемой конца 90-х годов 19-го века.

Английские классические физики лорд Рэлей (1842-1919) и сэр Джеймс Джинс (1877-1946) применили к тепловому излучению методы статистической физики (воспользовались классическим законом о равнораспределении энергии по степеням свободы). Рэлей и Джинс применили метод статистической физики к волнам подобно тому, как Максвелл применил его к равновесному ансамблю хаотически движущихся в замкнутой полости частиц. Они предположили, что на каждое электромагнитное колебание приходится в среднем энергия равная kT ( на электрическую энергию и на магнитную энергию),. Исходя из этих соображений, они получили следующую формулу для испускательной способности а.ч.т.:

Э
та формула хорошо описывала ход экспериментальной зависимости при больших длинах волн (на низких частотах). Но для малых длин волн (высокий частот или в ультрафиолетовой области спектра) классическая теория Рэлея и Джинса предсказывала бесконечный рост интенсивности излучения. Этот эффект получил название ультрафиолетовой катастрофы.

Предположив, что стоячей электромагнитной волне любой частоты соответствует одна и та же энергия, Рэлей и Джинс и при этом пренебрегли тем, что при повышении температуры вклад в излучение дают все более и более высокие частоты. Естественно, что принятая ими модель должна была привести к бесконечному росту энергии излучения на высоких частотах. Ультрафиолетовая катастрофа стала серьезным парадоксом классической физики.

С
ледующую попытку получения формулы зависимости испускательной способности а.ч.т. от длин волн предпринял Вин. С помощью методов классической термодинамики и электродинамики Вину удалось вывести соотношение, графическое изображение которого удовлетворительно совпадало с коротковолновой (высокочастотной) частью полученных в эксперименте данных, но абсолютно расходилось с результатами опытов для больших длин волн (низких частот).

Из этой формулы было получено соотношение, связывающее ту длину волны
, которой соответствует максимум интенсивности излучения, и абсолютную температуру тела Т (закон смещения Вина):

,
.

Это соответствовало полученным Вином экспериментальным результатам, из которых следовало, что с ростом температуры максимум интенсивности излучения смещается в сторону более коротких волн.

Но формулы, описывающей всю кривую, не было.

Тогда за решение возникшей проблемы взялся Макс Планк (1858-1947), который в это время работал в департаменте физики в Берлинском институте Кайзера Вильгельма. Планк был очень консервативным членом Прусской Академии, всецело поглощенным методами классической физики. Он был страстно увлечен термодинамикой. Практически, начиная с момента защиты диссертации в 1879-м году, и почти до конца века целых двадцать лет подряд Планк занимался изучением проблем, связанных с законами термодинамики. Планк понимал, что классическая электродинамика не может дать ответа на вопрос о том, как распределена энергия равновесного излучения по длинам волн (частотам). Возникшая проблема относилась к сфере термодинамики. Планк исследовал необратимый процесс установления равновесия между веществом и излучением (светом) . Чтобы добиться согласования теории с опытом, Планк отступил от классической теории лишь в одном пункте: он принял гипотезу о том, что излучение света происходит порциями (квантами) . Принятая Планком гипотеза позволила получить для теплового излучения такое распределение энергии по спектру, которое соответствовало эксперименту.

Нагретые тела излучают электромагнитные волны. Это излучение осуществляется за счет преобразования энергии теплового движения частиц тела в энергию излучения.

Электромагнитное излучение тела, находящегося в состоянии термодинамического равновесия, называют тепловым (температурным) излучением. Иногда под тепловым излучением понимают не только равновесное, но также и неравновесное излучение тел, обусловленное их нагреванием.

Такое равновесное излучение осуществляется, например, если излучающее тело находится внутри замкнутой полости с непрозрачными стенками, температура которых равна температуре тела.

В теплоизолированной системе тел, находящихся при одной и той же температуре, теплообмен между телами путем испускания и поглощения теплового излучения не может привести к нарушению термодинамического равновесия системы, так как это противоречило бы, второму началу термодинамики.

Поэтому для теплового излучения тел должно выполняться правило Прево: если два тела при одной и той же температуре поглощают разные количества энергии, то и их тепловое излучение при этой температуре должно быть различным.

Лучеиспускательной (излучательной) способностью или спектральной плотностью энергетической светимости тела называют величину Еn,т, численно равную поверхностной плотности мощности теплового излучения тела и интервале частот единичной ширины:

Где dW - энергии теплового излучения с единицы площади поверхности тела за единицу времени в интервале частот от v до v + dr.

Лучеиспускательная способность Еn,т, является спектральной характеристикой теплового излучения тела. Она зависит от частоты v, абсолютной температуры Т тела, а также от его материала, формы и состояния поверхности. В системе СИ Еn,т, измеряется в дж/м2.

Поглощательной способностью или монохроматическим коэффициентом поглощения тела называют величину Аn,т, показывающую, какая доля энергии dWпад, доставляемой за единицу времени на единицу площади поверхности тела падающими на нее электромагнитными волнами с частотами от v до v+dv, поглощается телом:

Аn,т - величина безразмерная. Она зависит, помимо частоты излучения и температуры тела, от его материала, формы и состояния поверхности.

Тело называется абсолютно черным, если оно при любой температуре полностью поглощает все падающие на него электромагнитные полны: Аn,т черн = 1.

Реальные тела не являются абсолютно черными, однако некоторые из них по оптическим свойствам близки к абсолютно черному телу (сажа, платиновая чернь, черный бархат в области видимого света имеют Аn,т, мало отличающиеся от единицы)

Тело называют серым,если его поглощательная способность одинакова для всех частот n и зависит только от температуры, материала и состояния поверхности тела

Между лучеиспускательной Еn,т и поглощательной Аn,т способностями любого непрозрачного тела существует соотношение (закон Киргофа в дифференциальной форме):

Для произвольной частоты и температуры отношение лучеиспускательной способности тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел и равно лучеиспускательной способности en,т абсолютно черного тела, являющейся функцией только частоты и температуры (функция Кирхгофа Еn,т = Аn,тen,т = 0).

Интегральная излучательная способность (энергетическая светимость) тела:

представляет собой поверхностную плотность мощности теплового излучения тела, т.е. энергию излучения всех возможных частот, испускаемого с единицы поверхности тела за единицу времени.

Интегральная излучательная способность eТ абсолютно черного тела:

2. Законы излучения абсолютно черного тела

Законы излучения абсолютно черного тела устанавливают зависимость eТ и e n,Т от частоты и температуры.

Закон Cmeфана - Болъцмапа:

Величина σ- универсальная постоянная Стефана -Больцмана, равная 5,67 -10-8 вт/м2*град4.

Распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела, т. е. зависимость en,Т, от частоты при различных температурах, имеет вид, изображенный на рисунке:

Закон Вина:

где с - скорость света в вакууме, a f(v/T) - универсальная функция отношения частоты излучения абсолютно черного тела к его температуре.

Частота излучения nмакс, соответствующая максимальному значению лучеиспускательной способности en,Т абсолютно черного тела, согласно закону Вина равна

Где b1 - постоянная величина, зависящая от вида функции f(n/T).

Закон смещения Buнa: частота, соответствующая максимальному значению лучеиспускательной способности en,Т абсолютно черного тела, прямо пропорциональна его абсолютной температуре.

С энергетической точки зрения черное излучение эквивалентно излучению системы бесконечно большого числа не взаимодействующих гармонических осцилляторов, называемых радиационными осцилляторами. Если ε(ν) – средняя энергия радиационного осциллятора с собственной частотой ν, то

ν= и

Согласно классическому закону о равномерном распределении энергии по степеням свободы ε(ν) = kT, где k постоянная Больцмана, и

Это соотношение называют формулой Релея-Джинса. В области больших частот она приводит к резкому расхождению с опытом, носящему название «ультра-Фиолетовой катастрофы: en,Т монотонно возрастает с ростом частоты, не имея максимума, а интегральная лучеиспускательная способность абсолютно черного тела обращается в бесконечность.

Причина вышеуказанных трудностей, возникших при отыскании вида функции Кирхгофа en,Т, связана с одним из основных положений классической физики, согласно которому энергия любой системы может изменяться непрерывно, т. е. может принимать любые сколь угодно близкие значения.

По квантовой теории Планка энергия радиационного осциллятора с собственной частотой v может принимать лишь определенные дискретные (квантованные) значения, отличающиеся на целое число элементарных порций - квантов энергии:

h = б,625-10-34 дж*сек - постоянная Планка (квант действия). В соответствии с этим излучение и поглощение энергии частицами излучающего тела (атомами, молекулами или ионами), обменивающимися энергией с радиационными осцилляторами, должно происходить, не непрерывно, а дискретно - отдельными порциями (квантами).

Попытки описания:

Термин был введён Густавом Кирхгофом в 1862.

Изучение законов излучения абсолютно чёрного тела явилось одной из предпосылок появления квантовой механики. Попытка описать излучение абсолютно чёрного тела исходя из классических принципов термодинамики и электродинамики приводит к закону Рэлея - Джинса.
На практике такой закон означал бы невозможность термодинамического равновесия между веществом и излучением, поскольку согласно ему вся тепловая энергия должна была бы перейти в энергию излучения коротковолновой области спектра. Такое гипотетическое явление было названо ультрафиолетовой катастрофой.
Тем не менее закон излучения Рэлея - Джинса справедлив для длинноволновой области спектра и адекватно описывает характер излучения. Объяснить факт такого соответствия можно лишь при использовании квантово-механического подхода, согласно которому излучение происходит дискретно. Исходя из квантовых законов можно получить формулу Планка, которая будет совпадать с Формулой Рэлея - Джинса.
Этот факт является прекрасной иллюстрацией действия принципа соответствия, согласно которому новая физическая теория должна объяснять всё то, что была в состоянии объяснить старая.

Интенсивность излучения абсолютно чёрного тела в зависимости от температуры и частоты определяется законом Планка.

Общая энергия теплового излучения определяется законом Стефана-Больцмана. Таким образом, абсолютно чёрное тело при T = 100 K излучает 5,67 ватт с квадратного метра своей поверхности. При температуре 1000 К мощность излучения увеличивается до 56,7 киловатт с квадратного метра.

Длина волны, при которой энергия излучения абсолютно чёрного тела максимальна, определяется законом смещения Винна. Так, если считать в первом приближении, что кожа человека близка по свойствам к абсолютно чёрному телу, то максимум спектра излучения при температуре 36°C (309 К) лежит на длине волны 9400 нм (в инфракрасной области спектра).

Электромагнитное излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с абсолютно чёрным телом при данной температуре (например, излучение внутри полости в абсолютно чёрном теле), называется чернотельным (или тепловым равновесным) излучением. Равновесное тепловое излучение однородно, изотропно и неполяризовано, перенос энергии в нём отсутствует, все его характеристики зависят только от температуры абсолютно чёрного тела-излучателя (и, поскольку чернотельное излучение находится в тепловом равновесии с данным телом, эта температура может быть приписана излучению).

Очень близко по своим свойствам к чернотельному так называемое реликтовое излучение, или космический микроволновой фон - заполняющее Вселенную излучение с температурой около 3 К.

24) Элементарная квантовая теория излучения. Главное здесь (коротко): 1) Излучение это следствие перехода квантовой системы из одного состояния в другое - с меньшей энергией. 2) Излучение происходит не непрерывно, а порциями энергии - квантами. 3) Энергия кванта равна разности энергии уровней. 4) Частота излучения определяется известной формулой Е=hf. 5) Квант излучения (фотон) проявляет свойства как частицы, так и волны.Подробно: Квантовая теория излучения была использована Эйнштейном для интерпретации фотоэлектрического эффекта. Квантовая теория излучения дает возможность обосновать теорию Эйнштейна. Квантовая теория излучения (с учетом определенных предположений о перенормировке) достаточно полно описывает взаимодействие излучения с веществом. Несмотря на это, заманчиво доказать, что концептуальные основы квантовой теории излучения и понятие фотона лучше всего рассматривать через классическое поле и флуктуации, связанные с вакуумом. Однако успехи квантовой оптики выдвинули новые аргументы в пользу квантования электромагнитного поля, и вместе с ними возникло более глубокое понимание сущности фотонов. Квантовая теория излучения света существенно использует тот факт, что энергия взаимодействия между веществом (атомом, молекулой, кристаллом) и электромагнитным полем весьма мала. Это позволяет в нулевом приближении рассматривать поле и вещество независимо друг от друга и говорить о фотонах и стационарных состояниях вещества. Учет энергии взаимодействия в первом приближении обнаруживает возможность перехода вещества из одного стационарного состояния в другое. Эти переходы сопровождаются появлением или исчезновением одного фотона и представляют собой поэтому те элементарные акты, из которых слагаются процессы излучения и поглощения света веществом. Согласно квантовой теории излучения элементарный процесс фотолюминесценции следует рассматривать состоящим из акта электронного возбуждения молекул люминесцирующего вещества поглощенными фотонами и последующего излучения молекул при переходе их из возбужденного состояния в нормальное. Как показали экспериментальные исследования, элементарный процесс фотолюминесценции не всегда происходит в пределах одного излучающего центра. Для построения квантовой теории излучения оказалось необходимым учитывать взаимодействие электрона с вторично квантованным полем фотонов.
Начало развития квантовой теории излучения заряда, движущегося в электромагнитном поле плоской волны, было положено известной работой Клейна и Нишины, в которой было рассмотрено рассеяние фотона на покоящемся электроне. Планк выдвинул квантовую теорию излучения, согласно которой энергия излучается и поглощается не непрерывно, а определенными порциями - квантами, называемыми фотонами. Таким образом, квантовая теория излучения не только приводит к выводам, следующим из волновой теории, но и дополняет их новым предсказанием, нашедшим блестящее экспериментальное подтверждение. Волновой пакет с минимальной неопределенностью в различные моменты времени в потенциальном поле гармонического осциллятора (а. соответствующее электрическое поле (б. По мере развития квантовой теории излучения и с появлением лазера были в значительной мере изучены состояния поля, наиболее близко описывающие классическое электромагнитное поле. Со времени зарождения квантовой теории излучения черного тела вопрос о том, насколько хорошо уравнения Планка и Стефана - Больцмана описывают плотность энергии внутри реальных, конечных полостей, имеющих полуотражающие стенки, был предметом неоднократных обсуждений. Большинство из них имели место в первые два десятилетия нашего века, однако вопрос закрыт полностью не был, и в последние годы интерес к этой и некоторым другим родственным проблемам возродился. Среди причин возрождения интереса к этому старейшему предмету современной физики можно назвать развитие квантовой оптики, теории частичной когерентности и ее применение к изучению статистических свойств излучения; недостаточное понимание процессов теплообмена излучением между близкорасположенными телами при низких температурах и проблему эталонов далекого инфракрасного излучения, для которого длина волны не может считаться малой, а также ряд теоретических проблем, относящихся к статистической механике конечных систем. Он показал также, что в пределе больших объемов или высоких температур число Джинса справедливо для полости любой формы. Позднее на основании результатов работы Вейля были получены асимптотические приближения, где D0 (v) являлся просто первым членом ряда, полная сумма которого D (v) представляла собой среднюю плотность мод. Волна до Врой - Гося по круговой орбите, нужно, чтобы сум-ля, связанная с электро - мармя длина траектории Znr являлась кратном в гипотезе кругсшои. г г орбиты. Волны, разру - ной длине волны электрона. в противном шающиеся интерферен - случае волна будет разрушаться вследствие цией, изображены жир - интерференции (9. Условие существо-ной линией. вания устойчивой орбиты радиуса г вы. По аналогии с квантовой теорией излучения де Бройль предположил в 1924 г., что электрон и, более того, вообще всякая материальная частица одновременно обладают и волновыми и корпускулярными свойствами. Согласно де Бройлю, движущейся частице с массой т и скоростью v соответствует длина волны K h / mv, где h - постоянная Планка. В соответствии с квантовой теорией излучения энергия элементарных излучателей может изменяться только скачками, кратными некоторому значению, постоянному для данной частоты излучения. Минимальная порция энергии называется квантом энергии. Блестящее согласие между полностью квантовой теорией излучения и вещества и экспериментом, достигнутое на примере лэмбовского сдвига, обеспечило сильный довод в пользу квантования поля излучения. Однако подробный расчет лэмбовского сдвига увел бы нас далеко от главного направления квантовой оптики. Мессбауэровские переходы, наиболее удобные в экспериментальной. Эти данные подтверждают выводы квантовой теории излучения для гамма-диапазона.
Представив это краткое обоснование квантовой теории излучения, приступим к квантованию свободного электромагнитного поля. Масса покоя фотона в квантовой теории излучения считается равной нулю. Однако это лишь постулат теории, потому что ни один реальный физический эксперимент не может подтвердить этого. Остановимся кратко на основных положениях квантовой теории излучения. Если мы хотим на основе квантовой теории излучения понять действие светоделителя и его квантовые свойства, надо следовать указанному выше рецепту: сначала найти собственные моды, а затем проквантовать, как описано в предыдущей главе. Но каковы в нашем случае граничные условия, которые определяют эти моды. Во первых, необходимо расширить квантовую теорию излучения с тем, чтобы рассмотреть неквантовые стохастические эффекты, такие как тепловые флуктуации. Это является важной составляющей теории частичной когерентности. Кроме того, такие распределения делают понятной связь между классической и квантовой теориями. Книга является пособием для изучения курсов Квантовая теория излучения и Квантовая электродинамика. Принцип построения книги: изложение основ курса занимает малую часть ее объема, большая часть фактического материала приводится в форме задач с решениями, необходимый математический аппарат дан в приложениях. Все внимание сосредоточено на нерелятивистском характере излуча-тельных переходов в атомных системах. Теоретически определить AnJBnm в формуле (11.32) элементарная квантовая теория излучения черного тела не в состоянии. Эйнштейн показал, еще до развития квантовой теории излучения, что статистическое равноресие между излучением и веществом возможно только в том случае, когда наряду с вынужденным испусканием, пропорциональным плотности излучения, имеется спонтанное излучение, происходящее и в отсутствие внешнего излучения. Спонтанное излучение обусловлено взаимодействием атомной системы с нулевыми колебаниями электромагнитного поля. Эйнштейн показал, еще до развития квантовой теории излучения, что статистическое равновесие между излучением и веществом возможно только в том случае, когда наряду с вынужденным испусканием, пропорциональным плотности излучения, имеется спонтанное излучение, происходящее и в отсутствие внешнего излучения. Спонтанное излучение обусловлено взаимодействием атомной системы с нулевыми колебаниями электромагнитного поля. Штарк и Эйнштейн, исходя из квантовой теории излучения, в начале XX века дали формулировку второго закона фотохимии: каждая молекула, участвующая в фотохимической реакции, поглощает один квант излучения, который вызывает реакцию. Последнее связано с чрезвычайно малой вероятностью повторного поглощения кванта возбужденными молекулами, ввиду их низкой концентрации в веществе. Выражение для коэффициента поглощения получают на основе квантовой теории излучения. Для микроволновой области оно представляет сложную функцию, зависящую от квадрата частоты перехода, формы линии, температуры, числа молекул на нижнем энергетическом уровне и квадрата матричного элемента дипольно-го момента перехода

25 Теория излучения Эйнштейна и генерация света

Эйнштейн начинает с рассмотрения одной трудности в теории излучения черного тела. Если представить, что электромагнитные осцилляторы, которыми являются молекулы тела, подчиняются законам классической статистики Максвелла - Больцмана, то каждый такой осциллятор в среднем будет обладать энергией:

где R - постоянная Клапейрона, N - число Авогадро. Используя соотношение Планка между средней энергией осциллятора и объемной плотностью энергии, находящейся с ним в равновесном излучении:

где Eν - средняя энергия осциллятора частоты v, L - скорость света, ρ - объемная плотность энергии излучения, Эйнштейн пишет равенство:

Из него он находит объемную плотность энергии:

«Это соотношение, - пишет Эйнштейн, - найденное при условии динамического равновесия, не только противоречит опыту, но и утверждает, что в нашей картине не может быть и речи о каком-либо однозначном распределении энергии между эфиром и веществом». В самом деле, суммарная энергия излучения оказывается бесконечной:

К аналогичному выводу в том же, 1905 г. пришли независимо друг от друга Рэлей и Джине. Классическая статистика приводит к закону излучения, резко противоположному опыту. Эта трудность получила название «ультрафиолетовая катастрофа».

Эйнштейн указывает, что формула Планка:

переходит для больших длин волн и больших плотностей излучения в найденную им формулу:

Эйнштейн подчеркивает, что значение числа Авогадро совпадает со значением, найденным другим способом. Обращаясь далее к закону Вина, хорошо оправдывающегося для больших значений ν/T, Эйнштейн получает выражение энтропии излучения:

«Это равенство показывает, что энтропия монохроматического излучения достаточно малой плотности зависит от объема так же, как энтропия идеального газа или разбавленного раствора».

Переписав это выражение в виде:

и сравнивая его с законом Больцмана:

S-S0= (R/N) lnW,

Эйнштейн находит выражение вероятности того, что энергия излучения в объеме V0 сосредоточится в части объема V:

Три варианта генерации света

Принципиально различают три способа генерации света: термоизлучение, газовый разряд высокого и низкого давления.

· Термоизлучение - излучение нагреваемого провода до максимальной темпе ратуры при прохождении электрического тока. Образцом является солнце с температурой поверхности 6000 К. Лучше всего подходит для этого элемент вольфрам с наивысшей среди металлов температурой плавления (3683 К).

Пример: За счет термоизлучения работают лампы накаливания и галогенные лампы накаливания.

· Газовый дуговой разряд появляется в закрытой стеклянной емкости, наполненной инертными газами, парами металла и редкоземельными элементами при подаче напряжения. Возникающие при этом свечения газообразных наполнителей дают желаемую цветность света.

Пример: За счет газового дугового разряда работают ртутные, металлогалогенные и натриевые лампы.

· Люминесцентный процесс. Под действием электрического разряда закаченные в стеклянную трубку пары ртути начинают излучать невидимые ультрафиолетовые лучи, которые, попадая на нанесенный на внутреннюю поверхность стекла люминофор, преобразуется в видимый свет.

Пример: За счет люминесцентного процесса работают люминесцентные лампы, компактные люминесцентные лампы.

26) СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ - совокупность методов определения элементногои молекулярного состава и строения веществ по их спектрам. С помощью С. <а. определяют как осн. компоненты, составляющие 50- 60% вещества анализируемыхобъектов, так и незначит. примеси в них (до и менее). С. а. - наиб. распространённый аналитич. метод, св. 20- 30% всеханализов выполняется с помощью этого метода, в т. ч. контроль состава сплавовв металлургии, автомоб. и авиац. пром-сти, технологии переработки руд, <анализ экологич. объектов и материалов высокой чистоты, хим., биол. и мед. <исследования. Особо важное значение С. а. имеет при поисках полезных ископаемых.

Основа С. а.- спектроскопия атомов и молекул; его классифицируютпо целям анализа и типам спектров. В атомном С. а. (АСА) определяют элементныйсостав образцов по атомным (ионным) спектрам испускания и поглощения; вмолекулярном С. а. (МСА) - молекулярный состав вещества по молекулярнымспектрам поглощения, испускания, отражения, люминесценции и комбинационногорассеяния света. Эмиссионный С. а. проводят по спектрам испусканиявозбуждённых атомов, ионов и молекул. Абсорбционный С. а. осуществляютпо спектрам поглощения анализируемых объектов. В С. а. часто сочетают неск. <спектральных методов, а также применяют др. аналитич. методы, что расширяетвозможности анализа. Для получения спектров используют разл. типы спектральныхприборов в зависимости от целей и условий анализа. Обработка эксперим. <данных может производиться на ЭВМ, встроенных в спектральный прибор. Атомный спектральный анализ Различают два осн. варианта атомногоС. а.- атомно-эмиссионный (АЭСА) и атомно-абсорбционный (ААА). Атомно-эмиссионный спектральный анализ основан на зависимости 1 =f(с) интенсивности 1 спектральной линии испускания (эмиссии)определяемого элемента х от его концентрации в анализируемом объекте: где -вероятность квантового перехода из состояния q в состояние р,n q - концентрация атомов, находящихся в состоянии q висточнике излучения (исследуемом веществе), - частота квантового перехода. Если в зоне излучения выполняется локальноетермодинамическое равновесие,концентрация электронов п e 14 -10 15 и их распределение по скоростям максвелловское, <то где n а - концентрация невозбуждённых атомов определяемогоэлемента в области излучения, g q - статистический вес состояния q,Z - статистическая сумма по состояниям q, причём энергия возбуждения уровня q. Т. о., искомая концентрация n а - ф-ция темп-ры, к-рая практически не может строго контролироваться. Поэтомуобычно измеряют интенсивность аналитич. линии относительно нек-рого внутр. <стандарта, присутствующего в анализируемом объекте в известной концентрацииn ст. Если стандартная линия близка к аналитической, то (K - постоянная величина). Эта зависимость используется в С. а. в тех случаях, <когда отсутствует самообращение используемых линий.

В АЭСА применяются в осн. спектральные приборы с фоторегистрацией(спектрографы) и фотоэлектрич. регистрацией (квантометры). Излучение исследуемогообразца направляется на входную щель прибора с помощью системы линз, попадаетна диспергирующее устройство (призма или дифракц. решётка) и после монохроматизациифокусируется системой линз в фокальной плоскости, где располагается фотопластинкаили система выходных щелей (квантометр), за к-рыми установлены фотоэлементыили фотоумножители. При фоторегистрации интенсивности линий определяютпо плотности почернения S, измеряемой микрофотометром: где р - т. н. константа Шварцшильда, - фактор контрастности; t - время экспозиции. В АЭСА исследуемое вещество должно находиться в состоянии атомного газа. <Обычно атомизация и возбуждение атомов осуществляются одновременно - висточниках света. Для анализа металлов, сплавов и др. проводников чащевсего используют дуговой разряд или искровой разряд,гдев качестве электродов служат сами анализируемые пробы. Дуговой разряд применяетсяи для анализа непроводящих веществ. В этом случае порошкообразную пробупомещают в углубление в графитовом электроде (метод испарения) или с помощьюразл. устройств вводят порошок в плазму дугового разряда между горизонтальнорасположенными графитовыми электродами. Применяется также введение порошкообразныхпроб в дуговые плазмотроны. При АЭСА растворов в качестве источников возбуждающего света применяютпламя горючих газов (смеси ацетилен - кислород, ацетилен - закись азотаи др.). В качестве источников света начали использовать также безэлектродныйразряд и особенно индуктивносвязанную плазму. Во всех случаях растворв виде аэрозоля потоком аргона вводят в зону возбуждения спектра (темп-ра2500-3000 К в пламенах и 6000- 10000 К в плазме разряда), где происходитвысушивание, испарение и атомизация аэрозоля. Процесс атомизации в методах АЭСА обычно носит термич. характер, чтопозволяет сделать нек-рые обобщения. В реальных условиях, учитывающих кинетикупроцесса, для частиц, находящихся в зоне с темп-рой ТT кип (T кип - темп-pa кипения), зависимость кол-ва испарившихсячастиц от времени описывается ур-нием: где r - радиус частицы, D - коэф. диффузии, -поверхностное натяжение раствора, р- давление насыщенных паров, М- мол. масса, - плотность. Пользуясь этим ур-нием, можно найти кол-во вещества, испарившеесяза время t.

Если при этом молекула состоит из элементов п 1 и n 2 ,то степень атомизации может быть рассчитана по ур-нию: где М 1 и M 2 - ат. массы элементов п 1 и n 2 ; Z 1 и Z 2 - статистич. <суммы по состояниям этих элементов, M МОЛ - мол. массаатомизирующейся молекулы, Z 3 - статистич. сумма по еёсостояниям, -энергия диссоциации молекулы. Такого типа расчёты позволяют найти концентрациюатомов определяемого элемента п а в ур-нии (2) и определитьеё связь с интенсивностью аналитич. линии. Необходимость учитывать взаимодействиеопределяемого элемента с окружающей средой, др. компонентами анализируемоговещества, ионизацию атомов определяемого элемента и др. эффекты значительноусложняет картину испарения и атомизации исследуемого вещества. С цельюоблегчения С. а. создаются спец. программы расчёта на ЭВМ достаточно сложныхреакций в газовой и конденсированных фазах при заданных темп-ре идавлении. В источниках излучения чаще всего не соблюдается термодинамич. равновесие, <поэтому эти расчёты могут использоваться лишь при выборе оптим. условийанализа. В АЭСА применяют эмпирич. метод, заключающийся в эксперим. построениианалитич. ф-ции с помощью серии стандартных образцов анализируемого материала с заранееточно известными содержаниями определяемого элемента. Такие образцы либоизготовляют специально, либо заранее в неск. образцах устанавливают концентрациюэтого элемента точными методами. Измеряя затем аналитич. сигнал , находят содержание определяемого элемента в пробе. Структура и физ.-хим. свойства анализируемого и стандартного объектовмогут оказаться неадекватными (различны, напр., условия парообразованиястепени атомизации, условий возбуждения). Эти различия приходится учитыватьпри С. а. В таких случаях используют метод факторного статистич. планированияэксперимента. В результате экспериментов получают т. н. ур-ния регрессии, <учитывающие влияние на интенсивность аналитич. линий концентраций всехэлементов, составляющих пробу, и устанавливают концентрацию анализируемогоэлемента с помощью этих ур-ний. Совр. многоканальные квантометры позволяютодновременно измерять интенсивность большого числа спектральных линий. <На основе этих эксперим. данных с помощью ЭВМ можно решать довольно сложныеслучаи анализа, однако за счёт измерения неск. линий случайная погрешностьопределения С. возрастает. Атомно-абсорбционный анализ (ААА) основан на зависимости аналитич. сигнала(абсорбционности) (где - интенсивности падающего и прошедшего сквозь образец света) от концентрации(Бугера- Ламберта - Берa закон): где k v - коэф. поглощения на частоте v, l - эфф. <длина светового пути в области поглощения, п - концентрация атомованализируемого элемента в парах. Схема установки ААА включает: независимый источник излучения света счастотой v, равной частоте аналитич. линии определяемого элемента; атомизатор, <преобразующий пробу в атомарный пар; спектрофотометр. Свет, прошедший сквозьатомный пар, системой линз направляется на входную щель спектрофотометра, <интенсивность аналитич. спектральной линии на выходе регистрируется фотоэлектрич. методом. Поскольку естественнаяширина спектральной линии, постоянна, зависит только от времени жизнивозбуждённого состояния и обычно пренебрежимо мала, разница контуров линиииспускания и поглощения определяется в осн. допплеровским и лоренцевским уширениями: (здесь р - давление, с - скорость света, т - атомная, М- молекулярная массы, - эфф. сечение столкновений, приводящих к уширению, К -константа).Т. о., ширины контуров линий поглощения и испускания могут быть различнымив зависимости от давления, темп-ры и состава газовой фазы в источнике излученияи в поглощающей ячейке, что отразится на виде ф-ции и может привести к неоднозначности результатов С. а. До нек-рой степениэто удаётся устранить достаточно сложными приёмами. В методе Уолша применяютлампы с полым катодом (ЛПК), к-рые излучают спектральные линии значительноболее узкие, чем линии поглощения атомов определяемых элементов в обычныхпоглощающих ячейках. В результате зависимость в довольно широких пределах значений А (0 -0,3) оказывается простойлинейной ф-цией. В качестве атомизатора в ААА используют разл. пламена на основе смесейводород - кислород, ацетилен - воздух, ацетилен - закись азота и др. Анализуподвергают аэрозоль раствора пробы, вдуваемый в горящее пламя. Последовательноизмеряют интенсивности и I 0 света, прошедшего сквозь пламя во время подачи аэрозоляи без его подачи. В совр. приборах измерение автоматизировано. В нек-рых случаях процессы испарения и последующей атомизациипробы из-за низкой темп-ры пламён (Т ~3000 К) в газовой фазе происходятне полностью. Процессы испарения частиц аэрозоля и степень атомизации впламени сильно зависят также от состава пламени (соотношения горючего иокислителя), а также от состава раствора аэрозоля. Хорошую воспроизводимостьаналитич. сигнала (в лучших случаях S r составляет 0,01-0,02)удаётся получать, применяя в качестве источников ЛПК, излучение к-рогообладает высокой стабильностью, и осуществляя процессы испарения и атомизациив пламени.

27) Естественная ширина линии излучения. Доплеровское уширение линии излучения в газообразных средах .ЕСТЕСТВЕННАЯ ШИРИНА СПЕКТРАЛЬНОЙ ЛИНИИ- ширина спектральной линии, обусловленная спонтанными квантовыми переходами изолированной квантовой системы (атома, молекулы, ядра и т. д.). Е. ш. с. л. наз. также радиац. шириной. В соответствии с принципом неопределённости возбуждённые уровни i энергии квантовой системы, обладающие конечным временем жизни t i , являются квазидискретными и имеют конечную (малую) ширину (см. Ширина уровня).Энергия возбуждённого уровня равна - суммарная вероятность всех возможных спонтанных квантовых переходов с уровня i (А ik - вероятность перехода на уровень k; см.Эйнштейна коэффициенты).Если уровень энергии j, на к-рый переходит квантовая система, также является возбуждённым, то Е. ш. с. л. равна (Г i +Г j ). Вероятность dw ij излучения фотонов в интервале частот d w при переходе i-j определяется ф-лой: Для резонансных линий атомов и ионов Е. ш. с. л. равна: где f ij - сила осциллятора перехода i-j , она очень мала по сравнению с частотой перехода w ij : Г/w ij ~ a 3 (z+1) 2 (здесь a=1/137 - постоянная тонкой структуры, z - кратность заряда иона). Особенно малой шириной обладают запрещённые линии. Естественная ширина линии классич. осциллятора с зарядом е , массой т и собств. частотой w 0 равна: Г= 2еw 2 0 /3mс 3 . Радиац. затухание приводит также к очень небольшому смещению максимума линии в сторону меньших частот ~Г 2 /4w 0 . Спонтанные квантовые переходы, определяющие конечную ширину уровней энергии и Е. ш. с. л., не всегда происходят с испусканием фотонов. Доплеровское уширение спектральной линии. Это уширение связано с эффектом Доплера, т. е. с зависимостью наблюдаемой частоты излучения от скорости движения излучателя. Если источник, создающий в неподвижном состоянии монохроматическое излучение с частотой, движется со скоростью в сторону к наблюдателю так, что проэкция скорости на направление наблюдения составляет, то наблюдатель регистрирует более высокую частоту излучения. где с - фазовая скорость распространения волны; 0 - угол между направлениями скорости излучателя и наблюдения. В квантовых системах источниками излучения являются атомы или молекулы. В газообразной среде при термодинамическом равновесии скорости частиц распределены по закону Максвелла- Больцмана. Поэтому и форма спектральной линии всего вещества – будет связана с этим распределением. В спектре, регистрируемом наблюдателем, должен быть непрерывный набор частиц, так как разные атомы движутся с разными скоростями относительно наблюдателя. Учитывая лишь проекции скорости в распределении Максвелла- Больцмана, можно получить следующее выражение для формы доплеровской спектральной линии: Эта зависимость является гауссовой функцией. Соответствующая значению ширина линии. С увеличением массы частиц М и понижением температуры Т ширина линии уменьшается. Вследствие эффекта Доплера спектральная линия всего вещества не совпадает со спектральной линией отдельной частицы. Наблюдаемая спектральная линия вещества представляет собой суперпозицию спектральных линий всех частиц вещества, т. е. линий с различными центральными частотами. Для лёгких частиц при обычной температуре ширина доплеровской линии в оптическом диапазоне может превышать естественную ширину линии на несколько порядков и достигать значения более1ГГц. Процесс, при котором форма спектральной линии всего вещества не совпадает с формой спектральной линии каждой частицы, называют неоднородным уширением спектральной линии. В рассмотренном случае причиной неоднородного уширения был эффект Доплера. Форма доплеровской спектральной линии описывается гауссовой функцией. Если распределение скоростей частиц отличается от максвелловского, то и форма доплеровской спектральной линии будет отличаться от гауссовой функции, но уширение останется неоднородным.

28 Лазеры: принципы работы, основные характеристики и применение

Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью светового луча.

Основной физический процесс, определяющий действие лазера, – это вынужденное испускание излучения. Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом при точном совпадении энергии фотона с энергией возбуждения атома (или молекулы).

В результате этого взаимодействия атом переходит в невозбужденное состояние, а избыток энергии излучается в виде нового фотона с точно такой же энергией, направлением распространения и поляризацией, как и у первичного фотона. Таким образом, следствием данного процесса является наличие уже двух абсолютно идентичных фотонов. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденными атомами, аналогичными первому атому, может возникнуть “цепная реакция” размножения одинаковых фотонов, “летящих” абсолютно точно в одном направлении, что приведет к появлению узконаправленного светового луча. Для возникновения лавины идентичных фотонов необходима среда, в которой возбужденных атомов было бы больше, чем невозбужденных, поскольку при взаимодействии фотонов с невозбужденными атомами происходило бы поглощение фотонов. Такая среда называется средой с инверсной населенностью уровней энергии.

Лазеры нашли широкое применение, и в частности используются в промышленности для различных видов обработки материалов: металлов, бетона, стекла, тканей, кожи и т. п.

Лазерные технологические процессы можно условно разделить на два вида. Первый из них использует возможность чрезвычайно тонкой фокусировки лазерного луча и точного дозирования энергии, как в импульсном, так и в непрерывном режиме. В таких технологических процессах применяют лазеры сравнительно невысокой средней мощности: это газовые лазеры импульсно – периодического действия. С помощью последних были разработаны технология сверления тонких отверстий в рубиновых и алмазных камнях для часовой промышленности и технология изготовления фильеров для протяжки тонкой проволоки. Основная область применения маломощных импульсных лазеров связана с резкой и сваркой миниатюрных деталей в микроэлектронике и электровакуумной промышленности, с маркировкой миниатюрных деталей, автоматическим выжиганием цифр, букв, изображений для нужд полиграфической промышленности.

Второй вид лазерной технологии основан на применении лазеров с большой средней мощностью: от 1кВт и выше. Мощные лазеры используют в таких энергоемких технологических процессах, как резка и сварка толстых стальных листов, поверхностная закалка, направление и легирование крупногабаритных деталей, очистка зданий от поверхностных загрязненней, резка мрамора, гранита, раскрой тканей, кожи и других материалов. При лазерной сварке металлов достигается высокое качество шва и не требуется применение вакуумных камер, как при электроннолучевой сварке, а это очень важно в конвейерном производстве.

Мощная лазерная технология нашла применение в машиностроении, автомобильной промышленности, промышленности строительных материалов. Она позволяет не только повысить качество обработки материалов, но и улучшить технико-экономические показатели производственных процессов.

Газовые лазеры представляют собой, пожалуй, наиболее широко используемый в настоящее время тип лазеров и, возможно, в этом отношении они превосходят даже рубиновые лазеры. Среди различных типов газовых лазеров всегда можно найти такой, который будет удовлетворять почти любому требованию, предъявляемому к лазеру, за исключением очень большой мощности в видимой области спектра в импульсном режиме. Большие мощности необходимы для многих экспериментов при изучении нелинейных оптических свойств материалов.

Особенности газовых лазеров большей часто обусловлены тем, что они, как правило, являются источниками атомных или молекулярных спектров. Поэтому длины волн переходов точно известны, они определяются атомной структурой и обычно не зависят от условий окружающей среды.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ - Основным примером работы полупроводниковых лазеров является магнитно-оптический накопитель (МО).

30 . Открытые оптические резонаторы. Продольные моды. Поперечные моды. Дифракционная устойчивость

В 1958 г. Прохоровым А.М. (СССР) и независимо от него Р.Дикке, А.Шавловым, Ч.Таунсом (США) была обоснована идея о возможности применения в оптическом диапазоне открытых резонаторов вместо объемных. Такие резонаторы называются открытыми оптическими или просто оптическими , L >> l

Если m = n = const, то

Полученный набор резонансных частот относится к так называемым продольным (или аксиальным) модам . Аксиальными модами называют колебания, распространяющиеся строго вдоль оптической оси резонатора. Они обладают наивысшей добротностью. Продольные моды отличаются одна от другой лишь частотой и распределением поля вдоль оси Z (т.е. разность между соседними частотами постоянна и зависит только от геометрии резонатора)

Моды с разными индексами m и n будут различаться распределением поля в плоскости, перпендикулярной к оси резонатора, т.е. в поперечном направлении.Поэтому их называют поперечными (или неаксиальными) модами . Для поперечных мод, отличающихся индексами m и n, структура поля будет различной в направлении осей x и y соответственно.

Разность частот поперечных мод с индексами m и n, отличающимися на 1, равна:

можно представить в виде:

где NF-число Френеля, .

Каждой поперечной моде соответствует бесконечное количество продольных, отличающихся индексом g.

Моды, характеризующиеся одними и теми же индексами m и n, но разными g, объединяются под общим названием поперечные моды. Колебание, соответствующее определенному g, называют продольной модой, относящейся к данной поперечной моде.

В теории открытых резонаторов принято обозначать отдельные моды как ТЕМmnq, где m, n –поперечные индексы моды, g- продольный индекс. Обозначению ТЕМ соответствует английское словосочетание Transvers Electromagnetic (Поперечные электромагнитные колебания, которые имеют пренебрежимо малые проекции векторов Е и Н на ось Z). Поскольку число g очень велико, часто индекс g опускают и моды резонатора обозначают ТЕМmn. Каждый тип поперечной моды ТЕМmn обладает определенной структурой поля в поперечном сечении резонатора и образует определенную структуру светового пятна на зеркалах резонатора (рис.1.8). В отличие от объемного резонатора моды открытого можно визуально наблюдать.

Дифракционные потери реальных мод оказываются существенно меньше благодаря тому, что при многократных проходах излучения между зеркалами происходит «естественный» отбор тех мод, у которых максимум амплитуды поля находится в центре зеркал. Таким образом, в открытом резонаторе при наличии дифракционных потерь не может существовать истинных мод, т.е. стационарных конфигураций электромагнитного поля типа стоячих волн, подобных существующим в объемном резонаторе. Однако имеется определенное число типов колебаний, обладающих малыми дифракционными потерями (их иногда называют квазимодами или модами открытых резонаторов). Поле этих колебаний (мод) сконцентрировано вблизи оси резонатора и практически спадает до нуля в его периферийных областях.

31 Модовый состав излучения лазерных генераторов. Режимы работы твердотельных лазеров

Модовой состав излучения существенно зависит от конструкции и размеров резонатора полупроводниковый лазер а также от величины мощности излучения полупроводниковый лазер испускает узкую спектральную линию, к-рая сужается с увеличением мощности излучения, если не появляются пульсации и многомодовые эффекты. Сужение линии ограничивается фазовыми флуктуациями, обусловленными спонтанным излучением. Эволюция спектра излучения с ростом мощности в инжекц. лазере показана на рис. 7. В од-ночастотном режиме наблюдают сужение спектральной линии до Гц; мин. значение ширины линии в полупроводниковый лазер со стабилизацией одночастотного режима с помощью селективного внеш. резонатора составляет величину 0,5 кГц. В полупроводниковый лазер путём модуляции накачки удаётся получить модулиров. излучение, напр. в форме синусоидальных пульсаций с частотой, достигающей в нек-рых случаях 10-20 ГГц, или в форме УК-импульсов субпикосекундной длительности Осуществлена передача информации с помощью полупроводниковый лазер. со скоростью 2-8 Гбит/с.

Твердоте́льный ла́зер - лазер, в котором в качестве активной среды используется вещество, находящееся в твёрдом состоянии (в отличие от газов в газовых лазерах и жидкостей в лазерах на красителях).

Рабочие схемы активных веществ твердотельных лазеров подразделяются на трех- и четырехуровневые. По какой из схем работает данный активный элемент, судят по разности энергий между основным и нижним рабочими уровнями. Чем больше эта разность, тем при более высоких температурах возможна эффективная генерация. Так, например, у иона Сг3+ основное состояние характеризуется двумя подуровнями, расстояние между которыми составляет 0,38 см-1. При такой разности энергий даже при температуре жидкого гелия (~4К) заселенность верхнего подуровня только на ~13°/0 меньше нижнего, т. е. они заселены одинаково и, следовательно, рубин - активное вещество с трехуровневой схемой при любой температуре. У иона неодима же нижний лазерный уровень для излучения при =1,06 мкм расположен на 2000 см-1 выше основного. Даже при комнатной температуре на нижнем уровне ионов неодима в 1,4 -104 раз меньше, чем на основном, и активные элементы, у которых в качестве активатора используется неодим, работают по четырехуровневой схеме.

Твердотельные лазеры могут работать в импульсном и непрерывном режимах. Различают два импульсных режима работы твердотельных лазеров: режим свободной генерации и режим с модулированной добротностью. В режиме свободной генерации длительность импульса излучения практически равна длительности импульса накачки. В режиме же с модулированной добротностью длительность импульса существенно меньше длительности импульса накачки.

32) Нелинейная оптика - раздел оптики, в котором исследуется совокупность оптических явлений, наблюдающихся при взаимодействии световых полей с веществом, у которого имеется нелинейная реакция вектора поляризации P на вектор напряженности электрического поля E световой волны. В большинстве веществ данная нелинейность наблюдается лишь при очень высоких интенсивностях света, достигаемых при помощи лазеров. Принято считать как взаимодействие, так и сам процесс линейными, если его вероятность пропорциональна первой степени интенсивности излучения. Если эта степень больше единицы, то как взаимодействие, так и процесс называются нелинейными. Таким образом возникли термины линейная и нелинейная оптика. Появление нелинейной оптики связано с разработкой лазеров, которые могут генерировать свет с большой напряженностью электрического поля, соизмеримой с напряженностью микроскопического поля в атомах. Основные причины, вызывающие различия в воздействии излучения большой интенсивности от излучения малой интенсивности на вещество: При большой интенсивности излучения главную роль играют многофотонные процессы, когда в элементарном акте поглощается несколько фотонов. При большой интенсивности излучения возникают эффекты самовоздействия приводящие к изменению исходных свойств вещества под влиянием излучения. Одним из наиболее часто используемых процессов с изменением частот является генерация второй гармоники . Это явление позволяет преобразовать выходное излучение лазера Nd:YAG лазера (1064 нм) или лазера на сапфире, легированного титаном (800 нм) в видимое, с длинами волн 532 нм (зеленое) или 400 нм (фиолетовое), соответственно. На практике для реализации удвоения частоты света в выходной пучок лазерного излучения устанавливают нелинейный оптический кристалл, ориентированный строго определённым образом.

33) Рассеяние света - рассеяние электромагнитных волн видимого диапазона при их взаимодействии с веществом. При этом происходит изменение пространственного распределения, частоты, поляризации оптического излучения, хотя часто под рассеянием понимается только преобразование углового распределения светового потока. Пусть и - частоты падающего и рассеянного света. Тогда Если - упругое рассеяние Если - неупругое рассеяние - стоксово рассеяние - антистоксово рассеяние Рассеиваемый свет даёт информацию о структуре и динамике материала. Рэлеевское рассеяние - когерентное рассеяние света без изменения длины волны (называемое также упругим рассеянием) на частицах, неоднородностях или других объектах, когда частота рассеиваемого света существенно меньше собственной частоты рассеивающего объекта или системы. Эквивалентная формулировка: рассеяние света на объектах, размеры которых меньше его длины волны. mодель взаимодействия с осциллятором комбинационного рассеяния света в спектре рассеянного излучения появляются спектральные линии, которых нет в спектре первичного (возбуждающего) света. Число и расположение появившихся линий определяется молекулярным строением вещества. Выражение для интенсивности излучения имеет вид где P - индуцированный дипольный момент, определяемый как Коэффициент пропорциональности α в этом уравнении называется поляризуемостью молекулы. Рассмотрим световую волну как электромагнитное поле напряженности Е с частотой колебаний ν 0 : где E 0 - амплитуда, a t - время.