Материал: kompendium_po_fizike

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам
background image

201

При

спектральном

анализе

спектров

молекул

используются

следующие

спектры

Электронные

спектры

поглощения

биомолекул

  (

УФ

область

). 

Используются

для

идентификации

вещества

исследования

динамики

протекания

биохимических

реакций

и

определения

концентрации

веществ

определения

характера

взаимодействия

с

другими

молекулами

Электронные

спектры

испускания

 (

эмиссии

называются

спектрами

люминесценции

Колебательно

-

вращательные

спектры

поглощения

биомолекул

 (

ИК

область

). 

С

их

помощью

получают

информацию

об

энергиях

валентных

связей

молекул

энергиях

межмолекулярных

взаимодействий

об

изменениях

структуры

молекул

Вращательные

спектры

биомолекул

  (

радиодиапазон

). 

Используются

для

вычисления

валентных

углов

дипольных

моментов

для

определения

структур

молекул

background image

202

ТЕПЛОВОЕ

ИЗЛУЧЕНИЕ

ТЕЛ

ТЕПЛОВИДЕНИЕ

И

ТЕРМОГРАФИЯ

В

МЕДИЦИНЕ

ЭЛЕМЕНТЫ

КВАНТОВОЙ

МЕХАНИКИ

1. 

Тепловое

излучение

тел

и

его

характеристики

Под

тепловым

излучением

понимают

электромагнитное

излучение

испускаемое

телом

температура

которого

выше

абсолютного

нуля

Тепловое

излучение

возникает

из

-

за

того

что

часть

внутренней

энергии

тела

переходит

в

излучение

Пока

температура

тела

выше

 0 

К

оно

будет

излучать

э

/

м

волны

Тепловое

излучение

тела

характеризуется

следующими

величинами

1)

поток

излучения

 – 

количество

энергии

E

излучаемой

телом

за

время

t

:  

t

E

/

2)

энергетическая

светимость

R

 – 

поток

излучения

с

некоторой

площади

тела

S

:  

)

/(

/

St

R

S

R

3)

спектральная

плотность

энергетической

светимости

r

энергетическая

светимость

тела

приходящаяся

не

некоторый

диапазон

длин

волн

излучения

d

dR

r

Зависимость

спектральной

плотности

энергетической

светимости

от

длины

волны

называется

спектром

излучения

)

(

f

r

Энергетическая

светимость

связана

со

спектральной

плотностью

энергетической

светимости

формулой

d

r

R

0

4)

монохроматический

коэффициент

поглощения

показывает

какая

часть

подающего

потока

поглощается

)

(

/

)

(

пад

погл

Зависимость

коэффициента

поглощения

от

длины

волны

называется

спектром

поглощения

)

(

f

По

типу

спектра

поглощения

все

тела

делятся

– 

абсолютно

чёрные

тела

 (

АЧТ

)

1

background image

203

– 

серые

тела

:

1

const

– 

реальные

тела

1

)

(

f

– 

серые

тела

:

1

const

– 

реальные

тела

1

)

(

f

2. 

Законы

теплового

излучения

и

их

квантовая

интерпретация

Тепловое

излучение

тел

характеризуется

 3 

законами

А

Закон

Кирхгофа

для

тел

с

одинаковой

температурой

отношение

спектральной

плотности

энергетической

светимости

к

монохроматическому

показателю

поглощения

есть

величина

постоянная

т

.

е









1

...

2

1

r

r

где

 – 

спектральная

плотность

энергетической

светимости

АЧТ

Из

данного

закона

следует

что

– 

если

тело

хорошо

поглощает

на

некоторых

длинах

волн

то

на

этих

же

длинах

волн

оно

хорошо

излучает

– 

АЧТ

среди

других

тел

обладает

наибольшей

спектральной

плотностью

энергетической

светимости

– 

для

реального

тела

спектральная

плотность

энергетической

светимости

может

быть

выражена

через

спектральную

плотность

энергетической

светимости

АЧТ

и

его

монохроматический

показатель

поглощения

r

Б

Закон

Стефана

Больцмана

Энергетическая

светимость

АЧТ

пропорциональна

четвертой

степени

его

температуры

4

T

R

e

где

8

10

67

.

5

Вт

/(

м

2

·

К

4

)

 – 

постоянная

Стефана

Больцмана

В

Закон

смещения

Вина

длина

волны

на

которую

приходится

максимум

спектральной

плотности

энергетической

светимости

АЧТ

обратно

пропорционально

его

температуре

T

b

макс

/

где

3

10

9

.

2

b

м

·

К

 – 

постоянная

Вина

Классическая

электродинамика

столкнулась

с

трудностями

в

определении

спектральной

плотности

энергетической

светимости

background image

204

АЧТ

и

не

могла

объяснить

выполнение

законов

Вина

и

Стефана

Больцмана

Противоречия

были

разрешены

М

Планком

который

предположил

что

излучение

и

поглощение

света

АЧТ

осуществляется

не

непрерывно

а

порциями

 – 

квантами

Исходя

из

этого

предположения

он

получил

выражение

для

спектральной

плотности

энергетической

светимости

АЧТ

1

1

2

5

2

kT

hc

e

hc

где

34

10

63

.

6

h

Дж

·

с

Из

этой

формулы

выводятся

законы

Вина

и

Стефана

Больцмана

следовательно

описание

процессов

испускания

и

поглощения

теплового

излучения

АЧТ

возможно

лишь

в

квантовой

интерпретации

3. 

Термография

и

тепловидение

Продифференцировав

закон

Стефана

Больцмана

можно

получить

формулу

T

dT

R

dR

4

т

.

е

относительное

изменение

температуры

тела

вызывает

в

 4 

раза

большее

относительное

изменение

его

энергетической

светимости

Таким

образом

можно

определять

температуру

тела

Термография

 – 

метод

определения

температуры

поверхности

тела

по

его

тепловому

излучению

.  

При

нормальной

температуре

большая

часть

теплового

излучения

иле

приходится

на

ИК

область

Приборы

позволяющие

конвертировать

ИК

-

излучение

в

видимое

изображение

называются

тепловизорами

или

термографами

Термография

может

использоваться

как

метод

быстрой

диагностики

при

определении

зон

аномальной

температуры

тела

человека

в

зонах

аномальной

температуры

возможно

нахождение

опухолей

очагов

воспаления

и

т

.

д

С

помощью

тепловизоров

на

аэровокзалах

определяют

переносчиков

гриппа

и

других

инфекций

сопровождающихся

повышением

температуры

проводят

исследования

динамики

охлаждения

или

нагревания

тела

при

экстремальных

температурах

background image

205

4. 

Теория

Бора

Спектр

атома

водорода

До

работ

Н

Бора

наука

не

могла

объяснить

происхождение

линейчатых

спектров

атомов

и

молекул

так

как

согласно

классической

электродинамике

спектр

любого

атома

или

молекулы

должен

быть

непрерывным

Бор

используя

представление

о

квантовой

природе

света

  (

Планк

), 

и

представление

о

планетарной

модели

атома

  (

Резерфорд

), 

смог

объяснить

наличие

линейчатого

спектра

атома

водорода

Для

этого

он

постулировал

следующие

положения

1.

Атомная

система

может

находиться

только

в

определённых

энергетических

состояниях

с

энергией

1

E

2

E

3

E

…, 

n

E

в

которых

она

не

поглощает

и

не

излучает

энергию

эти

состояния

называются

стационарными

2.

Переход

из

одного

состояние

в

другое

возможен

только

при

поглощении

или

излучении

кванта

энергии

равному

разности

энергий

двух

состояний

1

2

E

E

h

где

h

 – 

постоянная

Планка

 – 

частоты

кванта

излучения

3.

В

стационарных

состояниях

момент

импульса

электрона

принимает

значения

кратные

величине

)

2

/(

h

)

2

/(

nh

n

mVr

где

m

V

r

n

 – 

масса

скорость

радиус

и

номер

орбиты

электрона

Теория

Бора

позволила

объяснить

наличие

линейчатого

спектра

у

атома

водорода

и

водородоподобных

атомов

  (

т

.

е

с

одним

электроном

на

орбите

), 

как

следствие

дискретной

структуры

их

энергетических

уровней

На

основе

теории

Бора

была

развита

впоследствии

квантовая

механика

которая

смогла

описать

структуру

энергетических

уровней

сложных

  (

т

.

е

содержащих

более

одного

электрона

на

орбите

атомов

Бор

показал

что

энергия

электрона

в

атоме

водорода

на

энергетическом

уровне

с

номером

n

определяется

по

формуле

2

2

0

4

1

8

n

h

m

e

E

n

При

переходах

между

энергетическими

уровнями

k

и

n

поглощается

или

выделяется

квант

энергии

с

Источник: https://files.student-it.ru/previewfile/6211