Що називається енергетичною світністю тіла. Спектральна щільність енергетичної світності

Випускальна здатність тіла rl ,Тчисельно дорівнює енергії тіла dWl, що випромінюється тілом c одиниці поверхні тіла, за одиницю часу при температурі тіла Т, в діапазоні довжин хвиль від lдо l +dl,тобто.

Цю величину називають спектральною щільністю енергетичної світності тіла.

Енергетична світність пов'язана з випромінювальною здатністю формулою

Поглинальна здатністьтіла al, T- Число, що показує, яка частка енергії випромінювання, що падає на поверхню тіла, поглинається ним в діапазоні довжин хвиль від l до l +dl,тобто.

Тіло, для якого al , T =1у всьому діапазоні довжин хвиль називається абсолютно чорним тілом (АЧТ).

Тіло, для якого al , T = const<1 у всьому діапазоні довжин хвиль називають сірим.

де- спектральна щільність енергетичної світності, або променевипускальна здатність тіла .

Досвід показує, що променевипускальна здатність тіла залежить від температури тіла (для кожної температури максимум випромінювання лежить у своїй ділянці частот). Розмірність .

Знаючи випромінювальну здатність, можна обчислити енергетичну світність:

називається поглинальною здатністю тіла . Вона також дуже залежить від температури.

За визначенням може бути більше одиниці. Для тіла, що повністю поглинає випромінювання всіх частот, . Таке тіло називається абсолютно чорним (це ідеалізація).

Тіло, для якого і менше одиниці для всіх частот,називається сірим тілом (це теж ідеалізація).

Між випромінювальною та поглинальною здатністю тіла існує певний зв'язок. Подумки проведемо наступний експеримент (рис. 1.1).

Рис. 1.1

Нехай усередині замкнутої оболонки знаходяться три тіла. Тіла знаходяться у вакуумі, отже, обмін енергією може відбуватися тільки за рахунок випромінювання. Досвід показує, що така система через деякий час прийде в стан теплової рівноваги (всі тіла та оболонка матимуть одну й ту саму температуру).

У такому стані тіло, що володіє більшою променевипускальною здатністю, втрачає в одиницю часу і більше енергії, але, отже це тіло повинно мати і більшу поглинаючу здатність:

Густав Кірхгоф у 1856 році сформулював закон і запропонував модель абсолютно чорного тіла .

Ставлення променевипускальної до поглинальної здатності залежить від природи тіла, воно є всім тіл однієї й тієї ж(універсальною)функцією частоти та температури.

де – Універсальна функція Кірхгофа.

Ця функція має універсальний, або абсолютний характер.

Самі величини і взяті окремо можуть змінюватися надзвичайно сильно при переході від одного тіла до іншого, але їх відношення постійнодля всіх тіл (при даній частоті та температурі).

Для абсолютно чорного тіла, отже, йому, тобто. Універсальна функція Кірхгофа є не що інше, як променевипускальна здатність абсолютно чорного тіла.

Абсолютно чорних тіл у природі не існує. Сажа або платинова чернь мають здатність поглинання, але тільки в обмеженому інтервалі частот. Однак порожнина з малим отвором дуже близька за своїми властивостями до чорного тіла. Промінь, що потрапив усередину, після багаторазових відбиття обов'язково поглинається, причому промінь будь-якої частоти (рис. 1.2).

Рис. 1.2

Променева здатність такого пристрою (порожнини) дуже близька до f(ν, ,T). Таким чином, якщо стінки порожнини підтримуються за температури T, то з отвору виходить випромінювання дуже близьке спектральному складу до випромінювання абсолютно чорного тіла при тій же температурі.

Розкладаючи це випромінювання спектр, можна знайти експериментальний вид функції f(ν, ,T)(рис. 1.3), при різних температурах Т 3 > Т 2 > Т 1 .

Рис. 1.3

Площа, що охоплюється кривою, дає енергетичну світність абсолютно чорного тіла за відповідної температури.

Ці криві однакові всім тіл.

Криві схожі на функцію розподілу молекул за швидкостями. Але там площі, що охоплюються кривими, постійні, а тут із збільшенням температури площа суттєво збільшується. Це говорить про те, що енергетична сумісність залежить від температури. Максимум випромінювання (випромінювальної здатності) зі збільшенням температури зміщуєтьсяу бік високих частот.

Закони теплового випромінювання

Будь-яке нагріте тіло випромінює електромагнітні хвилі. Чим вище температура тіла, тим коротші хвилі воно випромінює. Тіло, що знаходиться в термодинамічній рівновазі зі своїм випромінюванням, називають абсолютно чорним (А ЧТ). Випромінювання абсолютно чорного тіла залежить лише від його температури. В 1900 Макс Планк вивів формулу, за якою при заданій температурі абсолютно чорного тіла можна розрахувати величину інтенсивності його випромінювання.

Австрійськими фізиками Стефаном і Больцманом було встановлено закон, що виражає кількісне співвідношення між повною випромінювальною здатністю та температурою чорного тіла:

Цей закон має назву закон Стефана-Больцмана . Константа σ = 5,67∙10 –8 Вт/(м 2 ∙К 4) отримала назву постійної Стефана-Больцмана .

Всі планкові криві мають помітно виражений максимум, що припадає на довжину хвилі.

Цей закон отримав назву закон Вина . Так, для Сонця Т 0 = 5800 К, і максимум припадає на довжину хвилі max ≈ 500 нм, що відповідає зеленому кольору в оптичному діапазоні.

Зі збільшенням температури максимум випромінювання абсолютно чорного тіла зсувається в короткохвильову частину спектра. Більш гаряча зірка випромінює більшу частину енергії в ультрафіолетовому діапазоні, менш гаряча – в інфрачервоному.

Фотоефект. Фотони

Фотоелектричний ефектбув відкритий в 1887 німецьким фізиком Г. Герцем і в 1888-1890 роках експериментально досліджений А. Г. Столетовим. Найбільш повне дослідження явища фотоефекту було виконано Ф. Ленардом у 1900 р. До цього часу вже було відкрито електрон (1897 р., Дж. Томсон), і стало ясно, що фотоефект (або точніше – зовнішній фотоефект) полягає у вириванні електронів із речовини під впливом падаючого нею світла.

Схема експериментальної установки на дослідження фотоефекту зображено на рис. 5.2.1.

В експериментах використовувався скляний вакуумний балон із двома металевими електродами, поверхня яких була ретельно очищена. До електродів прикладалося деяке напруження U, Полярність якого можна було змінювати за допомогою подвійного ключа. Один із електродів (катод K) через кварцове віконце висвітлювався монохроматичним світлом деякої довжини хвилі λ. При постійному світловому потоці знімалася залежність сили фотоструму Iвід прикладеної напруги. На рис. 5.2.2 зображено типові криві такої залежності, отримані при двох значеннях інтенсивності світлового потоку, що падає на катод.

Криві показують, що при досить великих позитивних напругах на аноді A фотострум досягає насичення, оскільки всі електрони, вирвані світлом з катода, досягають анода. Ретельні виміри показали, що струм насичення Iн прямо пропорційний інтенсивності падаючого світла. Коли напруга на аноді негативна, електричне поле між катодом та анодом гальмує електрони. Анода можуть досягти ті електрони, кінетична енергія яких перевищує | eU|. Якщо напруга на аноді менша, ніж – Uз, фотострум припиняється. Вимірюючи Uз, можна визначити максимальну кінетичну енергію фотоелектронів:

Численними експериментаторами було встановлено такі основні закономірності фотоефекту:

1. Максимальна кінетична енергія фотоелектронів лінійно зростає зі збільшенням частоти світла і не залежить від його інтенсивності.
2. Для кожної речовини існує так звана червона межа фотоефекту , тобто найменша частота min, при якій ще можливий зовнішній фотоефект.
3. Число фотоелектронів, що вириваються світлом з катода за 1 с, прямо пропорційне інтенсивності світла.
4. Фотоефект практично безінерційний, фотострум виникає миттєво після початку освітлення катода за умови, що частота світла ν > ν min .

Всі ці закономірності фотоефекту докорінно суперечили уявленням класичної фізики про взаємодію світла з речовиною. Відповідно до хвильових уявлень при взаємодії з електромагнітною світловою хвилею електрон мав би поступово накопичувати енергію, і знадобився б значний час, що залежить від інтенсивності світла, щоб електрон накопичив достатньо енергії для того, щоб вилетіти з катода. Як показують розрахунки, цей час мав би обчислюватися хвилинами чи годинами. Однак досвід показує, що фотоелектрони з'являються негайно після початку освітлення катода. У цій моделі також було неможливо зрозуміти існування червоного кордону фотоефекту. Хвильова теорія світла було пояснити незалежність енергії фотоелектронів від інтенсивності світлового потоку і пропорційність максимальної кінетичної енергії частоті світла.

Таким чином, електромагнітна теорія світла виявилася нездатною пояснити ці закономірності.

Вихід був знайдений А. Ейнштейном в 1905 р. Теоретичне пояснення закономірностей фотоефекту, що спостерігаються, було дано Ейнштейном на основі гіпотези М. Планка про те, що світло випромінюється і поглинається певними порціями, причому енергія кожної такої порції визначається формулою E = hν, де h- Постійна Планка. Ейнштейн зробив наступний крок у розвитку квантових уявлень. Він дійшов висновку, що світло має уривчасту (дискретну) структуру. Електромагнітна хвиля складається з окремих порцій – квантів., згодом названих фотонами. При взаємодії з речовиною фотон повністю передає всю свою енергію hодному електрону. Частина цієї енергії може розсіяти електрон при зіткненнях з атомами речовини. Крім того, частина енергії електрона витрачається на подолання потенційного бар'єру на межі метал-вакуум. Для цього електрон повинен здійснити роботу виходу A, що залежить від властивостей матеріалу катода Найбільша кінетична енергія, яку може мати фотоелектрон, що вилетів з катода, визначається законом збереження енергії:

Цю формулу прийнято називати рівнянням Ейнштейна для фотоефекту .

За допомогою рівняння Ейнштейна можна пояснити всі закономірності зовнішнього фотоефекту. З рівняння Ейнштейна випливають лінійна залежність максимальної кінетичної енергії від частоти та незалежність від інтенсивності світла, існування червоного кордону, безінерційність фотоефекту. Загальна кількість фотоелектронів, що залишають за 1 поверхню катода, має бути пропорційно числу фотонів, що падають за той же час на поверхню. З цього випливає, що струм насичення має бути прямо пропорційний інтенсивності світлового потоку.

Як випливає з рівняння Ейнштейна, тангенс кута нахилу прямої, що виражає залежність замикаючого потенціалу Uз від частоти ν (рис. 5.2.3), дорівнює відношенню постійної Планка hдо заряду електрона e:

де c– швидкість світла, λ кр – довжина хвилі, що відповідає червоній межі фотоефекту. У більшості металів робота виходу Aстановить кілька електрон-вольт (1 еВ = 1,602 · 10 -19 Дж). У квантовій фізиці електрон-вольт часто використовується як енергетична одиниця виміру. Значення постійної Планка, виражене в електрон-вольтах на секунду, дорівнює

Серед металів найменшою роботою виходу мають лужні елементи. Наприклад, у натрію A= 1,9 еВ, що відповідає червоній межі фотоефекту λ кр ≈ 680 нм. Тому з'єднання лужних металів використовують для створення катодів у фотоелементах призначені для реєстрації видимого світла.

Отже, закони фотоефекту свідчать, що світло при випромінюванні та поглинанні веде себе подібно до потоку частинок, що отримали назву фотонів або світлових квантів .

Енергія фотонів дорівнює

слід, що фотон має імпульс

Таким чином, вчення про світло, зробивши виток тривалістю у два століття, знову повернулося до уявлень про світлові частки – корпускули.

Але це був механічне повернення до корпускулярної теорії Ньютона. На початку XX століття стало ясно, що світло має подвійну природу. При поширенні світла проявляються його хвильові властивості (інтерференція, дифракція, поляризація), а за взаємодії з речовиною – корпускулярні (фотоефект). Ця двоїста природа світла отримала назву корпускулярно-хвильового дуалізму . Пізніше двоїста природа була відкрита у електронів та інших елементарних частинок. Класична фізика не може дати наочної моделі поєднання хвильових та корпускулярних властивостей у мікрооб'єктів. Рухом мікрооб'єктів керують не закони класичної механіки Ньютона, а закони квантової механіки. Теорія випромінювання абсолютно чорного тіла, розвинена М. Планком, та квантова теорія фотоелектричного ефекту Ейнштейна лежать у основі цієї сучасної науки.

1. Характеристики теплового випромінювання.

2. Закон Кірхгофа.

3. Закони випромінювання темного тіла.

4. Випромінювання Сонця.

5. Фізичні засади термографії.

6. Світлолікування. Лікувальне застосування ультрафіолету.

7. Основні поняття та формули.

8. Завдання.

З усього різноманіття електромагнітних випромінювань, видимих ​​чи невидимих ​​людським оком, можна назвати одне, властиве всім тілам - це теплове випромінювання.

Теплове випромінювання- електромагнітне випромінювання, що випускається речовиною та виникає за рахунок його внутрішньої енергії.

Теплове випромінювання обумовлюється збудженням частинок речовини при зіткненнях у процесі теплового руху або прискореним рухом зарядів (коливання іонів кристалічних ґрат, тепловий рух вільних електронів тощо). Воно виникає за будь-яких температур і притаманне всім тілам. Характерною рисою теплового випромінювання є суцільний спектр.

Інтенсивність випромінювання та спектральний склад залежать від температури тіла, тому не завжди теплове випромінювання сприймається оком як свічення. Наприклад, тіла, нагріті до високої температури, значну частину енергії випускають у видимому діапазоні, а при кімнатній температурі майже вся енергія випромінюється в інфрачервоній частині спектра.

26.1. Характеристики теплового випромінювання

Енергія, що втрачає тіло внаслідок теплового випромінювання, характеризується такими величинами.

Потік випромінювання(Ф) - енергія, що випромінюється за одиницю часу з усієї поверхні тіла.

Фактично це потужність теплового випромінювання. Розмірність потоку випромінювання – [Дж/с = Вт].

Енергетична світність(Re) - енергія теплового випромінювання, що випускається за одиницю часу з одиничної поверхні нагрітого тіла:

Розмірність цієї характеристики - [Вт/м2].

І потік випромінювання, і енергетична світність залежить від будови речовини та її температури: Ф = Ф(Т), Re = Re(T).

Розподіл енергетичної світності за спектром теплового випромінювання характеризує її спектральна густина.Позначимо енергію теплового випромінювання, що випускається одиничною поверхнею за 1 с у вузькому інтервалі довжин хвиль від λ до λ + d λ, через dRe.

Спектральна щільність енергетичної світності(r) або випромінювальною здатністюназивається відношення енергетичної світності у вузькій ділянці спектру (dRe) до ширини цієї ділянки (dλ):

Зразковий вид спектральної щільності та енергетична світність (dRe) в інтервалі хвиль від λ до λ + d λ, показано на рис. 26.1.

Рис. 26.1.Спектральна щільність енергетичної світності

Залежність спектральної щільності енергетичної світності від довжини хвилі називають спектром випромінювання тілаЗнання цієї залежності дозволяє розрахувати енергетичну світність тіла в будь-якому діапазоні довжин хвиль:

Тіла не лише випромінюють, а й поглинають теплове випромінювання. Здатність тіла до поглинання енергії випромінювання залежить від його речовини, температури та довжини хвилі випромінювання. Поглинальну здатність тіла характеризує монохроматичний коефіцієнт поглинанняα.

Нехай на поверхню тіла падає потік монохроматичноговипромінювання Φ λ з довжиною хвилі λ. Частина цього потоку відбивається, а частина поглинається тілом. Позначимо величину поглиненого потоку Φ λ погл.

Монохроматичним коефіцієнтом поглинання α λ називається відношення потоку випромінювання, поглиненого даним тілом, до величини падаючого монохроматичного потоку:

Монохроматичний коефіцієнт поглинання – величина безрозмірна. Його значення лежать між нулем та одиницею: 0 ≤ α ≤ 1.

Функція α = α(λ,Τ), що виражає залежність монохроматичного коефіцієнта поглинання від довжини хвилі та температури, називається поглинальною здатністютіла. Її вигляд може бути складним. Нижче розглянуті найпростіші типи поглинання.

Абсолютно чорне тіло- таке тіло, коефіцієнт поглинання якого дорівнює одиниці для всіх довжин хвиль: α = 1. Воно поглинає все випромінювання, що падає на нього.

За своїми поглинальними властивостями до абсолютно чорного тіла близькі сажі, чорний оксамит, платинова чернь. Дуже гарною моделлю абсолютно чорного тіла є замкнута порожнина з невеликим отвором (O). Стінки порожнини зачернено рис. 26.2.

Промінь, що потрапив у цей отвір, після багаторазових відбиття від стінок поглинається практично повністю. Подібні пристрої

Рис. 26.2.Модель абсолютно чорного тіла

застосовують як світлові еталони, використовують при вимірюваннях високих температур і т.п.

Спектральна густина енергетичної світності абсолютно чорного тіла позначається ε(λ,Τ). Ця функція грає найважливішу роль теорії теплового випромінювання. Її вид спочатку було встановлено експериментально, та був отриманий теоретично (формула Планка).

Абсолютно біле тіло- таке тіло, коефіцієнт поглинання якого дорівнює нулю всім довжин хвиль: α = 0.

Істинно білих тіл у природі немає, проте існують тіла, близькі до них за властивостями у досить широкому діапазоні температур та довжин хвиль. Наприклад, дзеркало в оптичній частині спектру відбиває майже все падаюче світло.

Сіре тіло- це тіло, для якого коефіцієнт поглинання не залежить від довжини хвилі: α = const< 1.

Деякі реальні тіла мають цю властивість у певному інтервалі довжин хвиль і температур. Наприклад, «сірий» (α = 0,9) можна вважати шкіру людини в інфрачервоній ділянці.

26.2. Закон Кірхгофа

Кількісний зв'язок між випромінюванням та поглинанням встановлено Г. Кірхгофом (1859).

Закон Кірхгофа- Відношення випускальної здатностітіла до нього поглинальної здатностіоднаково для всіх тіл і дорівнює спектральної щільності енергетичної світності абсолютно чорного тіла:

Зазначимо деякі наслідки цього закону.

1. Якщо тіло при цій температурі не поглинає будь-яке випромінювання, воно його й не испускает. Справді, якщо для

26.3. Закони випромінювання чорного тіла

Закони випромінювання абсолютно чорного тіла були встановлені у наступній послідовності.

У 1879 р. Й. Стефан експериментально, а 1884 р. Л. Больцман теоретично визначили енергетичну світністьабсолютно чорного тіла.

Закон Стефана-Больцмана -енергетична світність абсолютно чорного тіла пропорційна четвертому ступеню його абсолютної температури:

Значення коефіцієнтів поглинання деяких матеріалів наведені в табл. 26.1.

Таблиця 26.1.Коефіцієнти поглинання

Німецький фізик В. Він (1893) встановив формулу для довжини хвилі, на яку припадає максимум випускальної здатностіабсолютно чорного тіла. Співвідношення, яке він отримав, було названо його ім'ям.

При підвищенні температури максимум випромінювальної здатності зміщуєтьсявліво (рис. 26.3).

Рис. 26.3.Ілюстрація закону усунення Вина

У табл. 26.2 вказані кольори у видимій частині спектра, що відповідають випромінюванням тіл за різних температур.

Таблиця 26.2. Кольори нагрітих тіл

Використовуючи закони Стефана-Больцмана та Вина, можна визначити температури тіл за допомогою вимірювання випромінювання цих тіл. Наприклад, так визначають температуру поверхні Сонця (~6000 К), температуру в епіцентрі вибуху (~10 6 К) тощо. Загальна назва цих методів - пірометрія.

У 1900 р. М. Планк отримав формулу до розрахунку випускальної здатностіабсолютно чорного тіла теоретично. Для цього йому довелося відмовитися від класичних уявлень про безперервностіпроцесу випромінювання електромагнітних хвиль За уявленнями Планка, потік випромінювання складається з окремих порцій - квантів,енергії яких пропорційні частотам світла:

З формули (26.11) можна теоретично отримати закони Стефана-Больцмана та Вина.

26.4. Випромінювання Сонця

У межах Сонячної системи Сонце - найпотужніший джерело теплового випромінювання, що зумовлює життя Землі. Сонячне випромінювання має лікувальні властивості (геліотерапія), використовується як засіб загартовування. Воно ж може й негативно впливати на організм (опік, тепловий

Спектри сонячного випромінювання на межі земної атмосфери та у поверхні Землі різні (рис. 26.4).

Рис. 26.4.Спектр сонячного випромінювання: 1 – на межі атмосфери, 2 – біля поверхні Землі

На межі атмосфери спектр Сонця близький до абсолютно чорного тіла. Максимум випускальної здатності посідає λ 1max= 470 нм (синій колір).

У поверхні Землі спектр сонячного випромінювання має складнішу форму, що з поглинанням у атмосфері. Зокрема, у ньому немає високочастотної частини ультрафіолетового випромінювання, згубної для живих організмів. Ці промені практично повністю поглинаються озоновим шаром. Максимум випускальної здатності посідає λ 2max= 555 нм (зелено-жовтий), що відповідає найкращій чутливості очей.

Потік теплового випромінювання Сонця межі земної атмосфери визначає сонячна постійна I.

Потік, що досягає земної поверхні, значно менший унаслідок поглинання в атмосфері. За найсприятливіших умов (сонце в зеніті) не перевищує 1120 Вт/м 2 . У Москві на момент літнього сонцестояння (червень) - 930 Вт/м 2 .

Від висоти Сонця над горизонтом істотно залежить як потужність сонячного випромінювання біля земної поверхні, і його спектральний склад. На рис. 26.5 наведено згладжені криві розподілу енергії сонячного світла: I – за межами атмосфери; II - при положенні Сонця в зеніті; III - за висотою 30° над горизонтом; IV - за умов, близьких до сходу та заходу сонця (10° над горизонтом).

Рис. 26.5.Розподіл енергії у спектрі Сонця за різних висот над горизонтом

Різні компоненти сонячного діапазону по-різному проходять через земну атмосферу. На малюнку 26.6 показано прозорість атмосфери за великої висоті стояння Сонця.

26.5. Фізичні основи термографії

Теплове випромінювання людини становить значну частку його теплових втрат. Випромінювальні втрати людини рівні різниці випущеногопотоку та поглиненогопотоку випромінювання довкілля. Потужність випромінювальних втрат розраховується за формулою

де S – площа поверхні; δ - наведений коефіцієнт поглинання шкіри (одягу), що розглядається як сіре тіло;Т 1 – температура поверхні тіла (одягу); Т 0 – температура навколишнього середовища.

Розглянемо наступний приклад.

Розрахуємо потужність випромінювальних втрат роздягненої людини за температури навколишнього середовища 18°С (291 К). Приймемо: площу поверхні тіла S = 1,5 м 2 ; температура шкіри Т 1 = 306 К (33 ° С). Наведений коефіцієнт поглинання шкіри знайдемо за табл. 26.1 (δ = 5,1 * 10-8 Вт / м 2 До 4). Підставивши ці значення у формулу (26.11), отримаємо

Р = 1,5 * 5,1 * 10 -8 * (306 4 - 291 4) ≈122 Вт.

Рис. 26.6.Прозорість земної атмосфери (у відсотках) до різних ділянок спектра за великої висоті стояння Сонця.

Теплове випромінювання людини можна використовувати як діагностичний параметр.

Термографія -діагностичний метод, заснований на вимірі та реєстрації теплового випромінювання поверхні тіла людини або її окремих ділянок.

Розподіл температури на невеликій ділянці поверхні тіла можна визначити за допомогою спеціальних рідкокристалічних плівок. Такі плівки чутливі до невеликих змін температури (змінюють колір). Тому на плівці виникає кольоровий тепловий портрет ділянки тіла, на яку вона накладена.

Більш досконалий спосіб полягає у використанні тепловізорів, що перетворюють інфрачервоне випромінювання у видиме світло. Випромінювання тіла за допомогою спеціального об'єктива проектується на матрицю тепловізора. Після перетворення на екрані формується докладний тепловий портрет. Ділянки з різними температурами відрізняються кольором чи інтенсивністю. Сучасні методи дозволяють фіксувати різницю в температурах до 0,2 градуса.

Теплові портрети використовуються у функціональній діагностиці. Різні патології внутрішніх органів можуть утворювати на поверхні шкірні зони із зміненою температурою. Виявлення таких зон свідчить про наявність патології. Термографічний метод полегшує диференціальний діагноз між доброякісними та злоякісними пухлинами. Цей метод є об'єктивним засобом контролю над ефективністю терапевтичних методів лікування. Так, при термографічному обстеженні хворих на псоріаз було встановлено, що за наявності вираженої інфільтрації та гіперемії в бляшках відзначається підвищення температури. Зниження температури до рівня навколишніх ділянок у більшості випадків свідчить про регресіїпроцесу на шкірі.

Підвищена температура найчастіше є показником інфекції. Щоб визначити температуру людини, достатньо подивитися через інфрачервоний пристрій на її обличчя та шию. Для здорових людей відношення температури чола до температури в ділянці сонної артерії лежить у діапазоні від 0,98 до 1,03. Це відношення можна використовувати при експрес-діагностиці під час епідемій для проведення карантинних заходів.

26.6. Світлолікування. Лікувальне застосування ультрафіолету

Інфрачервоне випромінювання, видиме світло та ультрафіолетове випромінювання знаходять широке застосування в медицині. Нагадаємо діапазони їх довжин хвиль:

Світлолікуваннямназивають застосування з лікувальною метою інфрачервоного і видимого випромінювань.

Проникаючи у тканини, інфрачервоні промені (як і видимі) у місці свого поглинання викликають виділення теплоти. Глибина проникнення інфрачервоних та видимих ​​променів у шкіру показана на рис. 26.7.

Рис. 26.7.Глибина проникнення випромінювання у шкіру

У лікувальній практиці як джерела інфрачервоного випромінювання використовуються спеціальні опромінювачі (рис. 26.8).

Лампа Мінінає лампою розжарювання з рефлектором, що локалізує випромінювання в необхідному напрямку. Джерелом випромінювання служить лампа розжарювання потужністю 20-60 Вт із безбарвного або синього скла.

Світлотеплова ваннає напівциліндричний каркас, що складається з двох половин, з'єднаних рухомо між собою. На внутрішній поверхні каркаса, зверненої до пацієнта, укріплені лампи розжарювання потужністю 40 Вт. У таких ваннах на біологічний об'єкт діють інфрачервоне та видиме випромінювання, а також нагріте повітря, температура якого може досягати 70°С.

Лампа Соллюксє потужною лампою розжарювання, поміщеною в спеціальний рефлектор на штативі. Джерелом випромінювання служить лампа розжарювання потужністю 500 Вт (температура вольфрамової нитки 2800 ° С, максимум випромінювання припадає на довжину хвилі 2 мкм).

Рис. 26.8. Опромінювачі: лампа Мініна (а), світлотеплова ванна (б), лампа Соллюкс (в)

Лікувальне застосування ультрафіолету

Ультрафіолетове випромінювання, що застосовується в медичних цілях, поділяють на три діапазони:

При поглинанні ультрафіолетового випромінювання у тканинах (у шкірі) відбуваються різні фотохімічні та фотобіологічні реакції.

Як джерела випромінювання використовують лампи високого тиску(дугові, ртутні, трубчасті), люмінесцентнілампи, газорозрядні лампи низького тиску,одним з різновидів яких є бактерицидні лампи.

А-випромінюваннямає еритемну і загарну дію. Воно використовується для лікування багатьох дерматологічних захворювань. Деякі хімічні сполуки фурокумаринового ряду (наприклад, псорален) здатні сенсибілізувати шкіру цих хворих до довгохвильового ультрафіолетового випромінювання та стимулювати утворення у меланоцитах пігменту меланіну. Спільне застосування даних препаратів з А-випромінюванням є основою методу лікування, званого фотохіміотерапієюабо ПУВА-терапією(PUVA: Р – псорален; UVA – ультрафіолетове випромінювання зони А). Опромінення піддають частину або все тіло.

В-випромінюваннявиявляє ватиміноутворюючу, антирахітну дію.

С-випромінюваннямає бактерицидну дію. При опроміненні відбувається руйнування структури мікроорганізмів та грибів. С-випромінювання створюється спеціальними бактерицидними лампами (рис. 26.9).

Деякі лікувальні методики використовують С-випромінювання для опромінення крові.

Ультрафіолетове голодування.Ультрафіолетове випромінювання необхідне нормального розвитку та функціонування організму. Його недолік призводить до виникнення низки серйозних захворювань. З ультрафіолетовим голодуванням стикаються жителі останнього

Рис. 26.9.Бактерицидний опромінювач (а), опромінювач для носоглотки (б)

Півночі, робітники гірничорудної промисловості, метрополітену, мешканці великих міст. У містах нестача ультрафіолету пов'язана із забрудненням атмосферного повітря пилом, димом, газами, що затримують УФ-частину сонячного спектру. Вікна приміщень не пропускають УФ-промені з довжиною хвилі λ< 310 нм. Значительно снижают УФ-поток загрязненные стекла и занавеси (тюлевые занавески снижают УФ-излучение на 20 %). Поэтому на многих производствах и в быту наблюдается так называемая «биологическая полутьма». В первую очередь страдают дети (возрастает вероятность заболевания рахитом).

Шкідливість ультрафіолетового опромінення

Вплив надлишковихдоз ультрафіолетового опромінення на організм в цілому та на окремі його органи призводить до виникнення низки патологій. Насамперед це стосується наслідків безконтрольного загоряння: опіки, пігментні плями, пошкодження очей - розвиток фотоофтальмії. Дія ультрафіолету на око подібно до еритеми, оскільки воно пов'язане з розкладанням протеїнів у клітинах рогової та слизової оболонок ока. Живі клітини шкіри людини захищені від деструктивної дії УФ променів «мертві-

ми» клітинами рогового шару шкіри. Очі позбавлені цього захисту, тому при значній дозі опромінення очей після прихованого періоду розвивається запалення рогової (кератит) та слизової оболонок ока (кон'юнктивіт). Цей ефект обумовлений променями із довжиною хвилі менше 310 нм. Необхідно захищати очі від таких променів. Особливо слід розглядати бластомогенну дію УФ-радіації, що призводить до розвитку раку шкіри.

26.7. Основні поняття та формули

Продовження таблиці

Закінчення таблиці

26.8. Завдання

2. Визначити, у скільки разів відрізняються енергетичні світності ділянок поверхні тіла людини, що мають температуру 34 і 33°С відповідно?

3. При діагностиці методом термографії пухлини молочної залози пацієнтці дають випити розчин глюкози. Через деякий час реєструють теплове випромінювання поверхні тіла. Клітини пухлинної тканини інтенсивно поглинають глюкозу, внаслідок чого їхня теплопродукція зростає. На скільки градусів змінюється температура ділянки шкіри над пухлиною, якщо випромінювання з поверхні зростає на 1% (в 1,01 разу)? Початкова температура ділянки тіла дорівнює 37 °С.

6. Наскільки зросла температура тіла людини, якщо потік випромінювання з поверхні тіла зріс на 4%? Початкова температура тіла дорівнює 35 °С.

7. У кімнаті стоять два однакові чайники, що містять рівні маси води при 90°С. Один із них нікельований, а інший темний. Який із чайників швидше охолоне? Чому?

Рішення

За законом Кірхгофа відношення випускальної та поглинальної здібностей однаково у всіх тіл. Нікельований чайник відбиває майже весь світ. Отже, його поглинальна здатність мала. Відповідно мала і випускна здатність.

Відповідь:швидше охолоне темний чайник.

8. Для знищення жучків-шкідників зерно піддають дії інфрачервоного опромінення. Чому жучки гинуть, а зерно нема?

Відповідь:жучки мають чорнийколір, тому інтенсивно поглинають інфрачервоне випромінювання та гинуть.

9. Нагріваючи шматок сталі, при температурі 800°С спостерігатимемо яскраве вишнево-червоне гартування, але прозорий стрижень плавленого кварцу при тій же температурі зовсім не світиться. Чому?

Рішення

7. Прозоре тіло поглинає малу частину світла. Тому його випускна здатність мала.

Відповідь:прозоре тіло практично не випромінює, навіть сильно нагрітим.

10. Чому в холодну погоду багато тварин сплять, згорнувшись у клубок?

Відповідь:при цьому зменшується відкрита поверхня тіла та відповідно зменшуються втрати на випромінювання.

ТЕПЛОВЕ ВИМИКАННЯ Закон Стефана Больцмана Зв'язок енергетичної світності R e та спектральної щільності енергетичної світності абсолютно чорного тіла Енергетична світність сірого тіла Закон усунення Вина (1-ий закон) Залежність максимальної спектральної щільності енергетичної світності чорного тіла від температури (2-ий закон)

ТЕПЛОВЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ 1. Максимум спектральної щільності енергетичної світності Сонця посідає довжину хвилі = 0,48 мкм. Вважаючи, що Сонце випромінює як чорне тіло, визначити: 1) температуру його поверхні; 2) потужність, що випромінюється його поверхнею. Відповідно до закону усунення Вина Потужність, що випромінюється поверхнею Сонця Відповідно до закону Стефана Больцмана,

ТЕПЛОВЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ 2. Визначити кількість теплоти, що втрачається 50 см 2 з поверхні розплавленої платини за 1 хв, якщо поглинальна здатність платини А Т = 0,8. Температура плавлення платини дорівнює 1770 °С. Кількість теплоти, що втрачається платиною, дорівнює енергії, що випромінюється її розпеченою поверхнею Відповідно до закону Стефана Больцмана,

ТЕПЛОВЕ ВИМИКАННЯ 3. Електрична піч споживає потужність Р = 500 Вт. Температура її внутрішньої поверхні при відкритому невеликому отворі діаметром d = 5 см дорівнює 700 °С. Яка частина споживаної потужності розсіюється стінами? Повна потужність визначається сумою Потужність, що виділяється через отвір Потужність, що розсіюється стінками Відповідно до закону Стефана Больцмана,

ТЕПЛОВЕ ВИМИКАННЯ 4 Вольфрамова нитка розжарюється у вакуумі струмом силою I = 1 А до температури T 1 = 1000 К. При якій силі струму нитка розжариться до температури Т 2 = 3000 К? Коефіцієнти поглинання вольфраму та його питомі опори, що відповідають температурам T 1, Т 2 рівні: a 1 = 0,115 та a 2 = 0,334; 1 = 25, Ом м, 2 = 96, Ом м Потужність випромінювана дорівнює потужності споживаної від електричного ланцюга в режимі, що встановився,

ТЕПЛОВЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ 5. У спектрі Сонця максимум спектральної щільності енергетичної світності посідає довжину хвилі.0 = 0,47 мкм. Взявши, що Сонце випромінює як абсолютно чорне тіло, знайти інтенсивність сонячної радіації (тобто щільність потоку випромінювання) поблизу Землі поза її атмосфери. Сила світла (інтенсивність випромінювання) Світловий потік Відповідно до законів Стефана Больцмана та Вина

ТЕПЛОВЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ 6. Довжина хвилі 0, на яку припадає максимум енергії в спектрі випромінювання чорного тіла, дорівнює 0,58 мкм. Визначити максимальну спектральну щільність енергетичної світності (r,T) max, розраховану на інтервал довжин хвиль = 1 нм, поблизу 0. Максимальна спектральна щільність енергетичної світності пропорційна п'ятому ступеню температури і виражається 2-м законом. дано в одиницях СІ, у яких одиничний інтервал довжин хвиль =1 м. За умовою ж завдання потрібно обчислити спектральну щільність енергетичної світності, розраховану на інтервал довжин хвиль 1 нм, тому випишемо значення С в одиницях СІ і перерахуємо його на заданий інтервал довжин хвиль:

ТЕПЛОВЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ 7. Дослідження спектра випромінювання Сонця показує, що максимум спектральної щільності енергетичної світності відповідає довжині хвилі = 500 нм. Приймаючи Сонце за чорне тіло, визначити: 1) енергетичну світність R e Сонця; 2) потік енергії Ф е, що випромінюється Сонцем; 3) масу електромагнітних хвиль (всіх довжин), що випромінюються Сонцем за 1 с. 1. Відповідно до законів Стефана Больцмана і Вина 2. Світловий потік 3. Масу електромагнітних хвиль (всіх довжин), що випромінюються Сонцем за час t=1 с, визначимо, застосувавши закон пропорційності маси та енергії Е=мс 2. Енергія електромагнітних хвиль, що випромінюються за час t, дорівнює добутку потоку енергії Ф e ((потужності випромінювання) на час: E = Ф e t. Отже, Ф е = мс 2, звідки m = Ф е / с2.

Тепловим випромінюванням тіл називається електромагнітне випромінювання, що виникає за рахунок тієї частини внутрішньої енергії тіла, яка пов'язана із тепловим рухом його частинок.

Основними характеристиками теплового випромінювання тіл, нагрітих до температури Tє:

1. Енергетична світністьR (T ) -кількість енергії, що випромінюється в одиницю часу з одиниці поверхні тіла, у всьому інтервалі довжин хвиль.Залежить від температури, природи та стану поверхні випромінюючого тіла. У системі СІ R ( T ) має розмірність [Вт/м2].

2. Спектральна щільність енергетичної світностіr (  ,Т) =dW/ d - кількість енергії, що випромінюється одиницею поверхні тіла, в одиницю часу в одиничному інтервалі довжин хвиль (поблизу аналізованої довжини хвилі ). Тобто. ця величина чисельно дорівнює відношенню енергії dW, що випускається з одиниці площі в одиницю часу у вузькому інтервалі довжин хвиль від  до  +d до ширини цього інтервалу. Вона залежить від температури тіла, довжини хвилі, а також від природи та стану поверхні випромінюючого тіла. У системі СІ r( , T) має розмірність [Вт/м3].

Енергетична світність R(T) пов'язана із спектральною щільністю енергетичної світності r( , T) наступним чином:

(1) [Вт/м 2 ]

3. Всі тіла не тільки випромінюють, а й поглинають електромагнітні хвилі, що падають на їх поверхню. Для визначення поглинальної здатності тіл по відношенню до електромагнітних хвиль певної довжини хвилі вводиться поняття коефіцієнта монохроматичного поглинання-відношення величини поглиненої поверхнею тіла енергії монохроматичної хвилі до величини енергії падаючої монохроматичної хвилі:

Коефіцієнт монохроматичного поглинання є безрозмірною величиною, що залежить від температури та довжини хвилі. Він показує, яка частка енергії падаючої монохроматичної хвилі поглинається поверхнею тіла. Величина  ( , T) може набувати значення від 0 до 1.

Випромінювання в адіабатично замкнутій системі (що не обмінюється теплотою із зовнішнім середовищем) називається рівноважним. Якщо створити маленький отвір у стінці порожнини стан рівноваги змінитися слабо і випромінювання, що виходить з порожнини, буде відповідати рівноважному випромінюванню.

Якщо в такий отвір направити промінь, то після багаторазових відбиття і поглинання на стінках порожнини він не зможе вийти назовні. Це означає, що для такого отвору коефіцієнт поглинання  ( , T) = 1.

Розглянута замкнута порожнина з невеликим отвором є однією з моделей абсолютно чорного тіла.

Абсолютно чорним тіломназивається тіло, яке поглинає все падаюче на нього випромінювання незалежно від напрямку падаючого випромінювання, його спектрального складу та поляризації (нічого не відбиваючи і не пропускаючи).

Для абсолютно чорного тіла спектральна щільність енергетичної світності є деякою універсальною функцією довжини хвилі і температури. f( , T) і залежить від його природи.

Всі тіла в природі частково відображають випромінювання, що падає на їх поверхню, і тому не відносяться до абсолютно чорних тіл. Якщо коефіцієнт монохроматичного поглинання тіла однаковий всіх довжин хвиль і меншеодиниці(( , T) = Т =const<1),то таке тіло називається сірим. Коефіцієнт монохроматичного поглинання сірого тіла залежить лише від температури тіла, його природи та стану його поверхні.

Кірхгоф було показано, що для всіх тіл, незалежно від їх природи, відношення спектральної щільності енергетичної світності до коефіцієнта монохроматичного поглинання є тією ж універсальною функцією довжини хвилі і температури f( , T) що спектральна щільність енергетичної світності абсолютно чорного тіла :

Рівняння (3) є закон Кірхгофа.

Закон Кірхгофаможна сформулювати таким чином: для всіх тіл системи, що знаходяться в термодинамічній рівновазі, відношення спектральної щільності енергетичної світності до коефіцієнта монохроматичного поглинання не залежить від природи тіла, є однаковою для всіх тіл функцією, яка залежить від довжини хвилі та температури Т.

З вищесказаного і формули (3) ясно, що при даній температурі сильніше випромінюють ті сірі тіла, які мають великий коефіцієнт поглинання, а найбільш сильно випромінюють абсолютно чорні тіла. Тому що для абсолютно чорного тіла  (  , T)=1, то з формули (3) випливає, що універсальна функція f( , T) являє собою спектральну щільність енергетичної світності абсолютно чорного тіла.