Оптическая пирометрия

Оптическая пирометрия - это метод бесконтактного (дистанционного) измерения температуры нагретых тел. Приборы для измерения температуры бесконтактным методом называют пирометрами. С их помощью можно измерять температуру звезд. Солнца, расплавленного металла, нити накаливания ламп и т.п.

В зависимости от того, какая характеристика излучения нагретого тела измеряется, различают:

1. Цветовую температуру, определяемую по положению максимума (r⁰_l,T)_m функции Планка r⁰_l,T: T=b/l_m - это первый закон Вина. Цветовая температура совпадает с истинной температурой тела.

2. Яркостную температуру, измеряемую по испускательной способности:

r_l,T=a_Tr⁰_l,T, Для чего надо знать коэффициент черноты тела a_T, температура которого измеряется. Для выделения излучения с данной длиной волны l используется светофильтр.

3. Радиационную температуру, измеряемую по энергетической светимости серого тела: R_T =a_TR⁰_T.

Яркостная и радиационная температуры не совпадают с истинной температурой тела. Это обусловлено тем, что все пирометры градуируются по светимоcти(спектральной r⁰_l,T или интегральной R⁰_T) АЧТ, и серому телу приписывается температура АЧТ, имеющего такую же светимость(яркость), что и серое тело.

Так, согласно определению, связь радиационной температуры T_р с истинной температурой тела Т дается соотношением:

(1)

где Т_р - температура, показываемая пирометром.

Яркостная температура тела Т_Я связана с истинной Т соотношением

(2)

Откуда истинная температура тела(единицей в знаменателе дроби пренебрегаем)

(3)

где Т_Я - температура, показываемая пирометром.

Элементы релятивистской механики.

Введем релятивистскую массу частицы m, зависящую от ее скорости:

где m_о - масса покоя частицы, с - скорость света, v - скорость частицы.

Введение релятивистской массы не совсем корректно, так как измеряемыми в опыте величинами являются импульс p и энергия E частицы. Тем не менее ее использование позволяет получить правильные выражения для наблюдаемых (измеряемых) в опыте Физических величин. Так, реляти­вистский импульс частицы будет равен: p=mv

Энергия покоя частицы: E₀=m₀c²

Полная энергия частицы: E=mc²

Кинетическая энергия частицы: Т = E-Е_о= (m-m₀)с²

Связь между E, Е₀, T и p:

(*)

Откуда импульс частицы через ее кинетическую энергию:

Частицы с нулевой массой покоя (фотоны).

Пусть частица имеет нулевую массу покоя m₀ = 0. Тогда ее энергия покоя также равна нулю: E₀ =m₀c² = 0, и согласно соотношению (*) полная энергия частицы и ее импульс связаны соотношением:

, или , если m₀ = 0 (1)

Учитывая, что E₀=mc², получим

, если m₀ = 0 (2)

С другой стороны p=mv. Имеем:

P=mv=mc, откуда v=c (3)

То есть частицы с m₀=0 движутся со скоростью света. И наоборот, если скорость частицы равна скорости света v=с., то такая частица обязательно имеет m₀= 0.

Релятивистскую массу частицы с m₀= 0 можно найти, исходя из соотношений:

E=mc² или р=mс:

, если m₀= 0 (4)

Единственным объектом в природе, который может распространяться со скоростью света, являются ЭМ-волны, например свет. Но так как со скоростью света могут распространяться также частицы с m₀ = 0, то это наводит на мысль, что свет или ЭМ-волны можно рассматривать как поток частиц с нулевой массой покоя. Такие частицы Эйнштейн назвал фотонами или квантами (порциями) света.

Постулат Эйнштейна о Фотонах. Связь между волновыми и корпускулярными характеристиками фотона.

Как показывает опыт, если металл облучать светом, то из него вылетают электроны. Это явление было названо (внешним) фотоэффектом

Объяснить ФЭ с точки зрения волновой природы света не удается. Для объяснения ФЭ Эйнштейн предположил, что свет можно рассматривать как поток частиц(корпускул), которые он назвал квантами света или Фотонами. Энергия фотона по предположению Эйнштейна равна:

(1)

где h= 6,62 10^-34 Дж с - постоянная Планка, n и l частота и длина волны, связанные соотношением ln =с. Используя релятивистские соотношения для частиц с m₀=0, получим для импульса фотона:

(2)

и его релятивистской массы

(3)

Формулы (1) - (3) выражают связь между корпускулярными (m, р, e) и волновыми (n, l) характеристиками фотона.

Формулы для энергии e и импульса p фотона удобно записывать в симметричной форме:

; (4)

где = 1,02 10^-34 Дж с - постоянная Планка, - волновой вектор, длина которого k = 2p/l называется волновым числом.

Волновые и корпускулярные свойства света и микрочастиц. корпускулярно-волновой дуализм.

Существует ряд явлений(интерференция, дифракция, дисперсия, поляризация, отражение и преломление света), которые объясняются в рамках волновой природы света. Кроме того, существует ряд явлений(фотоэффект, эффект Комптона, давление света), которые не могут быть объяснены или их объяснение имеет слишком сложный характер(давление света) в рамках волновых представлений, но эти явления находят объяснение в рамках ги­потезы Эйнштейна о корпускулярной природе света.

Отсюда следует, что в одних явлениях свет ведет себя как волны, а в других - как корпускулы. Эта особенность поведения света получила название корпускулярно-волнового дуализма. Дуализм - это двойственность.

Как показали дальнейшие исследования, свойством корпускулярно-волнового дуализма обладают не только ЭМ-волны(свет), но и все микрочастицы - электроны, нейтроны, протоны, для которых первичны корпускулярные свойства, но имеют место и волновые свойства - интерференция, дифракция и т.п.

Таким образом, корпускулярно-волновой дуализм является общим свойством всех микрочастиц(микробъектов) в природе.

Фотоэффект(внешний и внутренний).

Внешний фотоэффект - это явление выбивания электронов из атомов, молекул или твердых тел и жидкостей под действием света. В случае ато­мов и молекул внешний Фотоэффект обычно называют фотоионизацией.

Если имеет место поглощение света атомами или молекулами (без выбивания электронов), то это явление называют фотопоглощением. Поглощение света в случае твердых тел называют внутренним фотоэффектом. Он проявляется в увеличении электропроводности полупроводников при их облучении светом.

Внешний фотоэффект.

Внешний фотоэффект (ФЭ) был открыт случайно Генрихом Герцем(1888) в его опытах по обнаружению ЭМ-волн, предсказанных теорией Максвела. Герц обнаружил, что при освещении отрицательного электрода искрового разрядника УФ-лучами, разряд происходит при меньшем напряжении между электродами.

В 1888-1889 г. А.Г. Столетов провел систематическое исследование ФЭ на установке, представлявшей собой конденсатор с сеточной (анод) и сплошной(катод) пластинами. При освещениии сплошной пластнины светом в цепи возникал электрический ток, регистрируемый гальванометром G.

На основании опытов Столетов пришел к следую­щим выводам относительно ФЭ:

1. Наибольшее действие оказывают УФ-лучи

2. Сила тока возрастает с увеличением освещенности пластины.

3. Испуcкаемые под действием света заряды имеют отрицательный знак.

В 1898 г. (через 10 лет после опытов Столетова) Ленард и Дж. Дж. Томпсон провели более тщательное исследование ФЭ. Установка, использованная Ленардом, представляла собой откачанный баллон с окошком для пропускания световых лучей, изготовленным из кварца. Кварц в отличие от стекла пропускает УФ-лучи. Свет через окошко падал на катод, изготовленный из исследуемого материала.

На установке были получены: вольтамперная характеристика ФЭ зависимость фототока I от напряжения U между анодом и катодом) и зависимость задерживающей разности потенциалов U₃, при которой прекращается ФЭ, от частоты падающего света n (см.рис.).

При исследовании ФЭ были выявлены следующие закономерности

1. При увеличении U между А и К фототок быстро достигает максимального значения I_н, называемого током насыщения.

2. При увеличении освещенности Е катода фототок увеличивается, при этом I_н=kE.

3. Фототок имеет место при U = 0.

4. Для прекращения ФЭ надо приложить задерживающую разность потенциалов или задерживающее напряжение U₃, которое не зависит от освещенности Е катода, то есть независмо от освещенности катода все ВАХ начинаются при одном и том же значении U₃.

5. При освещении катода светом разной частоты задерживающая разность потенциалов U₃ увеличивается линейно с частотой света n (см.график)

6. Существует минимальная частота света n₀, при которой начинается ФЭ Эту частоту называют красной границей ФЭ. Для разных веществ красная

граница ФЭ различна.

Как показал опыт, частицы, вылетающие из катода, являются отрицательно заряженными, а их удельный заряд (е/m) совпадает с удельным зарядом электрона.

^

Дата добавления: 2014-01-07