Обобщение на материала изучаван в 11 клас по физика.презентация

Топлинно излъчване

Нагрети са всички тела с температура Т > -273 К

Топлинното лъчение е резултат от превръщането на различни видове

енергия в енергия на електромагнитно лъчение.

Различава се от:

• хемилуминесценцията

• катодолуминесценцията

• рекомбинационното излъчване и др.

Основни величини

Спектрална емисионна способност

d

dEe T,

0

deE T,T

- интегрална светимост

Спектрална абсорбционна способност

T

TT W

Wa

,

,,

'

10 T,a

0, Ta

consta T ,

•Абсолютно бяло тяло

•Сиво тяло

•Абсолютно черно тяло 1, Ta

Топлинното излъчване е в термодинамично равновесие с нагретите тела.

Ако в затворена повърхност с огледално отразяващи стени сложим няколко нагрети до различна температура тела, с течение на времето такава система ще дойде в състояние на ТДР, при което всички тела ще имат еднаква температура.

При ТДР всяко тяло излъчва толкова енергия, колкото поглъща.

Телата обменят енергия единствено чрез изпускане и поглъщане на лъчиста енергия и в пространството между тях плътността на енергията на излъчването достига стойност, зависеща единствено от установената температура на телата.

Това излъчване се нарича равновесно. Неговата плътност и спектрален състав зависят единствено от температурата.

Абсолютно черно тяло

Тъй като при ТДР всяко тяло излъчва толкова енергия, колкото поглъща, а за АЧТ , следва, че:

Емисионната способност на АЧТ при дадена температура е най-голяма!

Модел на АЧТ

1, Ta

Закон на Кирхоф

При излъчване, енергията на топлинно движение преминава в енергия на ЕМ вълни.

При поглъщане на ЕМ вълни енергията се превръща в енергия на топлинното движение.

И в двата случая взаимните превръщания на енергията преминава през трептене на електричните заряди. Затова емисионната и абсорбционната способност са тясно свързани.

T,fa

е

T,

T,

- универсална функция на и Т

За АЧТ T,T,T, ET,fе;a 1

Крива на излъчване на АЧТ

Т,Е

материал B

материал A

АЧТ

R UV Vis IR Ra

Закони на Стефан–Болцман и Вин

1879 година. Йозеф Стефан на основата на анализ на экспериментални данни заключава, че интегралната светимост на АЧТ е пропорционална на четвъртата степен на абсолютната температура:

4TЕT

1884 година. Л. Болцман извежда теоретически тази зависимост от термодинамични съображения.

]K[W/m10.67,5 428

1890 година. От принципите на термодинамиката Вин получава, че с увеличаване на температурата максимумът на излъчване се измества към по-късите дължини на вълната:

T

bmax

5,

TfE T

Описва добре късовълновата част на кривата на излъчване на АЧТ, но не и

дълговълновата.

[mK]1092 3 .,b

Примери

Т,Е

Слънце, 6 000 К

R UV Vis IR Ra

470 К

100 К

20 000 К

Т на Вселената,

2.73 К

Eta Carina-IR Eta Carina-Ra

Млечният път

Eta Carina-Vis

Закон на Релей-Джинс 1900 година. Д. Релей, прилага теоремата от МКТ за равномерно

разпределение на енергията по степените на свобода при ТДР към равновесното излъчване в кухина. Подробно тази идея е развита по-късно от Джинс. Така е получена зависимостта:

48 kTE T,

Описва добре дълговълновата част на кривата на излъчване на АЧТ, но не и късовълновата.

nm]10[ 3

T,Е

Закон на Релей-Джинс

Ултравиолетова катастрофа!

Закон на Планк

Хипотеза:

Излъчването и поглъщането на електромагнитнитните вълни става на порции (кванти) с енергия

hE [J.s]106266 34 .,h- квант действие

1

122

3

kT/hexpc

hE

Джинс-Релей на закон -

Вин на закон 0

Следствия:

Фотоелектричен ефект

1887 година – Г. Херц установява, че металите се зареждат положително под действие на ултравиолетова светлина.

Г. Херц 1888 г. Столетов изследва основните закономерности

А.Столетов Ленард и Томсон измерват

специфичния заряд на напускащите частици и установяват, че това са електрони.

Видове:

• Външен

• Вътрешен

• Галваничен

•Фотойонизация

Изследване

UV

Ф1

Ф2

Волт-амперна характеристика

Основни закономерности

I. Наситеният фототок е пропорционален на светлинния поток. ФI

Ф

- чувствителност на катода:

Светлинна характеристика на катода

спектрална – за дадена

интегрална – за бяла светлина

ІІ. Задържащото напрежение е пропорционално на честотата на светлината и не зависи от светлинния поток.

aU з

а - универсална константа

- характеризира катодазU

min

з,k eUE max

Максималната кинетична енергия на електроните е пропорционална на честотата на светлината и не зависи от светлинния поток.ІІІ. Съществува “червена граница” за веществото на катода:

minmax ;

ІV. Явлението е безинерционно.

minза

няма фотоефектmax

А. Айнщайн

Електромагнитните вълни се излъчват, разпространяват и поглъщат на порции с енергия h.

Уравнение на Айнщайн:

2

v2maxm

Ah

Обяснение на фотоефекта

Hz][1014

min

А – отделителна работа;

h - енергия на фотона; 2

v max2m

- енергия на свободния електрон;

Всеки електрон поглъща мигновено и изцяло точно един фотон.

ІV закон: s~ 910

І закон: Броят на отделените електрони е пропорционален на светлинния поток (броя на фотоните).ФneI

A hmV

2

2max

eeaeU з ІІ закон:

e

ha - универсална

константаe

A -

отделителен потенциал на катода

Ah;mV max 0

2

2

ІІІ закон: minh

A ** За да има фотоефект, енергията на фотона трябва да е равна най-малко на отделителната работа.

Приложения на фотоефекта

Международната космическа станция

Фотоелектронни прибори - основани са на превръщане на светлинния сигнал в електрически:

• Електричното съпротивление на полупроводника пада при осветяване (вътрешен фотоефект) – създават се фотосъпротивления; • Галваничният фотоефект, при който възниква фотоелектродвижещо напрежение позволява да се преобразува светлинната енергия в електрическа в слънчевите батерии; • Фотоелектронните умножители позволяват да се регистрират много слаби излъчвания, дори отделни фотони;• Анализът на енергиите и ъглите на излитане на фотоелектроните позволява да се изследва повърхността на материалите.

През 2004 г. японските изследователи създадоха нов тип полупроводников прибор - фотокондензатор, съединяващ в себе си фотоелектричен преобразовател и средство за съхранение на енергията - два пъти по-ефективен от обикновените силициеви слънчеви батерии.

Строеж на атома. Предпоставки за строежа на атома.

1. Топлинно лъчение. 2. Фотоелектричен ефект.

1

122

3

kT/hexpc

hE

2max

2mVAh

3. Линейни спектри на атомите.

Серия на Балмер

,...,nn

Rn 43 ; 1

4

12

формула на Ритц

,...k,knnk

Rk,n 21 ; 11

22

11510293 s.,R - константа на Ридберг

k = 1 – Лайман; k = 2 – Балмер; k = 3 – Пашен; k = 4 – Брякет, k = 5 – Пфунт и т.н.

5. Модел на атома от Дж. Томсон (1903 г).

6. Опит на Ръдърфорд по разсейване на алфа-частици върху златно фолио.

E

79Au

Hmm

eq

4

2

Разсейване на алфа-частици в моделите на Томсон (а) и Ръдърфорд (b|.

Планетарен модел на Ръдърфорд

(класически)

1. Почти цялата маса на атома е съсредоточена в ядро с размери Rя ~ 10-15 m;

2. Ядрото има електричен заряд Q+ = Z.e .

3. Електроните образуват външна обвивка с размер Ra = 10-10 m и заряд Q- = -Z.e. (Z – номер на елемента = броя на електроните в обвивката)

4. Атомът като цяло е електронеутрален. Между електроните и ядрото действуват кулонови сили, които са центростремителни.

20

22

4 r

Ze

r

mV

От закона за запазване на момента на импулса

следва, че когато следователно излъчването трябва да има непрекъснат спектър, а се наблюдава прекъснат.

Моделът не обяснява защо електроните въпреки че се движат ускорително, не излъчват.

const22 rmL

r

Атом на Бор

(полукласически)

ПОСТУЛАТИ:

1. Атомите и молекулите могат да съществуват само в определени енергетични състояния (стационарни), в които те не поглъщат и не излъчват енергия.

2. При преход между две стационарни състояния Ek и

Еn се поглъща или излъчва електромагнитна вълна

чрез цели кванти с енергия

3. Стационарните състояния се определят от условието:

“Орбиталният момент на импулса на електрона да е квантуван.”

kn EEh

2

hnmVrn ,...,,n 321 - квантово число

Модел на водородния атом(полукласически)

20

22

4 nn

n

r

Ze

r

mV

0

22

4

ZermV nn

Кръгова орбита

Стационарно състояние:

nh

ZeVn

1

2 0

2

22

20 nmZe

hrn

- радиус на орбитата

- скорост

n

nk r

ZemVE

0

22

82

np r

ZeE

0

2

4

kn

pk Er

ZeEEE

0

2

8

пълна механична енергия

220

2

42 1

8 nh

meZE

Пълната енергия на електрона в атома е отрицателна!

Радиусът на орбитата, скоростта и енергията на електрона са квантувани!

Линеен спектър на водорода

1n2n

3n

4n

5n

Серия на Балмер - Vis

Серия на Пашен - IRed

Серия на Брякет - IRed

Серия на Пфунд - IRed

6n

Серия на Лайман - УВ

h

EE kn

22

11

nkR

Корпускулярно-вълнов дуализъм

Вълнови свойства:

Енергия на един фотон: Уравнение на Айнщайн:

hE 2mcЕ Следователно, светлината може да упражнява налягане!

Корпускулярни свойства:

c

h

c

hm

2Маса на фотона

h

mcpИмпулс на фотона

Проявяват вълнови свойства при:

Проявяват корпускулярни свойства при:

Рефракция Топлинно излъчване

Интерференция Фотоелектричен ефект

Дифракция Комптънов ефект

Поляризация Рентгенови лъчи

Линейни атомни спектри

Микрочастици

1923 г. ХИПОТЕЗА на дьо Бройл:

На всяка микрочастица с импулс

се приписва дължина на вълната

mVp

p

h

2

2

0

1cV

mm

[m]10312 10U

,e

ПОТВЪРЖДЕНИЕ: 1927 г. Дейвисън и Джермер наблюдават дифракция на електронен сноп върху никелов кристал, а Томсон през 1928г. - през златно фолио.

“С всеки микрообект са свързани от една страна корпускулярни

характеристики – енергия и импулс, а от друга – вълнови –

честота и дължина на вълната.”

При ниски честоти, когато размерите на препятствията са сравними с дължината на вълната (например в радиодиапазона) доминират вълновите свойства.

Когато честотата на вълната е по-висока от тази на UV, вълновите свойства са по-трудно наблюдаеми и започват да доминират корпускулярните свойства.

През кристал електроните преминават като вълна, а с фотоемулсията взаимодействуват като частици.

Дифракция на електрони:

(а) дълга, (b) къса експозиция

1500 kg, 5 km/h

[m]1088 42слон

,Не съществуват кристали с такива размери, може би затова слонът не проявява в ежедневието вълновата си природа.

Принцип на Хайзенберг

модел фотоплака

111

sinh

sinppsinD y

D

hpy

Дифракция на електронен сноп през един процеп

hpy y

Не е възможно едновременно и точно да се определят координатите и импулса.

Вълнова функция

t,x

V2

1V0

2

d

Определя вероятността микрочастицата в момента t да има координата x.

Характеризира вълновия процес

Определя вероятността микрочастицата в момента t да се намира в обема V

Частицата съществува!

Конкретният вид на вълновата функция се определя от характера на движението и взаимодействието с други частици.

Квантовомеханичен модел на атома

08

2

2

2

2

UEh

m

x 220

2

42 1

8 nh

meZE

,...,,n 321

12

llh

L

2nn t,x - n2 състояния за електрона в атома

Квантуване на орбиталния момент на импулса:

1,...,2,1,0 nl

mh

m

eМ L

22

Квантуване на магнитния момент:

lm ,...,2,1,0

1 при ;12

nla

n

lb;n~a nl,nn орбитата е окръжност

главно кв. число

орбитално кв. число

магнитно кв. число

- определя формата на орбитата.

- определя размера на орбитата.

- определя ориентацията на голямата полуос.

Състоянията се различават по енергия, размер, форма и ориентация на орбитата.

mln ,, Определя състоянието на електрон с енергия Е, момент на импулса L и проекцията му Lx в магнитно поле, зададени от (n, l, m )

Многоелектронни атоми.

Квантуване на спиновия магнитен момент:

sh

m

geM S

22 2

1s спиново кв. число

2

1s

Съвкупността от четирите квантови числа (n,l,m,s) напълно определя състоянието на електрона в атома.

,...,,n 3211,...,2,1,0 nl

lm ,...,2,1,0

Принцип на Паули:

“В една квантова система не може да съществуват две частици с четири еднакви

квантови числа.”

Електронна обвивка

Слой се нарича съвкупността

от състояния с еднакво n.

n = 1 l = 0 m = 0s = ½s = - ½ 2

n = 2 l = 0 m = 0s = ½s = - ½ 2

n = 2 l = 1 m = -1s = ½s = - ½ 2

n = 2 l = 1 m = 0s = ½s = - ½ 2

n = 2 l = 1 m = 1s = ½s = - ½ 2

Подслой е съвкупността от състояния с еднакво l.

n = 1 К n = 2 L n = 3 M n = 4 N n = 5 O n = 6 Р n = 7 Q

Общ брой състояния в слой n:

21

0

2122 nlZn

ln

l = 1 s

l = 2 p l = 3 dl = 4 f

Изграждане на периодичната система

1. Принцип на Паули.2. Принцип за минималната пълна енергия на системата.

Броят на електроните расте с атомния номер.

Изграждането на слоевете започва от К слоя с n = 1 - Н и Не.

В границите на всеки слой се запълват подслоевете с нарастване на l.

Броят на електроните в последния незапълнен слой (валентен), определя номера на групата.

Периодична система

Ядрен синтез и ядрен разпад.

За да се получат по-големи количества енергия, ядрения синтез трябва да протече в голямо количество вещество. Целта е много

атоми да се сливат, като отделят значително количество енергия. Най-добрия начин да се постигне това трябва да се увеличи

температурата на веществото, така че атомите да имат достатъчно енергия за да преодолеят отблъскващите електрически сили между своите електрони. Този процес е известен като термоядрен синтез.

Втория начин да се освободи ядрената

енергия е чрез реакцията на ядрен

разпад на тежки ядра.

Критична маса

В малка сфера от чисто вещество химичен елемент с тежко ядро, примерно с големината на топка за голф, няма да

протече верижна реакция на ядрен разпад. Причината за това е, че твърде много неутрони ще напуснат топката през

повърхността й, която е твърде голяма сравнена с обема. Минималното количество вещество за осъществяването на

верижна реакция е известно като критична маса.

Разпад

Има три вида разпадане: Неутрино α – разпадане; Антинеутрино

ν β – разпадане; γ – разпадане;

Гайгеров брояч:

Частици

Ами сега

?

Делене на урана. Ядрени реактори.

1983 г. Ото Хан и Фриц Щрасман откриват делението на урана.

Еволюцията на звездите и края на техния живот

♦ Звездообразуване и звездна еволюция;

♦ Граници на звездните маси;

♦ Видове звезди;

♦ Главната последователност - звезда от главната

последователност;

♦ Смъртта на звездите – превръщане в бели джуджета,

неутронни звезди и черни дупки;

♦ Интересни теории за черните дупки.

Идеята и механизмът на образуване на звездите и планетите произтича от самия закон за всеобщото

привличане на Нютон. Джеймс Джинс продължава тези изследвания в областта на космогонията на Слънчевата система. Той е автор на една от т. нар. катастрофични

хипотези за зараждането на Слънчевата система, според която планетите са се образували в резултат на

близко преминала покрай Слънцето звезда.

Оказвайки гравитационно въздействие, по посока към звездата от рехавото формиращо се все още Слънце било изхвърлено вещество с форма на вретено. От него впоследствие са се фрагментирали планетите – най-големите в средата и все по-намаляващи по размери в края на изхвърленото вещество.

Граници на звездните маси

Граница на Едингтън - теоретичната граница на звездната маса (около 120 слънчеви маси), при която

звездата произвежда толкова много радиация, че сама

изхвърля в пространството повърхностните си пластове.

Видове звезди

Има три познати вида звезди :

- променливи

- нови

- свръхнови

Червени гиганти

Бели джуджета

Двойни звезди

Главна последователност

Главната последователност в диаграмата на Херцшпрунг-Ръсел

кривата, около която са разположени повечето звезди. Звездите от тази група са известни като звезди от главната последователност или

звезди-джуджета.

Тази линия е така ясно изявена, защото

както спектралния клас, така и

светимостта, зависят само от масата на звездата (по груби изчисления), при

условие че в звездата протича термоядрен

синтез - реакция, която заема почти целия период на съществуване на

звездите

Главната последователност не следва напълно равномерна

крива. Така е, поради неточностите на наблюденията, които касаят разстоянието до

дадената звезда.

Смъртта на звездите

Превръщане в неутронни звезди

Черни дупки

Черната дупка е струпване на огромна маса в малък обем с толкова силно гравитационно поле, че втора космическа скорост е по-голяма от тази на светлината. Поради това дори и светлината не е в състояние да преодолее тази гравитация, оттам и името „черна“ дупка.

Изготвил презентацията: А. Вилфан Преподавател: Е. Стойновска.

Източници на информация:

Общ курс по астрономия НАО “ Юрий

Гагарин “ Учебник по физика и астрономия 11 клас

Physics.org ; Учебен център “СолемаУчебник по Физика за 10 клас;