Pengaturan
Panjang gelombang di mana energi maksimum terjadi. Hukum radiasi benda hitam

Panjang gelombang di mana energi maksimum terjadi. Hukum radiasi benda hitam

Memecahkan masalah dalam fisika, optik kuantum

Soal 536. Tentukan panjang gelombang mana yang sesuai dengan kerapatan spektral maksimum luminositas energi (r , T)maks sama dengan 1,3 * 10 11 W / m 3

Solusi dari masalah.

Tugas untuk tampil mandiri dan kontrol bekerja, optik kuantum

1. Fluks energi Fe yang dipancarkan dari jendela tampilan tungku peleburan adalah 34 W. Tentukan suhu T tungku jika luas bukaan S = 6 cm2. (Jawaban: 1kK).

Mari kita lihat beberapa spektrum kontinu yang diambil dengan anoda tungsten. Potensi yang digunakan untuk mempercepat berkas elektron ditunjukkan di sebelah kurva yang sesuai.

Spektrum kontinu hanyalah kurva hitungan per detik dibandingkan dengan panjang gelombang sinar-X, yaitu intensitas dibandingkan dengan 1. Perhatikan bahwa semua kurva memiliki kesamaan fakta bahwa ada panjang gelombang minimum di bawah yang tidak ada emisi sinar-X yang diamati. Anehnya, nilai ini tidak tergantung pada bahan anoda.

2. Suhu T lapisan atas bintang Sirius adalah 10 kK. Tentukan fluks energi Fe yang terpancar dari luas permukaan S = 1 km2 bintang ini. (Jawaban: 56,7 GW).

3. Suhu lapisan atas Matahari adalah 5,3 kK. Dengan asumsi Matahari sebagai benda hitam, tentukan panjang gelombang m, yang sesuai dengan kerapatan spektral maksimum luminositas energi Matahari. (Jawaban: 547 nm).

Untuk memahami fenomena ini, ingat bab tentang efek fotolistrik. Oleh karena itu, berkas sinar-x yang dipancarkan harus memiliki energi maksimum yang sama dengan energi elektron yang datang. Artinya, spektrum kontinu dibatasi oleh panjang gelombang yang terkait dengan energi maksimum elektron.

Dengan mengganti target tungsten dengan target molibdenum dan menjaga kondisi eksperimen lainnya, hasil yang ditunjukkan di bawah ini diperoleh.

Mengingat bahwa satu-satunya perbedaan antara satu ukuran dan yang lainnya adalah substitusi target, masuk akal untuk mengasumsikan bahwa puncak disebabkan oleh anoda molibdenum.

4. Ketika suhu termodinamika T dari benda hitam berlipat ganda, panjang gelombang m, yang merupakan kerapatan spektral maksimum luminositas energi, berkurang sebesar = 400 nm. Tentukan suhu awal dan akhir T1 dan T2. (Jawaban: 3,62 kK; 7,24 kK).

5. Suhu T benda hitam adalah 2 kK. Tentukan: 1) kerapatan spektral luminositas energi (r, ) untuk panjang gelombang = 600 nm; 2) luminositas energi Re dalam rentang panjang gelombang dari 1 = 590 nm hingga 2 = 610 nm. Asumsikan bahwa kerapatan spektral rata-rata dari luminositas energi benda dalam interval ini sama dengan nilai yang ditemukan untuk panjang gelombang = 600 nm. (Jawaban: 30 MW/m2∙mm; 600 W/m2).

Puncak ini mewakili spektrum sinar-X karakteristik molibdenum. Dalam pelajaran ini, konsep gelombang elektromagnetik, khususnya, bagian dari spektrum elektromagnetik, yang terdiri dari radiasi termal, akan dipertimbangkan, memperkenalkan konsep benda hitam ideal dan karakteristiknya. Selain itu, sifat radiasi bahan, seperti emisivitas, koefisien penyerapan, koefisien refleksi, dan transmitansi, akan bergantung pada suhu dan ketergantungan panjang gelombang.

Iradiasi adalah fenomena perpindahan panas lainnya, terutama yang berkaitan dengan energi internal tubuh. Jika, misalnya, Tubuh hangat ditempatkan di ruang kosong yang dindingnya pada suhu kamar, kita akan melihat bahwa tubuh akan kehilangan panasnya sampai mencapai keseimbangan termal dengan lingkungan. Perpindahan panas antara tubuh dan ruang terjadi selama iradiasi, karena transfer terjadi dalam ruang hampa. Ini adalah fitur yang sangat penting, justru karena radiasi berbeda dari dua fenomena perpindahan panas lainnya, karena tidak memerlukan kehadiran media.

5. Untuk benda tertentu, emisivitasnya tidak nol hanya dalam rentang panjang gelombang . Temukan luminositas energi tubuh jika dalam rentang yang ditentukan emisivitas tubuh sama dengan nilai konstan .

6. Intensitas sinar matahari di dekat permukaan bumi sekitar 0,1 W/cm2. Jari-jari orbit bumi adalah R3 = 1,5x108 km. Jari-jari Matahari RC=6,96x108 m Tentukan suhu permukaan Matahari.

Selain itu transmisi lebih cepat karena terjadi pada kecepatan cahaya dan tidak mengalami redaman vakum, sehingga dapat terjadi seperti pada padatan Oh, dan dalam cairan dan gas. Sementara perpindahan panas secara konduksi atau konveksi terjadi dalam arah penurunan suhu dari medium pada suhu yang lebih tinggi ke suhu yang lebih rendah, perpindahan radiasi antara dua benda juga dapat terjadi dengan adanya zat pemisah yang lebih dingin daripada kedua benda.

Selain itu, jika kita memiliki sumber radiasi, penyinaran akan berbeda tergantung pada posisi relatif sebelum dibatalkan. Dasar teori iradiasi didasarkan pada konsep gelombang elektromagnetik atau radiasi elektromagnetik, mewakili energi yang dipancarkan oleh suatu zat sebagai akibat dari perubahan konfigurasi elektronik molekul atau atom unsur.

7. Intensitas radiasi matahari yang melewati atmosfer pada musim panas kira-kira 130 W/m2. Pada jarak berapa seseorang harus berdiri dari pemanas listrik dengan daya 1 kW untuk merasakan intensitas radiasi yang sama. Asumsikan bahwa pemanas listrik memancar secara merata ke segala arah.

8. Matahari memancarkan energi dengan kecepatan 3,9,1026 J/s. Berapa intensitas radiasi matahari di dekat permukaan bumi? Jarak Bumi ke Matahari 150 juta km.

Frekuensi gelombang elektromagnetik bergantung pada sumbernya sendiri dan tidak bergantung pada medium yang dilalui gelombang tersebut. Frekuensi yang sesuai dengan jumlah osilasi per detik dapat bervariasi tergantung pada sumbernya. Radiasi elektromagnetik dianggap sebagai propagasi dari serangkaian paket diskrit yang disebut foton, atau sejenisnya.

Sebelum berbicara tentang radiasi termal, Anda harus merujuk pada radiasi elektromagnetik. Radiasi elektromagnetik yang diidentifikasi dalam perpindahan panas adalah radiasi termal, yaitu radiasi energi benda untuk mentransfer panas.

9. Dalam fisika suhu rendah, zat pendingin banyak digunakan: helium cair, yang suhunya 4,2 K, dan nitrogen cair, yang suhunya 77K. Berapa panjang gelombang yang menjelaskan daya maksimum radiasi termal dari rongga yang diisi dengan cairan ini. Ke wilayah spektrum elektromagnetik manakah radiasi ini berada?

10. Berapakah kekuatan radiasi termal suatu benda yang dipanaskan hingga suhu 500 , emisivitasnya 0,9, luas permukaan radiasinya 0,5 m2?

Cahaya adalah bagian yang terlihat dari spektrum elektromagnetik dan terdiri dari pita-pita kecil warna mulai dari ungu hingga merah. Warna permukaan, misalnya, tergantung pada kemampuannya untuk memantulkan panjang gelombang tertentu. Permukaan tampak merah jika memantulkan radiasi merah sambil menyerap sisa radiasi yang terlihat. Permukaan yang memantulkan semua cahaya berwarna putih dan permukaan yang menyerap semua cahaya berwarna hitam. Matahari adalah sumber utama cahaya, dan radiasi elektromagnetik yang dipancarkan disebut radiasi matahari dan hampir setengah cahaya, dan sisanya, radiasi ultraviolet atau inframerah.

11. Berapa kekuatan radiasi termal tubuh manusia, yang terletak di suhu normal 34 ? Luas permukaan tubuh adalah 1,8 m2.

12. Daya radiasi termal suatu benda pada suhu tertentu adalah 12 mW. Berapakah daya radiasi benda yang sama jika suhunya digandakan?

13. Kekuatan spektral maksimum radiasi dari benda yang benar-benar hitam jatuh pada panjang gelombang 25 mikron. Kemudian suhu tubuh dinaikkan sehingga daya radiasi total tubuh menjadi dua kali lipat. Temukan: a) suhu tubuh baru; b) panjang gelombang di mana kerapatan spektral maksimum radiasi turun.

Oleh karena itu, hanya radiasi termal, yang juga disebut iradiasi sederhana, yang dipertimbangkan dalam studi perpindahan panas. Karena elektron, atom, dan molekul padatan, cairan, dan gas terus bergerak di atas nol mutlak, iradiasi adalah fenomena tiga dimensi. Untuk buram padatan, seperti logam, radiasi kayu yang dipancarkan dari area interior tidak dapat mencapai permukaan, dan radiasi biasanya diserap di permukaan.

Perlu dicatat bahwa permukaan seperti itu mungkin berbeda secara signifikan dari karakteristik radiasinya jika cat diterapkan padanya. Singkatnya, frekuensi yang dirasakan oleh mata manusia sebagai cahaya tampak hanya mewakili sebagian kecil dari gelombang elektromagnetik yang diketahui dengan panjang gelombang antara 400 dan 700 nanometer.

14. Sebuah bola lampu 100 W memiliki filamen tungsten dengan diameter 0,42 mm dan panjang 32 cm.Absorptivitas efektif filamen tungsten adalah 0,22. Temukan suhu filamen.

15. Ruang luar Alam Semesta kita dipenuhi dengan radiasi kosmik latar belakang yang tersisa dari Big Bang. Panjang gelombang di mana kerapatan spektral maksimum radiasi ini jatuh adalah 1,073 mm. Temukan: a) suhu radiasi ini; b) kekuatan radiasi ini yang jatuh di bumi.

Di bawah ini adalah deskripsi dari berbagai gelombang elektromagnetik yang membentuk spektrum. Mereka bertanggung jawab atas polusi elektromagnetik yang disebabkan oleh saluran listrik tegangan tinggi. Gelombang radio Gelombang radio digunakan terutama dalam transmisi radio dan khususnya untuk telepon seluler.

Gelombang mikro Gelombang mikro digunakan terutama dalam aplikasi termal seperti oven gelombang mikro atau untuk komunikasi dan sistem radar. Radiasi inframerah inframerah dihasilkan oleh benda panas di mana atom tereksitasi oleh dampak yang disebabkan oleh pencampuran termal. Jika mereka diserap oleh molekul, mereka dengan energi yang cukup untuk menyebabkan gerakan osilasi, menghasilkan peningkatan suhu. Radiasi inframerah digunakan dalam pengobatan untuk terapi fisik dan, dalam penelitian, untuk mempelajari tingkat energi getaran molekul.

16. Tentukan jari-jari bintang yang jauh menurut data berikut: intensitas radiasi bintang ini mencapai bumi adalah 1,71012 W / m2, jarak ke bintang adalah 11 tahun cahaya, suhu permukaan bintang adalah 6600 K.

17. Sebuah permukaan 10 cm2 yang dipanaskan hingga 2500 K memancarkan 6700 J dalam 10 s. Berapa koefisien penyerapan permukaan ini?

Cahaya tampak Bidang cahaya tampak sangat dekat dengan seluruh spektrum radiasi, meskipun sangat penting bagi organisme hidup, karena mata sebagian besar dari mereka peka terhadap radiasi ini. Ultraviolet Sumber utama gelombang ultraviolet adalah matahari, petir dan busur tukang las listrik. Sebagian besar radiasi ultraviolet yang dihasilkan oleh matahari diserap oleh atmosfer, menyebabkan reaksi pembentukan ozon yang sangat penting bagi kehidupan di Bumi, karena radiasi ini jumlah besar mematikan.

Semua orang tahu masalah penipisan lapisan ozon terutama oleh klorofluorokarbon. Ditambah sinar ultraviolet berfrekuensi tinggi, semakin berbahaya bagi makhluk hidup; tidak begitu banyak karena meningkatkan daya tembus mereka dalam jaringan, terutama karena mendekati panjang gelombang yang beresonansi ikatan molekul, menyebabkan mereka putus. Aplikasi utama radiasi ultraviolet adalah sterilisasi.

18. Sebuah bola lampu 25 W berbentuk spiral memiliki luas 0,403 cm2. Suhu pijar 2177 K. Berapa koefisien penyerapan tungsten pada suhu ini?

19. Sebuah filamen tungsten dipanaskan dalam ruang hampa dengan arus 1 A sampai suhu 1000 K. Berapa arus yang harus dilewatkan melalui filamen agar suhunya menjadi 3000 K? Abaikan kehilangan energi karena konduktivitas termal dan perubahan dimensi linier ulir.

Radiasi sinar-X Aplikasi utama mereka adalah di bidang kedokteran. Daya tembusnya sangat tinggi, sehingga bisa menembus tubuh manusia dan mencapai organ dalam. Penyerapan sinar-x berbeda di jaringan tubuh manusia dan terutama di tulang; oleh karena itu, radiasi sinar-X yang mengalir melalui tubuh berbeda tergantung pada perpotongan jaringan dan pelat fotografi, kurang lebih mengesankan.

Sinar Radiasi ini tipikal sinar kosmik, tetapi tidak mencapai permukaan bumi karena pertama kali disaring keluar dari atmosfer. Mereka juga sangat berbahaya bagi sel manusia karena menyebabkan penghancuran struktur molekul. Paparan sinar- yang berkepanjangan yang disebabkan oleh reaksi nuklir bisa berakibat fatal bahkan jika transportasi energinya rendah.

20. Termostat mengkonsumsi daya 0,5 kW dari jaringan. Suhu permukaan bagian dalam, ditentukan oleh radiasi dari lubang bundar terbuka dengan diameter 5 cm, adalah 700 K. Berapa daya yang dihamburkan oleh permukaan luar termostat?

21. Filamen tungsten dengan diameter d1=0,1 mm dihubungkan secara seri dengan filamen lain yang sejenis. Filamen dipanaskan dalam ruang hampa oleh arus listrik, sehingga filamen pertama memiliki suhu T1=2000 K dan yang kedua T2=3000 K. Berapa diameter filamen kedua?

Emisi radiasi dan cara organisme berinteraksi adalah sifat yang bergantung pada perawatan permukaan tubuh. Untuk menyederhanakan tugas, penyederhanaan diperkenalkan melalui konsep benda hitam. Benda hitam ideal, yang disebut benda hitam, didefinisikan sebagai benda yang fungsinya digunakan sebagai referensi untuk radiasi yang datang, tanpa memperhatikan arah dan panjang gelombang. Karena benda hitam memancarkan energi radiasi seragam ke segala arah, itu adalah pemancar difus, yaitu bekerja tanpa arah.

Mari kita pelajari energi yang dipancarkan oleh tubuh: hanya pada suhu tertentu, itu akan menjadi sumber radiasi elektromagnetik. Pada suhu yang sama, benda yang berbeda memancarkan energi yang berbeda. Namun, outlier tidak mungkin melebihi nilai tertentu; benda hitam adalah sumber yang dapat mencapai emisi yang membatasi ini. Dalam kasus umum, spektrum adalah perbandingan sifat radiasi benda nyata. Benda hitam merupakan emitor emitor dan penyerap yang ideal, karena memancarkan radiasi maksimum untuk setiap suhu dan panjang gelombang, dan menyerap semua radiasi suatu material pada suhu tertentu tergantung pada panjang gelombang, memiliki struktur lengkung dengan maksimum dan minimum yang berbeda; spektrum spektrum spektrum hitam diperoleh dari selubung spektrum tak terbatas dari benda-benda yang berbeda, karena, seperti disebutkan sebelumnya, tidak ada benda pada panjang gelombang apa pun yang dapat memancarkan lebih banyak energi daripada yang dilakukannya.

22. Dengan mengambil kawah busur positif sebagai benda hitam, tentukan rasio daya radiasi dalam rentang panjang gelombang dari 695 nm hingga 705 nm terhadap daya radiasi total. Suhu kawah busur adalah 4000 K.

23. Daya radiasi yang diukur dalam interval 1=0,5 nm di dekat panjang gelombang yang sesuai dengan maksimum radiasi MAX sama dengan daya radiasi dalam interval 2 di dekat panjang gelombang =2MAX. Tentukan lebar interval 2.

Benda hitam adalah abstraksi karena ia tidak dapat eksis secara alami, meskipun dimungkinkan untuk merekonstruksi objek di laboratorium yang emisivitasnya mendekati benda hitam. Kekuatan radiasi yang dipancarkan oleh benda hitam per satuan permukaan ditentukan oleh rasio.

Perhatikan dalam laporan ini bahwa daya pancar benda hitam sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak. Meskipun benda hitam akan tampak hitam, perbedaan harus dibuat antara benda hitam sempurna dan permukaan hitam. Permukaan yang menyerap cahaya tampak hitam bagi mata, sedangkan permukaan yang memantulkannya tampak putih seluruhnya. Karena radiasi tampak menempati bagian spektrum yang sangat rendah, tidak mungkin untuk menilai apakah suatu area mendekati benda hitam dalam satu pengamatan visual.

24. Suhu T dari benda yang benar-benar hitam adalah 2kK. Tentukan: 1) kerapatan spektral fluks radiasi r) untuk panjang gelombang =600 nm; 2) rapat daya radiasi Re dalam rentang panjang gelombang dari 1=590 nm sampai 2=610 nm. Asumsikan bahwa kerapatan spektral rata-rata fluks radiasi dalam interval ini sama dengan nilai yang ditemukan untuk panjang gelombang =600 nm.

25. Suhu T lapisan atas bintang Sirius adalah 10.000 K. Tentukan fluks energi yang dipancarkan dari luas permukaan S = 1 km2 bintang ini.

26. Suhu T lapisan atas Matahari adalah 5300 K. Dengan asumsi Matahari sebagai benda hitam mutlak, tentukan: a) panjang gelombang m, yang sesuai dengan kerapatan radiasi spektral maksimum rMAX) ; b) nilai rMAX).

27. Sebuah filamen tungsten dipanaskan dalam ruang hampa dengan arus 1 A sampai suhu 1000 K. Berapa arus yang harus dilewatkan melalui filamen agar suhunya menjadi 3000 K? Koefisien penyerapan tungsten dan resistivitasnya, sesuai dengan suhu 1 dan 2, adalah

28. Sebuah benda dengan massa m=10 g dan permukaan S=200 cm2, memiliki suhu T0=600K, ditempatkan dalam ruang hampa. Tentukan berapa suhu T benda akan mendingin dalam waktu t=30 s, jika absorptivitas permukaan benda =0,4, dan panas spesifik c = 350J/kg.K.

29. Temukan konstanta matahari I, yaitu jumlah energi radiasi yang dikirim oleh Matahari per satuan waktu melalui satuan luas yang terletak tegak lurus terhadap sinar matahari dan terletak pada jarak yang sama dari Matahari ke Bumi. Suhu permukaan Matahari adalah T=5800 K., jarak dari Bumi ke Matahari adalah L=1,51011 m.

30. Tentukan berapa lama waktu yang dibutuhkan bola tembaga yang ditempatkan dalam ruang hampa untuk mendingin dari T1=500 K ke T2=300 K. Jari-jari bola R=1 cm, absorptivitas permukaan =0,8, kapasitas panas spesifik tembaga c=0,39 J/g.K , berat jenis tembaga =8,93 g/cm3.

31. Apakah mungkin untuk mengukur, pada skala sensitif, yang memungkinkan seseorang untuk mencatat perubahan massa sebesar 10-40%, peningkatan massa sepotong tungsten (logam yang sangat tahan api) ketika dipanaskan dari 0 hingga 33000C (kapasitas panas spesifik rata-rata dapat dianggap sama dengan C = 120 J / kg derajat) ? (Jawaban: Peningkatan relatif dalam satuan massa selama pemanasan akan menjadi 4.4.10-12, yang ratusan kali lebih kecil dari nilai yang tersedia untuk pengukuran).

32. Jelaskan mengapa di ruangan yang tidak dipanaskan suhu semua benda adalah sama.

33. Luminositas energi benda hitam Re = 10 kW/m2. Tentukan panjang gelombang yang sesuai dengan kerapatan spektral maksimum dari luminositas energi benda ini. (Jawaban: 4,47 mikron).

34. Tentukan bagaimana dan berapa kali daya radiasi benda hitam akan berubah jika panjang gelombang yang sesuai dengan kerapatan spektral maksimum luminositas energinya telah bergeser dari 1 = 720 nm ke 2 = 400 nm. (Jawaban: Ini akan meningkat 10,5 kali).

35. Sebagai hasil dari pemanasan benda hitam, panjang gelombang yang sesuai dengan kerapatan spektral maksimum luminositas energi bergeser dari 1 = 2,7 mikron ke 2 = 0,9 mikron. Tentukan berapa kali meningkat: 1) luminositas energi tubuh; 2) kepadatan spektral maksimum dari luminositas energi tubuh. Kerapatan spektral maksimum dari luminositas energi benda hitam meningkat sesuai dengan hukum rλT = CT5, di mana C = 1.3.10-5 W/(m3.K5). (Jawaban: 1) 81 kali; 2) 243 kali).

36. Tentukan panjang gelombang mana yang sesuai dengan kerapatan spektral maksimum luminositas energi (rλT)maks, sama dengan 1.3.1011 (W / m2) / m (lihat soal 5.12). (Jawaban: 1,83 m).

37. Dengan asumsi bahwa kehilangan panas hanya disebabkan oleh radiasi, tentukan berapa banyak daya yang harus disuplai ke bola tembaga dengan diameter d \u003d 2 cm, sehingga pada suhu lingkungan t0 = -13 °C untuk mempertahankan suhunya sama dengan t = 17 °C. Ambil kapasitas penyerapan tembaga AT = 0,6. (Jawaban: 0,107 W).

38. Hitung suhu sebenarnya T dari pita tungsten panas jika pirometer radiasi menunjukkan suhu Trad = 2,5 kK. Asumsikan bahwa kapasitas penyerapan tungsten tidak bergantung pada frekuensi radiasi dan sama dengan a=0,35.

39. Hitung energi yang dipancarkan selama waktu t=1 menit dari luas S=l cm2 sebuah benda yang benar-benar hitam, yang suhunya T=1000 K.

40. Sebuah benda hitam memiliki suhu T1 = 500 K. Berapa suhu T2 benda jika, sebagai akibat dari pemanasan, fluks radiasi meningkat n = 5 kali?

41. Panjang gelombang, yang merupakan energi radiasi maksimum dari benda yang benar-benar hitam, m=0,6 mikron. Tentukan suhu T benda tersebut.

42. Suhu benda yang benar-benar hitam T \u003d 2 kK. Tentukan panjang gelombang m, yang merupakan energi radiasi maksimum, dan kerapatan spektral luminositas energi (r,T)max untuk panjang gelombang ini.

43. Tentukan kerapatan spektral maksimum (r, T)maks dari luminositas energi, dihitung per 1 nm dalam spektrum emisi benda hitam. Suhu tubuh T=1 K.

44. Tentukan suhu T dan luminositas energi Re dari benda yang benar-benar hitam jika energi radiasi maksimum jatuh pada panjang gelombang m = 600 nm.

45. Aliran Fe = 4 kJ / menit dipancarkan dari jendela tampilan tungku. Tentukan suhu T oven jika luas jendela adalah S=8 cm2.

46. Fluks radiasi benda hitam Fe \u003d 10 kW. Energi radiasi maksimum jatuh pada panjang gelombang m = 0,8 m. Tentukan luas S dari permukaan pancaran.

47. Berapa dan berapa kali fluks radiasi dari benda hitam sempurna berubah jika energi radiasi maksimum berpindah dari batas merah spektrum tampak (m1=780 nm) ke ungu (m2=390 nm)?

48. Tentukan kapasitas penyerapan a benda abu-abu, di mana suhu yang diukur oleh pirometer radiasi adalah Trad = 1,4 kK, sedangkan suhu sebenarnya T benda adalah 3,2 kK.

49. Tungku peredam yang mengkonsumsi daya ^ P \u003d 1 kW memiliki bukaan dengan luas S \u003d 100 cm2. Tentukan fraksi dari daya yang dihamburkan oleh dinding tungku jika suhu permukaan bagian dalamnya adalah 1 kK.

50. Rata-rata luminositas energi ^ R permukaan bumi adalah 0,54 J / (cm2 min). Berapakah seharusnya suhu T permukaan bumi, jika kita asumsikan bahwa ia memancar sebagai benda abu-abu dengan koefisien kegelapan a = 0,25?

51. Sebuah benda yang benar-benar hitam memiliki suhu 500 K. Berapakah suhu benda tersebut jika, sebagai akibat dari pemanasan, fluks radiasi meningkat 5 kali? Berdasarkan rumus Planck, secara grafis menggambarkan spektrum radiasi awal dan akhir.

52. Suhu benda yang benar-benar hitam adalah 2000 K. Tentukan panjang gelombang di mana spektrum energi radiasi maksimum jatuh, dan kerapatan spektral luminositas energi untuk panjang gelombang ini.

53. Tentukan suhu dan luminositas energi dari benda yang benar-benar hitam jika energi maksimum dari spektrum radiasi jatuh pada panjang gelombang 600 nm.

54. Aliran 4 kJ / menit dipancarkan dari jendela tampilan tungku. Tentukan suhu tungku jika luas jendela adalah 8 cm2.

55. Fluks radiasi dari benda yang benar-benar hitam adalah 10 kW, dan spektrum radiasi maksimum jatuh pada panjang gelombang 0,8 mikron. Tentukan luas permukaan pancaran.

56. Berapa dan berapa kali fluks radiasi dari benda hitam sempurna berubah jika maksimum spektrum radiasi tampak bergerak dari tepi merah spektrum pada 780 nm ke ungu pada 390 nm?

57. Tentukan intensitas radiasi matahari (densitas fluks radiasi) di dekat Bumi di luar atmosfernya, jika dalam spektrum Matahari kepadatan spektral maksimum luminositas energi jatuh pada panjang gelombang 0,5 mikron.

58. Hitung energi (kWh) yang dipancarkan per hari dari sebuah pemanas seluas 0,5 m2 yang suhunya 700C. Pertimbangkan bahwa pemanas memancar sebagai benda abu-abu dengan koefisien penyerapan 0,3.

59. Luminositas energi rata-rata permukaan bumi adalah 0,54 J / (cm2min). Berapa suhu rata-rata permukaan bumi, dengan asumsi bahwa itu memancar sebagai benda abu-abu dengan koefisien penyerapan 0,25?

60. Sebuah tungku yang menggunakan daya 1 kW memiliki bukaan dengan luas 100 cm2. Tentukan fraksi daya yang dihamburkan oleh dinding tungku jika suhu permukaan bagian dalamnya adalah 1000 K.

61. Ketika benda yang benar-benar hitam mendingin, spektrum emisi maksimumnya bergeser 500 nm. Berapa derajat suhu tubuh menjadi dingin? Suhu awal tubuh 2000 K.

62. Sebuah benda hitam mutlak berbentuk bola dengan diameter 10 cm memancarkan 15 kkal/menit. Temukan suhu bola.

63. Benda yang benar-benar hitam berbentuk rongga dengan lubang kecil berdiameter 1 cm Pemanasan benda dilakukan oleh spiral listrik yang mengkonsumsi daya 0,1 kW. Tentukan nilai suhu kesetimbangan radiasi yang berasal dari lubang jika dinding rongga menghilangkan 10% daya.

64. Berapa massa Matahari yang hilang untuk radiasi dalam 1 s? Perkirakan juga waktu di mana massa Matahari akan berkurang 1%.

65. Tentukan pada suhu berapa sebuah bola berdiameter 10 cm dengan permukaan yang benar-benar hitam akan mendingin karena radiasi setelah 5 jam, jika suhu awalnya adalah 300 K. Massa jenis bahan bola adalah 104 kg / m3, panas kapasitasnya adalah 0,1 kal / (g derajat ). Abaikan radiasi lingkungan.

66. Perkirakan daya termal yang dipancarkan oleh stasiun luar angkasa yang luas permukaannya 120 m2, suhu - (- 500C), dan koefisien penyerapan - 0,3. Abaikan radiasi lingkungan.

67. Berapa daya yang terpancar dari jendela jika suhu di dalam ruangan adalah 200C dan suhu di luar adalah 00C? Koefisien penyerapan jendela dianggap sama dengan 0,2, dan luasnya adalah 2 m2.

68. Tentukan daya yang diperlukan untuk pijar filamen tungsten dari lampu listrik dengan panjang 10 cm dan diameter filamen 1 mm sampai suhu 3000 K. Abaikan kehilangan panas karena konduktivitas termal dan konveksi.

69. Sebuah filamen tungsten dipanaskan dalam ruang hampa dengan arus 1,0 A sampai suhu 1000 K. Pada kekuatan arus berapa filamen akan memanas sampai suhu 3000 K? Koefisien penyerapan yang sesuai adalah 0,115 dan 0,334, dan koefisien temperatur resistivitas diasumsikan 4,103 Ohm m/deg.

70. Sampai suhu berapa meteorit logam bulat kecil memanas dari sinar matahari di luar angkasa dekat Bumi?

71. Dua bola dengan diameter berbeda dan terbuat dari bahan yang sama dipanaskan pada suhu yang sama, sehingga bagian dari spektrum emisinya berada dalam kisaran yang terlihat. Bola berada pada jarak yang sama dari pengamat. Bola mana (lebih besar atau lebih kecil) akan terlihat lebih baik dan mengapa?

72. Jika Anda melihat ke dalam rongga, yang suhu dindingnya dipertahankan konstan, maka tidak ada detail yang bisa dilihat di dalamnya. Mengapa?

73. Betelgeuse - bintang di konstelasi Orion - memiliki suhu permukaan jauh di bawah matahari. Namun, bintang ini memancarkan lebih banyak energi ke luar angkasa daripada Matahari. Jelaskan bagaimana itu bisa terjadi.

74. Sebuah bola lampu 100 W hanya memancarkan beberapa persen energinya dalam rentang yang terlihat. Ke mana sisa energi itu pergi? Bagaimana energi radiasi dalam jangkauan tampak dapat ditingkatkan?

75. Setiap benda yang suhu absolutnya tidak sama dengan nol memancarkan energi, namun tidak semua benda terlihat dalam gelap. Mengapa?

76. Apakah semua benda panas mematuhi hukum: di mana koefisien k bergantung pada bahan benda dan suhunya?

77. Kekuatan radiasi termal tubuh manusia kira-kira 1 kW. Lalu mengapa seseorang tidak terlihat dalam kegelapan?

78. Dua benda identik memiliki suhu yang sama, tetapi salah satunya dikelilingi oleh benda yang lebih dingin dari yang lain. Akankah kekuatan radiasi benda-benda ini sama dalam kondisi ini?

79. Mengapa warna tubuh berubah saat dipanaskan?

80. Bagaimana panjang gelombang yang sesuai dengan emisivitas maksimum dari benda yang benar-benar hitam akan berubah jika benda ini dikelilingi oleh cangkang yang benar-benar menyerap dengan permukaan yang lebih besar dari permukaan benda itu, tetapi memancarkan kekuatan yang sama dengan benda itu?

81. Suhu benda yang benar-benar hitam telah berlipat ganda. Berapa kali luminositas energinya meningkat?

82. Mengapa jendela-jendela rumah yang tidak terang tampak gelap bagi kita di siang hari, padahal ruangan-ruangan rumah itu terang?

83. Berapa kali luminositas energi dari benda yang benar-benar hitam berubah jika suhunya digandakan?

84. Berapa kali daya radiasi benda hitam seluruhnya berubah jika luas permukaannya digandakan?

85. Panjang gelombang, yang merupakan emisivitas maksimum dari benda yang benar-benar hitam, telah berkurang separuhnya. Bagaimana daerah yang dibatasi oleh kurva yang menggambarkan ketergantungan emisivitas pada perubahan panjang gelombang radiasi dalam kasus ini? Area ini akan: a) berkurang? b) meningkat? Berapa kali?

86. Bagaimana jumlah total energi radiasi dari benda yang benar-benar hitam berubah jika setengahnya didinginkan dua kali, dan suhu setengahnya dikurangi setengahnya?

87. Sebuah benda hitam dipanaskan sampai suhu T = 1000 K. Pada panjang gelombang berapakah daya radiasi maksimum?

88. Sebuah benda hitam dipanaskan sampai suhu T = 1000 K. Pada frekuensi berapa daya radiasi maksimum?

89. Sebuah bola dengan jari-jari R = 1 cm dipanaskan sampai suhu T = 1000 K. Mengingat radiasi bola sebagai hitam, tentukan daya total yang dipancarkan oleh bola ini ke ruang angkasa.

90. Sebuah piringan tipis dengan jari-jari R = 1 cm dipanaskan sampai suhu T = 1000 K. Dengan asumsi radiasi piringan hitam, tentukan daya total yang dipancarkan oleh piringan ini ke ruang angkasa.

91. Sebuah bola dengan jari-jari R = 1 cm dipanaskan sampai suhu T = 1000 K. Dengan asumsi radiasi bola menjadi hitam, tentukan kekuatan apa yang akan diserap bola yang sama, terletak pada jarak l = 10 m dari yang dipanaskan.

92. Sebuah piringan tipis dengan jari-jari R = 1 cm dipanaskan sampai suhu T = 1000 K. Mengingat radiasi piringan berwarna hitam, tentukan berapa banyak daya yang akan diserap oleh piringan yang sama, terletak pada jarak l = 10 m dari yang dipanaskan sehingga sumbunya bertepatan dan bidangnya sejajar.

93. Mengingat Matahari dan Bumi sebagai benda yang benar-benar hitam, tentukan sampai suhu berapa Bumi akan memanas di bawah pengaruh sinar matahari. Suhu permukaan Matahari diasumsikan =6000 K, jarak Matahari ke Bumi L=1,51011 m, Jari-jari Matahari RC= 7108m. Jari-jari Bumi RЗ=6.4106 m Abaikan pengaruh atmosfer bumi.

94. Di lapisan atas atmosfer, intensitas radiasi matahari adalah 1,37103 W/m2. Mengabaikan pengaruh atmosfer dan menganggap bahwa Bumi memancar sebagai benda yang benar-benar hitam, tentukan suhu di mana Bumi akan memanas di bawah pengaruh radiasi matahari.

95. Pada tahun 1983, teleskop inframerah yang dipasang pada satelit menemukan awan partikel padat di sekitar bintang Vega, dengan kekuatan radiasi maksimum pada panjang gelombang 32 mikron. Mengingat radiasi awan sebagai hitam, tentukan suhunya.

96. Hitung panjang gelombang yang menghasilkan daya radiasi maksimum dan tentukan daerah spektrum elektromagnetik untuk: a) radiasi kosmik latar belakang yang memiliki suhu 2,7 K; b) tubuh manusia dengan suhu 34 ; c) bola lampu listrik, filamen tungsten yang dipanaskan hingga 1800K; d) Matahari, yang suhu permukaannya 5800 K; e) ledakan termonuklir yang terjadi pada suhu 107K; f) Semesta segera setelah Big Bang pada suhu 1038 K.

97. Berapa frekuensi rangkaian penerima teleskop radio yang harus disetel untuk mendeteksi radiasi kosmik latar belakang, yang suhunya 2,7K?

98. Di rongga, yang dindingnya dipanaskan hingga suhu 1900K, sebuah lubang kecil dengan diameter 1 mm dibor. Apa yang akan menjadi fluks energi radiasi melalui lubang ini?

99. Suhu filamen tungsten dalam bola lampu biasanya sekitar 3200 K. Dengan asumsi bahwa filamen memancar sebagai benda yang benar-benar hitam, tentukan frekuensi di mana kekuatan spektral maksimum radiasi turun.

100. Suhu filamen tungsten dalam bola lampu biasanya sekitar 3200 K. Dengan asumsi bahwa filamen memancar sebagai benda yang benar-benar hitam, tentukan daya radiasi bola lampu. Diameter filamen tungsten adalah 0,08 mm, panjangnya 5 cm.

101. Oven, di dalamnya suhu 215 , terletak di ruangan di mana suhu konstan 26,2 dipertahankan. Sebuah lubang kecil dengan luas 5,2 cm2 dibuat di dalam tungku. Berapa daya radiasi dari lubang ini?

102. Sebuah bola lampu spiral 100 W adalah filamen tungsten dengan diameter 0,28 mm dan panjang 1,8 m Mengingat radiasi spiral menjadi hitam, hitung: a) suhu kerja filamen; b) waktu setelah ulir akan mendingin hingga 500 setelah bola lampu dimatikan. Berat jenis tungsten adalah 19,3 g/cm3, kapasitas panasnya adalah 0,134 J/g .

103. Kerapatan spektral radiasi benda hitam pekat pada panjang gelombang 400 nm adalah 3,5 kali lebih besar daripada pada panjang gelombang 200 nm. Tentukan suhu tubuh.

104. Kerapatan spektral radiasi benda hitam pekat pada panjang gelombang 400 nm adalah 3,5 kali lebih kecil daripada pada panjang gelombang 200 nm. Tentukan suhu tubuh.

105. Daya radiasi benda hitam pekat P = 100 kW. Berapa luas permukaan pancaran benda jika panjang gelombang di mana radiasi maksimum jatuh adalah 700 nm?

106. Karena perubahan suhu tubuh, luminositas energi spektral maksimumnya telah berpindah dari panjang gelombang =2,5 mikron ke =0,125 mikron. Dengan asumsi tubuh benar-benar hitam, tentukan berapa kali telah berubah: a) suhu tubuh; b) nilai maksimum luminositas energi spektral; c) luminositas energi terintegrasi.

107. Luminositas energi spektral maksimum dari benda yang benar-benar hitam (]maks=4,16х1011 W/m2). Berapa panjang gelombangnya?

108. Hitung luminositas energi spektral benda hitam yang dipanaskan hingga 3000 K untuk panjang gelombang 500 nm.

109. Tentukan nilai kekuatan spektral radiasi benda hitam untuk panjang gelombang berikut: =MAX, =0,75MAX, =0,5MAX, =0,25MAX. Suhu tubuh 3000 K

110. Daya radiasi P sebuah bola dengan jari-jari R = 10 cm pada suhu konstan tertentu T sama dengan 1 kW. Temukan suhu ini, dengan menganggap bola sebagai benda abu-abu dengan koefisien penyerapan =0,25.

111. Ada dua sumber radiasi termal yang benar-benar hitam. Suhu salah satunya adalah T1=2500 K. Tentukan suhu sumber lain jika panjang gelombang yang sesuai dengan emisivitas maksimumnya adalah =0,50 m lebih besar dari panjang gelombang yang sesuai dengan emisivitas maksimum sumber pertama .

112. Berapa banyak energi yang dipancarkan Matahari dalam 1 menit? Radiasi Matahari dianggap dekat dengan radiasi benda yang benar-benar hitam. Suhu permukaan Matahari diambil sama dengan 58000 K. Jari-jari Matahari adalah Rc=7.108 m.

113. Sebuah benda yang benar-benar hitam berada pada suhu T1=29000K. Sebagai hasil dari pendinginan benda ini, panjang gelombang, yang merupakan kerapatan spektral maksimum dari luminositas energi, telah berubah sebesar =9 m. Sampai suhu berapa T2 tubuh menjadi dingin?

114. Satelit berbentuk bola bergerak mengelilingi bumi dengan ketinggian sedemikian rupa sehingga penyerapan sinar matahari dapat diabaikan. Diameter satelit adalah d=40 m. Dengan asumsi bahwa permukaan satelit memantulkan cahaya sepenuhnya, tentukan gaya tekanan F dari sinar matahari pada satelit. Jari-jari Matahari Rc=7108m. Jarak Bumi ke Matahari adalah L=1.5.1011m. Suhu permukaan Matahari T = 60000K.

115. Dengan peningkatan suhu benda yang benar-benar hitam, luminositas energi integralnya meningkat 5 kali lipat. Berapa kali perubahan panjang gelombang, yang menjelaskan kerapatan spektral maksimum radiasi?

116. Kekuatan radiasi dari benda yang benar-benar hitam adalah 34 kW. Hitunglah suhu benda ini jika diketahui luas permukaannya 0,6 m2.

117. Temukan berapa banyak energi yang dipancarkan benda hitam mutlak dari 10 cm2 permukaan dalam 1 menit jika diketahui bahwa kerapatan spektral maksimum luminositas energinya jatuh pada panjang gelombang 4840 A.

118. Tentukan suhu tungku, jika diketahui bahwa dari lubang di dalamnya dengan ukuran 6,1 cm2 memancar dalam 1 menit 50 J. Pertimbangkan radiasi yang mendekati radiasi benda hitam total.

119. Tentukan suhu T di mana luminositas energi R dari benda yang benar-benar hitam adalah 10 kW / m2.

120. Radiasi Matahari dalam komposisi spektralnya dekat dengan radiasi benda yang benar-benar hitam, yang emisivitas maksimumnya jatuh pada panjang gelombang 0,48 mikron. Hitunglah suhu permukaan Matahari.

121. Tentukan peningkatan relatif R / R dari daya radiasi dari benda yang benar-benar hitam dengan peningkatan suhu sebesar 1%.

122. Tentukan energi W yang diradiasikan selama waktu t=1 menit dari jendela pandang dengan luas S=8 cm2 dari tungku peleburan jika suhunya T=1200K.

123. Tentukan suhu T dari benda yang benar-benar hitam, di mana kerapatan spektral maksimum radiasi adalah rMAX); jatuh pada batas merah spektrum tampak (1=750 nm).

124. Nilai rata-rata energi yang hilang sebagai akibat radiasi dari 1 cm2 permukaan bumi selama 1 menit adalah 5,4x10-8 J. Berapa suhu yang dimiliki benda hitam mutlak yang memancarkan jumlah energi yang sama?

125. Suhu sehelai rambut bola lampu 15 W yang dialiri arus bolak-balik berfluktuasi sehingga selisih suhu pijar tertinggi dan terendah dari filamen tungsten adalah 80 ° C. Berapa kali perubahan daya radiasi total karena suhu fluktuasi jika nilai rata-rata adalah 2300K? Terimalah bahwa tungsten memancar sebagai benda hitam.

126. Tungku meredam mengkonsumsi daya P = 0,5 kW. Suhu permukaan bagian dalam dengan lubang terbuka dengan diameter d = 5 cm adalah 700 C. Berapa bagian dari konsumsi daya yang dihamburkan oleh dinding?

127. Selama pengoperasian tabung radio, anoda dipanaskan karena dibombardir dengan elektron. Dengan asumsi bahwa anoda membuang energi hanya dalam bentuk radiasi, tentukan arus yang diizinkan pada anoda pada lampu yang beroperasi pada tegangan 40 V. Anoda nikel berbentuk silinder dengan panjang 4 cm dan diameter 1 cm. dimana anoda dapat dipanaskan adalah 1000K. Pada suhu ini, nikel hanya memancarkan 20% dari kekuatan radiasi benda hitam.

128. Sebuah jeruji dengan luas 2 m2 dikelilingi oleh dinding besi. Suhu batu bara di perapian adalah 1300K, suhu dinding adalah 600K. Koefisien penyerapan batubara dan besi teroksidasi dapat dianggap sama dengan 0,9. Hitung jumlah panas yang dipindahkan oleh radiasi dari perapian ke dinding dalam 1 jam.

129. Di dalam tata surya pada jarak yang sama dari Matahari ke Bumi, ada partikel berbentuk bola. Dengan asumsi bahwa Matahari memancar sebagai benda yang benar-benar hitam dengan suhu 6000K dan suhu partikelnya sama di semua titiknya, tentukan suhunya jika partikel tersebut memiliki sifat benda abu-abu. Jarak Matahari ke Bumi L=1.51011 m Jari-jari Matahari RC= 7108 m.

130. Di dalam tata surya, pada jarak yang sama dari Matahari dengan Bumi, ada partikel bulat. Dengan asumsi bahwa Matahari memancar sebagai benda yang benar-benar hitam dengan suhu 6000 K dan suhu partikel di semua titiknya adalah sama, tentukan suhunya jika partikel menyerap dan memancarkan hanya sinar dengan panjang gelombang 500 nm. Jarak Matahari ke Bumi adalah L = 1,51011 m.

131. Di dalam tata surya, pada jarak yang sama dari Matahari dengan Bumi, ada partikel berbentuk bola. Dengan asumsi bahwa Matahari memancar sebagai benda yang benar-benar hitam dengan suhu 6000 K dan suhu partikel di semua titiknya adalah sama, tentukan suhunya jika partikel menyerap dan hanya memancarkan sinar dengan panjang gelombang 5 m. Jarak Matahari ke Bumi adalah L = 1,51011 m.

132. Melewati aphelion, Bumi berjarak 3,3% lebih jauh dari Matahari daripada saat melewati perihelion. Mengambil bumi sebagai benda abu-abu dengan suhu rata-rata 288 K, tentukan perbedaan suhu yang dimiliki bumi pada aphelion dan perihelion.

133. Dalam bola lampu, filamen tungsten dengan diameter d = 0,05 cm memanas selama operasi hingga suhu T1 = 2700 K. Berapa lama setelah arus dimatikan suhu filamen turun menjadi T2 = 600 K? Saat menghitung, asumsikan bahwa filamen memancar sebagai benda abu-abu dengan koefisien penyerapan 0,3. Berat jenis tungsten adalah 19,3 g/cm3, dan kapasitas panasnya adalah 0,134 J/g C.

134. Sebuah bola lampu listrik yang mengkonsumsi daya 25 W tertutup dalam kap lampu kertas, berbentuk bola dengan jari-jari R \u003d 15 cm Sampai suhu berapa kap lampu akan memanas? Pertimbangkan bahwa semua daya yang dikonsumsi oleh lampu menjadi radiasi dan kap lampu memancarkan sebagai benda abu-abu.

135. Sebuah bola lampu listrik yang mengkonsumsi daya 100 watt dilingkupi oleh kap lampu kertas yang berbentuk seperti bola dengan jari-jari. Berapa radius minimum kap lampu agar kertas tidak terbakar? Pertimbangkan bahwa semua daya yang dikonsumsi oleh lampu menjadi radiasi dan kap lampu memancarkan sebagai benda abu-abu. Suhu penyalaan kertas adalah 250 °C.

136. Tentukan daya radiasi 1 cm2 dari permukaan benda yang benar-benar hitam untuk panjang gelombang yang berbeda dari panjang gelombang yang sesuai dengan radiasi maksimum sebesar 1%. Suhu tubuh 2000K.

137. Tentukan rasio kekuatan radiasi 1 cm2 dari permukaan benda yang benar-benar hitam dalam rentang panjang gelombang dari 695 mikron hingga 705 mikron (area merah) dan dari 395 mikron hingga 405 mikron (bagian ungu). Suhu tubuh 4000K.

138. Sinar matahari dikumpulkan dengan menggunakan lensa berdiameter d = 3 cm pada lubang kecil di rongga, yang dindingnya menghitam di dalam dan mengkilat di luar. Pembukaan rongga berada pada fokus lensa. Tentukan suhu di dalam rongga. Asumsikan bahwa intensitas radiasi matahari yang melewati atmosfer kira-kira 130 W/m2

139. Ada dua pemancar hitam dengan suhu T1=1000K dan T2=500K. Apa yang sama dengan: a) rasio panjang gelombang max,1 / max,2, yang merupakan maksimum dalam spektrum emisi; b) rasio emisivitas maksimum dua benda rmax1,T1)/rmax2,T2). Tunjukkan pada satu grafik ketergantungan kualitatif r,T untuk dua emitor.

140. Dengan peningkatan suhu termodinamika T dari benda yang benar-benar hitam dengan faktor 2, panjang gelombang m, yang menjelaskan kerapatan pancaran spektral maksimum, berubah sebesar =400 nm. Tentukan suhu awal dan akhir T1 dan T2.

141. Jarak antara Matahari dan planet Venus dan Bumi berturut-turut adalah RВ=1.1х108 km, RЗ=1.5х108 km. Mengingat Bumi dan Venus sebagai benda yang benar-benar hitam, tanpa atmosfer, tentukan sampai suhu berapa Venus akan memanas di bawah pengaruh sinar matahari jika Bumi memanas hingga 20°C.

142. Radiasi Matahari dalam komposisi spektralnya dekat dengan radiasi benda hitam mutlak, yang emisivitas maksimumnya jatuh pada panjang gelombang =0,48 mikron. Temukan massa yang hilang oleh Matahari setiap detik karena radiasi. Perkirakan waktu yang diperlukan agar massa matahari berkurang 1%.

143. Tentukan panjang gelombang yang memberikan nilai maksimum emisivitas benda hitam sempurna sebesar 6,1011 W / m3.

144. Sebuah pelat dengan permukaan hitam ditempatkan tegak lurus terhadap sinar datang dalam ruang hampa. Tentukan energi E yang diserap oleh 1 cm2 permukaan pelat dalam 1 menit jika suhu permukaan pelat diatur ke 500K.

145. Panjang gelombang yang sesuai dengan kerapatan spektral maksimum radiasi untuk Bintang Kutub dan bintang Sirius adalah sama, berturut-turut: =0,35 m, =0,29 m. Hitung suhu permukaan bintang-bintang ini dan rasio kekuatan radiasi integral dan spektral (maksimum) dari permukaan unit bintang-bintang ini, dengan menganggapnya sebagai benda yang benar-benar hitam.

146. Diameter spiral tungsten dalam bola lampu adalah d=0,3 mm, panjang spiral adalah l=5 cm. Pada tegangan 127 V, arus 0,31 A mengalir melalui bola lampu. Berapa suhunya? spiral jika energi hilang hanya karena radiasi termal. Koefisien penyerapan tungsten =Т, di mana .

147. Hitung suhu keadaan tunak dari pelat hitam mutlak yang terletak dalam ruang hampa dan terletak tegak lurus terhadap aliran energi radiasi 1,4103 W/m2. Tentukan berapa panjang gelombang untuk kerapatan spektral maksimum radiasi pada suhu yang ditemukan.

148. Anggaplah Matahari sebagai benda yang benar-benar hitam, temukan penurunan massa Matahari dalam 1 tahun akibat radiasi. Ambil suhu permukaan Matahari sama dengan 5800 K.

149. Temukan nilai emisivitas maksimum dari benda yang benar-benar hitam, jika sesuai dengan panjang gelombang =1,45 mikron.

150. Suhu benda yang benar-benar hitam telah meningkat dari T1=500 K menjadi T2=1500 K. Berapa kali perubahan ini: a) energi yang dipancarkan oleh satu unit permukaan tubuh per unit waktu; b) luminositas energi; c) nilai emisivitas maksimum; d) panjang gelombang di mana kerapatan spektral maksimum radiasi turun; e) frekuensi di mana kerapatan spektral maksimum radiasi turun?

151. Hitung suhu sebenarnya T dari spiral tungsten panas jika pirometer radiasi menunjukkan suhu TR=2500 K. Koefisien penyerapan tungsten tidak bergantung pada frekuensi dan sama dengan =0,35.

152. Hitung suhu sebenarnya T dari kumparan tungsten panas jika pirometer radiasi menunjukkan suhu TR=2500 K. Koefisien penyerapan tungsten T=T, di mana ..

153. Di dalam tata surya, pada jarak yang sama dari Matahari ke Bumi, terdapat piringan datar kecil dengan jari-jari R = 0,1 m Mengingat piringan itu sebagai benda yang benar-benar hitam dan menganggap bahwa Matahari memancarkan radiasi mutlak. benda hitam dengan suhu 6000 K, tentukan suhu piringan tersebut. Jarak Matahari ke Bumi adalah L=1.5.1011 m.

154. Temperatur benda yang benar-benar hitam adalah 2000 K. Perkirakan berapa proporsi fluks energi radiasi yang jatuh pada bagian spektrum yang terlihat (dari 400 nm hingga 700 nm).

155. Sampai sejauh mana suhu bumi akan turun dalam 100 tahun jika energi matahari berhenti mengalir ke bumi? Jari-jari Bumi adalah 6400 km; kapasitas panas spesifik 200 J/kgK, densitas 5500 kg/m3; suhu permukaan rata-rata 280 K, koefisien penyerapan 0,8.

156. Luminositas energi dari benda yang benar-benar hitam adalah 3 W/cm2. Tentukan suhu tubuh dan panjang gelombang di mana emisivitas maksimum tubuh jatuh.

157. Setelah waktu berapa massa Matahari akan berkurang setengahnya karena radiasi termal, jika kekuatannya tetap konstan? Suhu permukaan Matahari diambil sama dengan 5800K dan Matahari dianggap sebagai benda yang benar-benar hitam.

158. Berapa kali luminositas energi dari benda yang benar-benar hitam akan berubah dalam rentang panjang gelombang yang kecil di dekat =5 m dengan peningkatan suhu tubuh dari 1000K ke 2000K?

159. Sebuah benda yang benar-benar hitam memiliki suhu 2000 K. Sampai suhu berapakah benda tersebut mendingin dan berapa nilai emisivitas maksimum benda berubah jika panjang gelombang, yang merupakan emisivitas maksimum, diubah sebesar 9 mikron?

160. Sebuah bola dengan diameter d = 1,5 cm, dipanaskan sampai suhu T0 = 300 K, ditempatkan dalam bejana dari mana udara dievakuasi. Suhu bejana dipertahankan pada 77 K. Dengan asumsi permukaan bola benar-benar hitam, temukan setelah jam berapa suhunya akan berkurang setengahnya. Kepadatan material bola 700 kg/m3, kapasitas panas C=300 J/kgK.

161. Temukan suhu filamen tungsten dari lampu pijar 25 W, jika luas permukaan pancaran filamen adalah S=0,4 cm2, dan koefisien serapan tungsten adalah T=T, di mana K.

162. Rambut lampu pijar, dirancang untuk tegangan U=2 V, memiliki panjang l=10 cm dan diameter d=0,03 mm. Dengan asumsi bahwa rambut memancar sebagai benda yang benar-benar hitam, tentukan suhu benang dan panjang gelombang di mana maksimum dalam spektrum radiasi turun. Ketahanan spesifik bahan rambut =5.510 Ohm. Abaikan kerugian akibat konduksi termal.

163. Tentukan luminositas energi dari benda yang benar-benar hitam dalam rentang panjang gelombang yang sesuai dengan bagian spektrum yang terlihat (dari 0,4 mikron hingga 0,8 mikron). Suhu tubuh adalah 1000 K. Asumsikan bahwa kerapatan spektral radiasi dalam kisaran ini tidak bergantung pada panjang gelombang dan sama dengan nilainya pada =0,6 m.

164. Tentukan kapasitas serap benda abu-abu T, di mana suhu yang diukur oleh pirometer radiasi adalah T=1400 K, sedangkan suhu sebenarnya adalah T=3200 K.

165. Berapa daya yang harus diberikan ke bola timah dengan jari-jari 4 cm untuk mempertahankan suhunya pada t1=27 C, jika suhu sekitar t2=23 C. Kapasitas penyerapan timbal adalah 0,6. Asumsikan bahwa energi hilang hanya karena radiasi.

166. Sebuah filter cahaya ditempatkan di antara bola lampu dan fotosel, yang mentransmisikan radiasi dalam rentang panjang gelombang dari 0,99 mikron hingga 1,01 mikron. Pada suhu kumparan bola lampu sama dengan 1500 K, arus yang melalui fotosel adalah 20 mA. Dengan asumsi bahwa arus yang melalui fotosel sebanding dengan kekuatan radiasi yang datang padanya, tentukan berapa kali arus ini akan berubah jika suhu spiral bola lampu dinaikkan menjadi 2000 K.

167. Perkirakan berapa fraksi kekuatan bola lampu 100 watt yang jatuh pada bagian spektrum yang terlihat (dari 400 nm hingga 700 nm). Ambil suhu filamen bola lampu sama dengan 2500 K dan asumsikan bahwa bola lampu memancar sebagai benda yang benar-benar hitam.

168. Radiasi elektromagnetik di dalam mata Anda terdiri dari dua komponen: a) radiasi hitam pada suhu 310 K dan b) cahaya tampak, dalam bentuk foton, memasuki mata melalui pupil. Perkirakan: a) energi total radiasi hitam di mata; b) energi radiasi tampak di mata, yang berasal dari bola lampu 100 W, jika Anda berada pada jarak 2 meter darinya. Area pupil adalah S=0,1 cm2, diameter bola mata adalah d=3 cm. Bola lampu hanya memancarkan 2% dari kekuatannya dalam rentang yang terlihat (dari 400 nm hingga 700 nm).

169. Hitung durasi radiotelepon yang diizinkan dalam mode pemancar, jika beban energi maksimum yang diizinkan pada jaringan biologis kepala manusia pada frekuensi 900 MHz adalah 2 W. jam/m2. Daya radiasi telepon radio =0,5 W. Jarak minimum dari antena radiotelepon ke kepala adalah r=5 cm. Asumsikan bahwa antena memancar secara seragam ke segala arah.

170. Jelaskan mengapa buka jendela rumah-rumah dari pinggir jalan tampak hitam.

171. Cangkir teh porselen dengan latar belakang terang memiliki pola gelap. Jelaskan mengapa jika cangkir ini dengan cepat dikeluarkan dari oven, di mana ia dipanaskan sampai suhu tinggi, dan dilihat dalam gelap, maka pola terang diamati pada latar belakang gelap.

172. Ada dua teko aluminium identik di mana jumlah air yang sama dipanaskan sampai suhu yang sama. Satu ketel jelaga dan yang lainnya bersih. Jelaskan ketel mana yang akan mendingin lebih cepat dan mengapa.

173. Tentukan berapa kali diperlukan untuk mengurangi suhu termodinamika benda hitam sehingga luminositas energinya Re melemah 16 kali. (Jawab: 2 kali).

174. Suhu permukaan bagian dalam tungku peredam dengan lubang terbuka 30 cm2 adalah 1,3 kK. Dengan asumsi bahwa bukaan tungku memancar sebagai benda hitam, tentukan bagian mana dari daya yang dihamburkan oleh dinding jika daya yang dikonsumsi oleh tungku adalah 1,5 kW. (Jawaban: 0,676).

175. Sebuah benda hitam berada pada suhu T1 = 3 kK. Saat benda mendingin, panjang gelombang yang sesuai dengan kerapatan spektral maksimum luminositas energi diubah sebesar = 8 m. Tentukan suhu T2 dimana benda tersebut telah didinginkan. (Jawaban: 323 K).

176. Sebuah benda hitam dipanaskan dari suhu T1 = 600 K menjadi T2 = 2400 K. Tentukan: 1) berapa kali luminositas energinya meningkat; 2) bagaimana panjang gelombang yang sesuai dengan kerapatan spektral maksimum luminositas energi telah berubah. (Jawaban: 1) 256 kali; 2) menurun sebesar 3,62 m).

177. Area yang dibatasi oleh grafik kerapatan spektral luminositas energi rλT benda hitam, dalam transisi dari suhu termodinamika T1 ke suhu T2, meningkat 5 kali lipat. Tentukan bagaimana panjang gelombang max akan berubah dalam kasus ini, sesuai dengan kerapatan spektral maksimum dari luminositas energi benda hitam. (Jawaban: Akan berkurang 1,49 kali).

178. Mengingat nikel sebagai benda hitam, tentukan daya yang diperlukan untuk mempertahankan suhu lelehan nikel pada 1453 ° C tidak berubah jika luas permukaannya 0,5 cm2. Abaikan kehilangan energi. (Jawaban: 25,2 W).

179. Permukaan logam dengan luas 15 cm2, dipanaskan hingga suhu T \u003d 3000 K, memancarkan 100 kJ dalam satu menit. Tentukan: 1) energi yang dipancarkan oleh permukaan ini, dengan menganggapnya hitam; 2) rasio luminositas energi permukaan ini dan benda hitam pada suhu tertentu. (Jawaban: 413 kJ; 0,242).

180. Dengan menganggap Matahari sebagai benda hitam, dan dengan mempertimbangkan bahwa kerapatan spektral maksimum luminositas energinya sesuai dengan panjang gelombang = 500 nm, tentukan: 1) suhu permukaan Matahari; 2) energi yang dipancarkan Matahari berupa gelombang elektromagnetik dalam waktu 10 menit; 3) massa yang hilang oleh Matahari selama ini karena radiasi. (Jawaban: 5800 K; 2.34.1029 J; 2.6.1012 kg).

181. Tentukan kekuatan arus yang mengalir melalui kawat tungsten dengan diameter d \u003d 0,8 mm, yang suhunya dalam ruang hampa dijaga konstan dan sama dengan t \u003d 2800 ° C. Permukaan kawat diambil berwarna abu-abu dengan daya serap AT = 0,343. Hambatan spesifik kawat pada suhu tertentu = 0.92.10-4 Ohm.cm. Suhu medium yang mengelilingi kawat t0 = 17 °C. (Jawaban: 48,8 A).

182. Konversikan rumus Planck untuk kerapatan spektral luminositas energi benda hitam dari variabel ke variabel .

183. Dengan menggunakan rumus Planck, tentukan kerapatan spektral fluks radiasi per satuan permukaan benda hitam per interval panjang gelombang sempit = 5nm mendekati kerapatan spektral maksimum luminositas energi jika suhu benda hitam T = 2500K. (Jawaban: rλTΔλ = 6,26 kW/m2).

184. Untuk filamen tungsten pada suhu T \u003d 3500 K, kapasitas penyerapan AT \u003d 0,35. Tentukan suhu radiasi ulir. (Jawaban: 2,69 kK).

Kerapatan spektral radiasi benda hitam adalah fungsi universal dari panjang gelombang dan suhu. Ini berarti bahwa komposisi spektral dan energi radiasi benda hitam tidak bergantung pada sifat benda itu.

Rumus (1.1) dan (1.2) menunjukkan bahwa mengetahui densitas radiasi spektral dan integral dari benda hitam mutlak, seseorang dapat menghitungnya untuk setiap benda bukan hitam jika koefisien penyerapan benda hitam diketahui, yang harus ditentukan secara eksperimental.

Penelitian telah menghasilkan hukum radiasi benda hitam berikut.

1. Hukum Stefan-Boltzmann: Kerapatan radiasi integral dari benda hitam sebanding dengan pangkat empat suhu mutlaknya

Nilai σ ditelepon konstanta Stefanus- Boltzmann:

σ \u003d 5.6687 10 -8 J m - 2 d - 1 K - 4.

Energi yang dipancarkan dari waktu ke waktu t tubuh yang benar-benar hitam dengan permukaan yang memancar S pada suhu konstan T,

W=σT 4 St

Jika suhu tubuh berubah seiring waktu, mis. T = T(t), kemudian

Hukum Stefan-Boltzmann menunjukkan peningkatan yang sangat cepat dalam daya radiasi dengan meningkatnya suhu. Misalnya, ketika suhu naik dari 800 menjadi 2400 K (yaitu, dari 527 menjadi 2127 ° C), radiasi benda yang sepenuhnya hitam meningkat 81 kali lipat. Jika benda hitam dikelilingi oleh medium bersuhu T 0, maka mata akan menyerap energi yang dipancarkan oleh medium itu sendiri.

Dalam hal ini, perbedaan antara kekuatan radiasi yang dipancarkan dan diserap dapat dinyatakan dengan rumus:

U=σ(T 4 - T 0 4)

Hukum Stefan-Boltzmann tidak berlaku untuk benda nyata, karena pengamatan menunjukkan ketergantungan yang lebih kompleks R pada suhu, dan juga pada bentuk tubuh dan keadaan permukaannya.

2. Hukum perpindahan Wien. Panjang gelombang 0, yang menjelaskan kepadatan spektral maksimum radiasi benda hitam, berbanding terbalik dengan suhu absolut benda:

λ 0 = atau 0 T \u003d b.

Konstan b, ditelepon konstanta hukum Wien, adalah sama dengan b= 0,0028978 mK ( λ dinyatakan dalam meter).

Jadi, ketika suhu naik, tidak hanya radiasi total yang meningkat, tetapi juga distribusi energi pada spektrum berubah. Misalnya, pada suhu tubuh yang rendah, sinar inframerah terutama dipelajari, dan ketika suhu naik, radiasi menjadi kemerahan, oranye, dan akhirnya putih. pada gambar. Gambar 2.1 menunjukkan kurva distribusi empiris energi radiasi benda hitam pada panjang gelombang pada suhu yang berbeda: dapat dilihat dari kurva tersebut bahwa kerapatan spektral maksimum radiasi bergeser ke arah gelombang pendek dengan meningkatnya suhu.

3. Hukum Planck. Hukum Stefan-Boltzmann dan hukum perpindahan Wien tidak menyelesaikan masalah utama seberapa besar kerapatan spektral radiasi per setiap panjang gelombang dalam spektrum benda hitam pada suhu T. Untuk melakukan ini, Anda perlu membuat ketergantungan fungsional dan dari λ dan T.

Berdasarkan konsep sifat kontinu dari emisi gelombang elektromagnetik dan pada hukum distribusi energi yang seragam pada derajat kebebasan (diterima dalam fisika klasik), dua rumus diperoleh untuk kerapatan spektral dan radiasi benda hitam:

1) rumus menang

di mana sebuah dan b- nilai konstan;

2) rumus Rayleigh-Jeans

kamu = 8kT – 4 ,

di mana k adalah konstanta Boltzmann. Verifikasi eksperimental menunjukkan bahwa untuk suhu tertentu, rumus Wien benar untuk gelombang pendek (ketika sangat kecil dan memberikan pengalaman konvergensi yang tajam di wilayah gelombang panjang. Rumus Rayleigh-Jeans ternyata benar untuk gelombang panjang dan sama sekali tidak berlaku untuk gelombang pendek (Gbr. 2.2).

Dengan demikian, fisika klasik ternyata tidak mampu menjelaskan hukum distribusi energi dalam spektrum radiasi benda hitam sempurna.

Untuk menentukan jenis fungsi kamu T ide yang sama sekali baru tentang mekanisme emisi cahaya diperlukan. Pada tahun 1900, M. Planck berhipotesis bahwa penyerapan dan emisi energi radiasi elektromagnetik oleh atom dan molekul hanya mungkin dalam "bagian" yang terpisah. yang disebut kuanta energi. Nilai kuantum energi ε sebanding dengan frekuensi radiasi v(berbanding terbalik dengan panjang gelombang λ ):

= hv = hc/λ

Faktor proporsionalitas h = 6.625 10 -34 J s dan disebut konstanta Planck. Di bagian spektrum yang terlihat untuk panjang gelombang λ = 0,5 m, nilai energi kuantum adalah:

= hc/λ= 3,79 10 -19 J s = 2,4 eV

Berdasarkan asumsi ini, Planck memperoleh rumus untuk kamu T:

(2.1)

di mana k adalah konstanta Boltzmann, Dengan adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa. l Kurva yang sesuai dengan fungsi (2.1) juga ditunjukkan pada Gambar. 2.2.

Hukum Planck (2.11) menghasilkan hukum Stefan-Boltzmann dan hukum perpindahan Wien. Memang, untuk kerapatan radiasi integral kita peroleh

Perhitungan menurut rumus ini memberikan hasil yang bertepatan dengan nilai empiris konstanta Stefan-Boltzmann.

Hukum perpindahan Wien dan konstanta dapat diperoleh dari rumus Planck dengan mencari fungsi maksimum kamu T, dimana turunan dari kamu T pada λ , dan sama dengan nol. Hasil perhitungan dalam rumus:

(2.2)

Perhitungan konstanta b menurut rumus ini juga memberikan hasil yang sesuai dengan nilai empiris konstanta Wien.

Mari kita pertimbangkan aplikasi yang paling penting dari hukum radiasi termal.

TETAPI. Sumber cahaya termal. Sebagian besar sumber cahaya buatan adalah penghasil panas (lampu pijar listrik, lampu busur konvensional, dll.). Namun, sumber cahaya ini tidak cukup ekonomis.

Dalam 1 dikatakan bahwa mata hanya peka terhadap bagian spektrum yang sangat sempit (dari 380 hingga 770 nm); semua gelombang lainnya tidak memiliki sensasi visual. Sensitivitas maksimum mata sesuai dengan panjang gelombang λ = 0,555 m. Berasal dari sifat mata ini, seseorang harus menuntut dari sumber cahaya seperti distribusi energi dalam spektrum, di mana kerapatan spektral maksimum radiasi akan jatuh pada panjang gelombang. λ = 0,555 m atau lebih. Jika kita mengambil benda yang benar-benar hitam sebagai sumber seperti itu, maka menurut hukum perpindahan Wien, kita dapat menghitung suhu absolutnya:

Dengan demikian, sumber cahaya termal yang paling menguntungkan harus memiliki suhu 5200 K, yang sesuai dengan suhu permukaan matahari. Kebetulan ini adalah hasil adaptasi biologis penglihatan manusia terhadap distribusi energi dalam spektrum radiasi matahari. Tetapi bahkan sumber cahaya ini efisiensi(rasio energi radiasi tampak dengan energi total semua radiasi) akan kecil. Secara grafis dalam gambar. 2.3 koefisien ini dinyatakan dengan rasio luas S1 dan S; kotak S1 menyatakan energi radiasi dari daerah spektrum yang terlihat, S- semua energi radiasi.

Perhitungan menunjukkan bahwa pada suhu sekitar 5000-6000 K, efisiensi cahaya hanya 14-15% (untuk benda yang benar-benar hitam). Pada suhu sumber cahaya buatan yang ada (3000 K), efisiensi ini hanya sekitar 1-3%. "Keluaran cahaya" yang rendah dari emitor termal dijelaskan oleh fakta bahwa selama pergerakan atom dan molekul yang kacau, tidak hanya cahaya (terlihat), tetapi juga gelombang elektromagnetik lainnya yang tereksitasi, yang tidak memiliki efek cahaya pada mata. Oleh karena itu, tidak mungkin untuk secara selektif memaksa tubuh untuk memancarkan hanya gelombang-gelombang yang peka terhadap mata: gelombang-gelombang tak kasat mata tentu saja terpancar.

Sumber cahaya suhu modern yang paling penting adalah lampu pijar listrik dengan filamen tungsten. Titik leleh tungsten adalah 3655 K. Namun, memanaskan filamen hingga suhu di atas 2500 K berbahaya, karena tungsten sangat cepat disemprotkan pada suhu ini, dan filamen dihancurkan. Untuk mengurangi filamen sputtering, diusulkan untuk mengisi lampu dengan gas inert (argon, xenon, nitrogen) pada tekanan sekitar 0,5 atm. Hal ini memungkinkan untuk menaikkan suhu filamen menjadi 3000-3200 K. Pada suhu ini, kerapatan spektral maksimum radiasi terletak di wilayah gelombang inframerah (sekitar 1,1 mikron), sehingga semua lampu pijar modern memiliki efisiensi sedikit. lebih dari 1%.

B. pirometri optik. Hukum radiasi benda hitam di atas memungkinkan untuk menentukan suhu benda ini jika panjang gelombang diketahui λ 0 sesuai dengan maksimum kamu T(menurut hukum Wien), atau jika nilai kerapatan radiasi integral diketahui (menurut hukum Stefan-Boltzmann). Metode ini untuk menentukan suhu tubuh dengan radiasi termal di kabin I pirometri optik; mereka sangat nyaman saat mengukur sangat suhu tinggi. Karena hukum yang disebutkan hanya berlaku untuk benda yang benar-benar hitam, pirometri optik berdasarkan hukum tersebut memberikan hasil yang baik hanya ketika mengukur suhu benda yang sifatnya dekat dengan benda yang benar-benar hitam. Dalam praktiknya, ini adalah tungku pabrik, tungku peredam laboratorium, tungku boiler, dll. Pertimbangkan tiga metode untuk menentukan suhu penghasil panas:

sebuah. Metode berdasarkan hukum perpindahan Wien. Jika kita mengetahui panjang gelombang di mana kerapatan spektral maksimum radiasi turun, maka suhu benda dapat dihitung dengan menggunakan rumus (2.2).

Secara khusus, suhu di permukaan Matahari, bintang, dll ditentukan dengan cara ini.

Untuk benda non-hitam, metode ini tidak memberikan suhu tubuh yang sebenarnya; jika ada satu maksimum dalam spektrum emisi dan kami menghitung T menurut rumus (2.2), maka perhitungannya memberi kita suhu benda yang benar-benar hitam, yang memiliki distribusi energi yang hampir sama dalam spektrum seperti benda yang diuji. Dalam hal ini, kromatisitas radiasi benda hitam sempurna akan sama dengan kromatisitas radiasi yang diteliti. Suhu tubuh ini disebut temperatur warna.

Suhu warna filamen lampu pijar adalah 2700-3000 K, yang sangat dekat dengan suhu sebenarnya.

b. Metode pengukuran suhu radiasi berdasarkan pengukuran kepadatan radiasi integral tubuh R dan perhitungan suhunya menurut hukum Stefan-Boltzmann. Instrumen yang sesuai disebut pirometer radiasi.

Secara alami, jika benda yang memancar tidak sepenuhnya hitam, maka pirometer radiasi tidak akan memberikan suhu benda yang sebenarnya, tetapi akan menunjukkan suhu benda yang benar-benar hitam di mana kerapatan radiasi integral yang terakhir sama dengan radiasi integral. kepadatan benda uji. Suhu tubuh ini disebut radiasi, atau energi, suhu.

Di antara kekurangan pirometer radiasi, kami menunjukkan ketidakmungkinan menggunakannya untuk menentukan suhu benda kecil, serta pengaruh media yang terletak di antara objek dan pirometer, yang menyerap sebagian radiasi.

di. Saya metode kecerahan untuk menentukan suhu. Prinsip operasinya didasarkan pada perbandingan visual kecerahan filamen pijar lampu pirometer dengan kecerahan gambar benda uji pijar. Perangkat ini adalah spotting scope dengan lampu listrik yang ditempatkan di dalamnya, ditenagai oleh baterai. Kesetaraan yang diamati secara visual melalui filter monokromatik ditentukan oleh hilangnya gambar utas dengan latar belakang gambar benda panas. Cahaya benang diatur oleh rheostat, dan suhu ditentukan oleh skala amperemeter, lulus langsung ke suhu.

efek fotoelektrik

Efek fotolistrik ditemukan pada tahun 1887 oleh fisikawan Jerman G. Hertz dan dipelajari secara eksperimental oleh A. G. Stoletov pada tahun 1888–1890. Studi paling lengkap tentang fenomena efek fotolistrik dilakukan oleh F. Lenard pada tahun 1900. Pada saat ini, elektron telah ditemukan (1897, J. Thomson), dan menjadi jelas bahwa efek fotolistrik (atau, lebih tepatnya, efek fotolistrik eksternal) terdiri dari menarik elektron keluar dari materi di bawah pengaruh cahaya yang jatuh di atasnya.

Tata letak pengaturan eksperimental untuk mempelajari efek fotolistrik ditunjukkan pada gambar. satu.

Beras. satu

Dalam percobaan, bejana vakum kaca dengan dua elektroda logam digunakan, yang permukaannya hati-hati

dibersihkan. Tegangan diterapkan ke elektroda kamu, yang polaritasnya dapat diubah menggunakan kunci ganda. Salah satu elektroda (katoda K) disinari melalui jendela kuarsa dengan cahaya monokromatik dengan panjang gelombang tertentu . Pada fluks bercahaya konstan, ketergantungan kekuatan arus foto diambil Saya dari tegangan yang diberikan. pada gambar. Gambar 2 menunjukkan kurva khas ketergantungan seperti itu, diperoleh untuk dua nilai intensitas insiden fluks cahaya pada katoda.

Kurva menunjukkan bahwa pada tegangan positif yang cukup tinggi di anoda A, arus foto mencapai saturasi, karena semua elektron yang dikeluarkan oleh cahaya dari katoda mencapai anoda. Pengukuran yang cermat telah menunjukkan bahwa arus saturasi Saya n berbanding lurus dengan intensitas cahaya datang. Ketika tegangan melintasi anoda negatif, medan listrik antara katoda dan anoda memperlambat elektron. Anoda hanya dapat mencapai elektron yang energi kinetiknya melebihi | UE|. Jika tegangan anoda kurang dari - kamu h, arus foto berhenti. ukur kamu h, adalah mungkin untuk menentukan energi kinetik maksimum fotoelektron: ( saya 2 / 2)maksimal = UE h

Beras. satu

Yang mengejutkan para ilmuwan, nilainya kamu h ternyata tidak tergantung pada intensitas fluks cahaya yang datang. Pengukuran yang cermat telah menunjukkan bahwa potensi pemblokiran meningkat secara linier dengan meningkatnya frekuensi ν cahaya (Gbr. 3).

Banyak peneliti telah menetapkan hukum dasar efek fotolistrik berikut:

1. Energi kinetik maksimum fotoelektron meningkat secara linier dengan meningkatnya frekuensi cahaya dan tidak bergantung pada intensitasnya.

2. Untuk setiap zat ada yang disebut batas merah efek fotolistrik, yaitu frekuensi terendah min di mana efek fotolistrik eksternal masih mungkin terjadi.

3. Jumlah fotoelektron yang ditarik oleh cahaya dari katoda dalam 1 s berbanding lurus dengan intensitas cahaya.

4. Efek fotolistrik praktis tak berdaya, arus foto terjadi seketika setelah dimulainya penerangan katoda, asalkan frekuensi cahaya > min.

Semua hukum efek fotolistrik ini pada dasarnya bertentangan dengan gagasan fisika klasik tentang interaksi cahaya dengan materi. Menurut konsep gelombang, ketika berinteraksi dengan gelombang cahaya elektromagnetik, elektron harus mengumpulkan energi secara bertahap, dan akan membutuhkan waktu yang cukup lama, tergantung pada intensitas cahaya, agar elektron mengumpulkan energi yang cukup untuk terbang keluar dari katoda. . Perhitungan menunjukkan bahwa waktu ini seharusnya dihitung dalam menit atau jam. Namun, pengalaman menunjukkan bahwa fotoelektron muncul segera setelah dimulainya penerangan katoda. Dalam model ini, juga tidak mungkin untuk memahami keberadaan batas merah dari efek fotolistrik. Teori gelombang cahaya tidak dapat menjelaskan kemandirian energi fotoelektron dari intensitas fluks cahaya dan proporsionalitas energi kinetik maksimum dengan frekuensi cahaya.

Dengan demikian, teori elektromagnetik cahaya terbukti tidak mampu menjelaskan keteraturan ini.

Jalan keluar ditemukan oleh A. Einstein pada tahun 1905. Penjelasan teoretis tentang hukum efek fotolistrik yang diamati diberikan oleh Einstein berdasarkan hipotesis M. Planck bahwa cahaya dipancarkan dan diserap dalam bagian-bagian tertentu, dan energi masing-masing bagian tersebut ditentukan oleh rumus E = h v, dimana h adalah konstanta Planck. Einstein mengambil langkah berikutnya dalam pengembangan konsep kuantum. Dia sampai pada kesimpulan bahwa cahaya memiliki struktur diskontinyu (diskrit).. Gelombang elektromagnetik terdiri dari bagian-bagian yang terpisah - quanta, selanjutnya dinamakan foton. Saat berinteraksi dengan materi, foton mentransfer semua energinya h menjadi satu elektron. Sebagian dari energi ini dapat dihamburkan oleh elektron dalam tumbukan dengan atom-atom materi. Selain itu, sebagian energi elektron dihabiskan untuk mengatasi penghalang potensial pada antarmuka logam-vakum. Untuk melakukan ini, elektron harus melakukan fungsi kerja Keluar tergantung pada sifat bahan katoda. Energi kinetik maksimum yang dapat dimiliki oleh fotoelektron yang dipancarkan dari katoda ditentukan oleh hukum kekekalan energi:

Rumus ini disebut persamaan Einstein untuk efek fotolistrik.

Dengan menggunakan persamaan Einstein, seseorang dapat menjelaskan semua keteraturan efek fotolistrik eksternal. Dari persamaan Einstein, ketergantungan linier energi kinetik maksimum pada frekuensi dan kemandirian pada intensitas cahaya, keberadaan batas merah, dan inersia efek fotolistrik mengikuti. Jumlah total fotoelektron yang meninggalkan permukaan katoda dalam 1 s harus sebanding dengan jumlah foton yang jatuh pada permukaan dalam waktu yang sama. Dari sini dapat disimpulkan bahwa arus saturasi harus berbanding lurus dengan intensitas fluks cahaya. Pernyataan ini disebut hukum Stoletov.

Sebagai berikut dari persamaan Einstein, kemiringan garis lurus yang menyatakan ketergantungan potensial pemblokiran kamu h pada frekuensi (Gbr. 3), sama dengan rasio konstanta Planck h dengan muatan elektron e:

Hal ini memungkinkan untuk secara eksperimental menentukan nilai konstanta Planck. Pengukuran tersebut dilakukan pada tahun 1914 oleh R. Millikan dan memberikan persetujuan yang baik dengan nilai yang ditemukan oleh Planck. Pengukuran ini juga memungkinkan untuk menentukan fungsi kerja SEBUAH:

di mana c adalah kecepatan cahaya, cr adalah panjang gelombang yang sesuai dengan batas merah efek fotolistrik.

Untuk sebagian besar logam, fungsi kerja SEBUAH adalah beberapa elektron volt (1 eV = 1,602 10 -19 J). Dalam fisika kuantum, elektron volt sering digunakan sebagai satuan energi. Nilai konstanta Planck, dinyatakan dalam volt elektron per detik, adalah h\u003d 4.136 10 -15 eV s.

Di antara logam, unsur alkali memiliki fungsi kerja paling rendah. Misalnya natrium SEBUAH= 1,9 eV, yang sesuai dengan batas merah efek fotolistrik cr 680 nm. Oleh karena itu, senyawa logam alkali digunakan untuk membuat katoda dalam fotosel yang dirancang untuk mendeteksi cahaya tampak.

Jadi, hukum efek fotolistrik menunjukkan bahwa cahaya, ketika dipancarkan dan diserap, berperilaku seperti aliran partikel yang disebut foton atau kuanta cahaya.

Dengan demikian, doktrin cahaya, setelah menyelesaikan revolusi yang berlangsung selama dua abad, kembali ke gagasan partikel cahaya - sel darah.

Tapi ini bukan pengembalian mekanis ke teori sel Newton. Pada awal abad ke-20, menjadi jelas bahwa cahaya memiliki sifat ganda. Ketika cahaya merambat, sifat gelombangnya muncul (interferensi, difraksi, polarisasi), dan ketika berinteraksi dengan materi, sel (efek fotolistrik). Sifat ganda cahaya ini disebut dualitas gelombang-partikel. Kemudian, sifat ganda ditemukan pada elektron dan partikel elementer lainnya. Fisika klasik tidak dapat memberikan model visual kombinasi gelombang dan sifat sel dari benda-benda mikro. Gerakan benda-benda mikro tidak dikendalikan oleh hukum mekanika Newton klasik, tetapi oleh hukum mekanika kuantum. Teori radiasi benda hitam sepenuhnya, yang dikembangkan oleh M. Planck, dan teori kuantum Efek fotolistrik Einstein adalah inti dari ilmu pengetahuan modern ini.

Selain efek fotolistrik eksternal yang telah kita bahas (biasanya disebut hanya efek fotolistrik), ada juga efek fotolistrik internal yang diamati pada dielektrik dan semikonduktor. Ini terdiri dari redistribusi elektron karena aksi cahaya tingkat energi. Dalam hal ini, elektron dilepaskan di seluruh volume.

Tindakan yang disebut fotoresistor didasarkan pada efek fotolistrik internal. Jumlah pembawa arus yang terbentuk sebanding dengan fluks cahaya yang datang. Oleh karena itu, fotoresistor digunakan untuk keperluan fotometri. Selenium adalah semikonduktor pertama yang digunakan untuk tujuan ini.

Beras. 2

Di area daerah transisi atau di ambang logam dengan semikonduktor, efek fotolistrik gerbang dapat diamati. Ini terdiri dari terjadinya gaya gerak listrik (foto-ggl) di bawah aksi cahaya. pada gambar. 173 menunjukkan jalannya energi potensial elektron (kurva padat) dan lubang (kurva putus-putus) di wilayah daerah transisi. Pembawa minor untuk wilayah ini (elektron dalam R-area dan lubang di n-daerah) yang muncul di bawah aksi cahaya melewati transisi. Akibatnya, dalam p-daerah mengakumulasi kelebihan muatan positif, dalam n-daerah - kelebihan muatan negatif. Ini mengarah pada munculnya tegangan yang diterapkan pada sambungan, yang merupakan gaya gerak fotoelektro. Secara khusus, efek ini digunakan dalam pembuatan panel surya.