6.5. Оптическая пирометрия и тепловые источники света

Законы теплового излучения используются для измерения температуры рас­каленных и самосветящихся тел (например, звезд). Методы измерения вы­соких температур с зависимостью спектральной плотности энергетической светимости или интегральной энергетической светимости тел от температуры называются оптической пирометрией, а приборы предназначенные для этих целей, - пирометрами. В зависимости от того, какой закон теп­лового излучения применяется, различают радиационную, цветовую и яркостную температуры тел.

1. Радиационная температура- это такая температура черного тела, при которой его энергетическая светимость Re равна энергетической светимоcти Rт исследуемого тела. В данном случае регистрируется энергетическая светимость исследуемого тела, и по закону Стефана-Больцмана (6.6) вычисляется его радиационная температура:

. (6.11)

2. Цветовая температура. Для серых тел (или тел близких к ним по свойствам) спектральная плотность энергетической светимости

R_,т = А_т r_,т ,

где Ат = const < 1. Следовательно, распределение энергии в спектре из­лучения серого тела такое же, как и в спектре черного тела, имеющего ту же температуру. Поэтому к серым телам применим закон Вина, т.е., знàя длину волны max, соответствующую максимальной спектральной плотности энергетической светимости R_,Т исследуемого тела, можно определить его температуру

,

которая называется цветовой температурой; для серых тел цветовая темпе­ратура совпадает с истинной. Для тел, сильно отличающихся от серых, понятие цветовой температуры теряет смысл. Таким способом определяется темпера­тура на поверхности Солнца (Тц  6500 К) и звезд.

3. Яркостная температура. Это температура черного тела, при ко­торой для определенной длины волны его спектральная плотность

энергети­ческой светимости равна спектральной плотности

энергетической светимости исследуемого тела, т.е.

r _,Т = R_,_т, (6.12)

где Т - истинная температура тела.

В качестве яркостного пирометра обычно используется пирометр с исчезающей нитью, накал которой подбирается таким, чтобы выполнялось условие (6.12). В данном случае изображение становится неразличимым на фоне поверхности раскаленного тела, т.е. нить как бы "исчезает". Используя проградуированный по черному телу миллиамперметр, можно определить яркостную температуру. Зная поглощательную способность А_,т тела при той же длине волны, по яркостной температуре можно определить истинную.

6.6. Виды фотоэлектрического эффекта. Законы внешнего фотоэффекта

Гипотеза Планка, блестяще решившая задачу теплового излучения черного тела, получила подтверждение и дальнейшее развитие при объяснении фо­тоэффекта - явления, открытие и исследование которого сыграло важную роль в становлении квантовой теории.

Различают фотоэффект внешний, внутренний и вентильный. Внешним называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а так же газах на отдельных атомах и молекулах. Обнаружен Г. Герцем (1887 г.), наблюдавшим усиление процесса разряда при облучении искрового промежутка ультрафиолетовым излучением. Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученым А.Г. Столетовым (рис. 33). Два электрода (катод K из исследуемого ме­талла и анод А - в схеме металлическая сетка) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра R можно измерять не только значение, но и знак подаваемого на них напря­жения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом, измеряется включенным в цепь миллиамперметром. Облучая катод светом волн различной длины, Столетов установил следующие закономерности, не утра­тившие своего значения до нашего времени: 1) наиболее эффективное дей­ствие оказывает ультрафиолетовое излучение; 2) под действием света ве­щество теряет только отрицательные заряды; 3) сила тока, возникающего под действием света, прямо пропорциональна его интенсивности.

Измерения Дж. Томсоном в 1898 г. удельного заряда показали, что под действием све­та вырываются электроны.

Внутренний фотоэффект - это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. В результате концентрация но­сителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или ди­электрика при его освещении) или э.д.с.

Вентильный фотоэффект - возникновение э.д.с. (фото - э.д.с.) при ос­вещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и ме­талла (при отсутствии внешнего электрического поля). Он открывает пути для прямого преобразова­ния солнечной энергии в электрическую.

На рис.33 приведена экспериментальная установка для исследования вольт – амперной характеристики фотоэффекта - зависимости фототока , об­разуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от U между электродами. Такая зависимость, соответствующая двум различ­ным освещенностям Ее катода, приведена на рис.34. По мере уве­личения U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное зна­чение Iмас – фототок насыщения - определяется таким значением U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:

,

где n - число электронов, испускаемых катодом в 1 с.

Рис. 34

Из вольт - амперной характеристики следует, что при U = 0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью V , а значит, и отличной от нуля кинетической энергией и могут достигнуть анода без внешнего поля. Для того чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U₀. При U = U₀ ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью V_max, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода, следовательно,

, (6.13)

т.е. измерив задерживающее напряжение U₀, можно определить максимальные значения скорости и кинетической энергии фотоэлектронов.

После изучения вольт - амперных характеристик разнообразных материалов (важна чистота поверхности, поэтому измерения проводятся в вакууме и на свежих поверхностях) при различных частотах падающего на катод излучения и различных энергетических освещенностях катода и обобщения полученных данных были установлены следующие три закона внешнего фотоэффекта.

1. Закон Столетова. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света.

2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой , а именно: линейно возрастает с увеличением частоты.

3. Для каждого вещества существует "красная граница" фотоэффекта, т.е. минимальная частота ₀ света, при которой свет любой интенсивности фотоэффекта не вызывает.

Качественное объяснение фотоэффекта с точки зрения волновой теории, на первый взгляд, не должно было бы представлять трудностей. Действительно, под действием поля световой волны в металле возникают вынужденные колебания электронов, амплитуда которых может быть достаточной для того чтобы электроны покинули металл; тогда и наблюдается фотоэффект. Кинетическая энергия, с которой электрон вырывается из металла, должна была бы зависеть от интенсивности падающего света, т.к. с увеличением последней электрону передавалась бы большая энергия. Однако этот вывод противоречит 2-му закону фотоэффекта. Так как, по волновой теории энергия, передаваемая электронам, пропорциональна интенсивности света, то свет любой частоты, но достаточно большой интенсивности должен был бы вырывать электроны из металла; иными словами, "красной" границы фотоэффекта не должно быть, что противоречит 3-му закону фотоэффекта. Кроме того, волновая теория не смогла объяснить безынерционность фотоэффекта, установленную опытами. Таким образом, фотоэффект необъясним с точки зрения волновой теории света.