10 КЛАС МАТЕРИАЛИ

ТОПЛИННО ИЗЛЪЧВАНЕ
При ниско напрежение жичката на електрическата лампа свети червено-оранжево. При повишаване на напрежението жичката на електрическата лампа започва да свети все по ярко, докато започне да излъчва бяла светлина.
ИЗВОД: Цветът (дължината на вълната или честотата) на излъчената от лампата с нагреваема жичка светлина зависи от температурата. Т.е спектърът на излъчване се мени с температурата.
ВАЖНО!!! Класическата физика НЕ може да обясни този резултат!!! Всички опити на лорд Рейли, за прилагане на класическата физика водят до противоречие с експеримента и предричат т.нар. ултравиолетова катастрофа -това е неограниченото нарастване на излъчената енергия при скъсяване на дължината на вълната!
2. Решаване на противоречието. Разработките на Макс Планк – полагане на основите на квантовата Физика.

Макс Карл Ернст Лудвиг Планк – брилянтен немски физик, роден на 23.04.1858г. в Киел, Германия. Баща му е професор по конституционно право в университета в Киел. Първите работи на Макс Планк се отнасят до термодинамиката. Той полага основите на квантовата теория, като конкретно се занимава с излъчването на абсолютно черно тяло и обяснение на спектъра му. През 1918 г. Макс Планк получава нобелова награда по физика за обяснение на спектъра на излъчване на абсолютно черно тяло. Макс Планк има пет деца, три от които умират много млади. Един от останалите му двама сина е бил екзекутиран по политически причини, за опита си да убие Хитлер през 1944г. Макс Планк преживява тежко тази трагедия и умира в Гьотинген на 04.10.1947г.

3. Закон на Стефан-Болцман.
3.1 Абсолютно черно тяло. Черно ли е абсолютното черно тяло???

Абсолютно черно се нарича тяло, което изцяло поглъща попадналото върху него електромагнитно лъчение.
ВНИМАНИЕ!!! Това, че поглъща цялото електромагнитно лъчение НЕ пречи на абсолютно черното тяло да излъчва. В същност абсолютно черното тяло е идеален излъчвател.
3.2 Примери.
СЛЪНЦЕТО , звездите, мъглявините и др.космически обекти
3.3 Формулировка на закона на Стефан-Болцман.

През 1879г. австрийският физик Йозеф Стефан експериментално установява, а по същото време теоритично е описано от Лудвиг Болцман, че мощността на топлинното излъчване (енергията излъчена за единица време) на абсолютно черно тяло е правопропорционална на площта S на тялото и на четвъртата степен на абсолютната му температура T.
Константата σ се нарича константа на Стефан-Болцман. .

3.3 Формулировка на закона на Стефан-Болцман.
През 1879г. австрийският физик Йозеф Стефан експериментално установява, а по същото време теоритично е описано от Лудвиг Болцман, че мощността на топлинното излъчване (енергията излъчена за единица време) на абсолютно черно тяло е правопропорционална на площта S на тялото и на четвъртата степен на абсолютната му температура T.
Константата σ се нарича константа на Стефан-Болцман.
Зад.1. Изразете интензитета на излъченото електромагнитно лъчение от абсолютно черно тяло чрез σ и T.

4. Спектър на топлинното излъчване на абсолютно черно тяло. Закон на Вин.
4.1 Спектър на топлинното излъчване.

През XIX в. физиците установяват, че интензитета на топлинното излъчване на абсолютно черно тяло зависи единствено от абсолютната му температура T и от дължината на вълната λ. Излъчената енергия от абсолютно черно тяло при дадена температура T е правопропорционално на площта, заградена от кривата при дадената температура. Излъчената енергия нараства при увеличаване на температурата на абсолютното черно тяло.
4.2 Закон на Вин.

През 1893г. немският физик Вилхелм Вин установява връзката между дължината на вълната λmax, съответстваща на максимума на интензитета в спектъра на абсолютното черно тяло и абсолютната му температура T.
λmax.T=const=2,9.10-3m.K
Зад.2. На картинката е представен спектъра на излъчване на звезда (абсолютно черно тяло). Каква е температурата на звездата?


5. Хипотеза на Планк.
Макс Планк изказва принципно нова хипотеза, че електромагнитната енергия НЕ се излъчва от атомите и молекулите непрекъснато, а на отделни порции, наречени КВАНТИ!!! Енергията на един квант електромагнитно лъчение с честота ν се дава от формулата на Планк:
E=h.ν
h е константа, чиято числена стойност е h=6,63.10-34J.s и се нарича константа на Планк.
ЗАДАЧИ
1.зад. Специален вид 100W-тови електрически лампи имат площ на високотемпературната нагреваемата жичка S=3,00.10-2cm2.
Каква е работната температура на този вид електрически лампи? Константата на Стефан-Болцман е 428.10.67,5KmW−=σ.
(4,92.103)0K
2.зад. Нормалната телесна температура на заека, показан на картинката е 420С.
Как ще се измени мощността на топлинното излъчване на заека, ако на слънце той се нагрее до 500С?
нараства 1,1 пъти.
3.зад. В резултат на охлаждане мощността на топлиното излъчване на абсолютно черно тяло с формата на куб със страна 10,0cm намалява с 10002mW, като температурата на тялото достига 9000К.
Каква е била първоначалната температура на тялото? Константата на Стефан-Болцман е 428.10.67,5KmW−=σ.
9870K
4.зад. Нормалната телесна температура на човешкото тяло, включително и на окото е 370С.
Като приемете окото за абсолютно черно тяло, то при каква дължина на вълната се намира максимумът на интензитета на излъчването му?
9,4μm
5.зад. Тренирано око, което дълго време е било на тъмнина, възприема като непрекъснат светлинен сигнал 100 кванта в секунда, при дължина на вълната λ=550nm.
Какво количество енергия попада в окото всяка секунда? Константата на Планк е h=6,63.10-34J.s.
3,62.10-17W
6.зад. В рентгеново отделение рентгеновата тръба работи при напрежение U=62000V.
Каква е късовълновата граница на излъчените рентгенови лъчи? Зарядът на електрона е e=1,60.10-19C, а константата на Планк е h=6,63.10-34J.s.
Упътване: В рентгеновата тръба електроните придобиват максимална енергия E=e.U (това е енергията, която придобива всеки електрон), която при удар на електроните в анода се превръща в енергия на избитите от тях кванти, които ние регистрираме като рентгеново лъчение. Максималната енергия на един квант е E=h.νmax, където νmax е максималната честота на излъчената електромагнитна вълна, която съответства на минимална дължина на вълната λmin.
0,0200nm

ИНФРАЧЕРВЕНИ,УЛТРАВИОЛЕТОВИ И РЕНТГЕНОВИ ЛЪЧИ
Откритие -Те са открити преди повече от стогодини на 8 ноември 1895 от Вилхелм Конрад Ръонтген роден на 27 март 1845г.в Ремщед,Германия изатова носят неговото име. Той е първият физик, който е получил Нобелова награда заоткритието на рентгеновите лъчи, което поставило началото на нова ера в развитието намодерната физика и открило нови хоризонти в медицината.Той изследвалеластичността на телата, капилярните свойства на някой течности, специфичната топлина на газовете ,пренасяне натоплина в кристали и поглъщане на топлина от газове.

• Изследванията на Вилхелм Конрад Ръонтген - Докато експериментирал с поток от електрони в евакуирана тръба,той забелязал,че парче бариев платино –цианид поставено на близо започнало да излъчва светлина докато тръбата работела.
  

Той предположил,че когатоелектроните в тръбата се сблъскат със стъкления й корпус,се образува някакъвнеизвестен вид радиация,който преминава през стаята и когато облъчва бариевиятплатино –цианид причинява флуоресценцията. Ръонтген открил че новият видлъчение осветява фотографската плака,но не проявява други характерни свойстваза светлина като отражение и пречупване и затова той погрешно заключил,че тоняма връзка със светлината.Той ги нарекъл Х-лъчи(изключителни,странни лъчи),нопо късно станали известни като Рентгенови лъчи.Той направил първите рентгеновиснимки на вътрешната структура на металните обекти и на костите в ръката нажена си.
Рентгеново лъчение-това е невидимоелектромагнитно лъчение с дължина на вълната λ от 10-5 до 102 nm (междуултравиолетовото и гама-лъчението). Рентгеновото лъчение с λ < 0,2 nm сенарича твърдо, а с λ > 0,2 nm - меко. Излъчва се при забавяне на бързиелектрони във веществото (непрекъснат спектър) и при преходи на електрони навътрешни електронни обвивки (линеен спектър). Прониква през някои непрозрачниза видимото лъчение материали. Приложение - в рентгеновия структурен анализ,медицината, дефектоскопията.Рентгеновото излъчване се получава,когато металнатамишена се бомбардира от електрони с голяма кинетична енергия.За тази цел сеизползват устройства наречени рентгенови тръби.
Откриване на ултравиолетовите лъчи- През 1801г.Йохан Ритер, независимо от англичанина У.Х.Уоластън открива невидими зачовешкото око лъчи, намиращи се непосредствено до виолетовата част на видимияспектър, които подобно на останалите познати видими лъчения се отразяват ипречупват. По-късно се изяснява, че тези лъчи, наречени ултравиолетови, заематедна твърде обширна зона от оптическата част на спектъра на електромагнитнитевълни, граничеща с рентгеновите лъчи. Ултравиолетовотолъчение е разновидност на лъчистата енергия, което има дължина на въл ната от 9до 400 nm.
През 1800 г. английският физик иастраном Уилям Хершел изслезвал с чувствителен термометър топлинното деиствиена отделните части от спектъра на бялата светлина и установил, че термометъратпоказва най-висока температура в областта след червената светлина. Товапоказва, че в тази невизима за човеското око област има лъчи. Те са наречениинфрачервени(подчервени) лъчи. Инфрачервените лъчи(ИЧЛ) са електромагнитнивълни с дължина на вълната от 770nm до 340µn. Източниците на ИЧЛ са нагретитела. Над 70% от излъчването на Слънцето и 90% от излъчването на лампата снажежена жичка. Видът на източника определя спектът на ИЧЛ. Той може да бъделинеен, ивечен и непрекъснат. ИЧЛ пренасят енергия, която силно нагрява телата,върху които падат. Тово тяхо действие се използва за регистрирането им. ИЧЛ серазсейват слабо от среди, съдържащи прах.
През 1801 г. английският физикУоластън и немският физик Ритер като изследват химичното въздействие наелектроматгнитните вълни от спектъра на бялата светлина установяват, чефотографската плака почернява най-силно след виолетовата ивица. Това показва,че в тази невизима за човеското око област има лъчи. Те са наречениултравиолетови (надвиолетови) лъчи. Ултравиолетовите лъчи(УВЛ) саелектромагнитни вълни с дължина на вълната от 10 nm до 380 nm. Над 90% отлъчението на живачната газоразрядна лампа е ултравиолетово. Спектът на УВЛ същоможе да бъде линеен, ивечен и непрекъснат в зависимост от източника.Обикновенното стъкло силно поглъща УВЛ, а кварцовото-слабо. Най- мощенестествен източник на ултравиолетовото лъчение е Слънцето. Поради голямоторазсейване на ултравиолетовите лъчи в земната атмосфера до земната повърхностдостигат само 5% от дълговълновата зона на слънчевото ултравиолетово лъчение сдължина на вълната на места с по-голяма надморска височина до 290 nm, а за тези, които са по-близко до морското равнище – до 300 nm. Земната атмосферапропуска 70 % от ултравиолетовите лъчи при дължина на вълната 400 nm, а задължина на вълната 200 nm – 5%. По – късовълновите ултравиолетовите лъчи сепоглъщат напълно от озона, който е в относително по-голямо количество в стратосферата.Количеството на ултравиолетовата радиация при земната повърхност зависи отположението на Слънцето над хоризонта. Колкото положението на слънцето е по-близко до хоризонта, толкова слънчевата радиация е по – бедна на късовълновилъчения.
· Медицина -Светлолечение
Светлолечението е раздел нафизикалната терапия, който обхваща приложението на инфрачервените (ИЧ),видимите (ВЛ) и ултравиолетовите лъчи (УВЛ) от светлинния спектър за лечебни ипрофилактични цели.
Носителите на по-голяма квант енергия – УВЛ – водят до по-значително нарушаванена енергийното равновесие на молекулата, която изпада в електронно-възбуденосъстояние на по-високо енергийно ниво, респ. до избиване на електрон, т.е.предизвиква се фотоелектричен ефект. В това състояние на възбуда органичнатамолекула влиза по-лесно във фотохимични реакции.
Докато при въздействие с ИЧ и ВЛ се образува топлина под въздействието на УВЛсе отключват фотохимични реакции, които са начални звена за редица биохимични ибиологични процеси в живия организъм.
Биологично действие оказва само погълнатата енергия. Дълбочината на проникванена светлинната енергия зависи от дължината на вълната и оптичните свойства насредата. УВ лъчи проникват, в зависимост от дължината на вълната, от 0,1 до 0,6mm.
Независимо от вида му, всеки фотобиологичен процес може да се представи съсследната схема:
поглъщане на квант светлина →фотохимична реакция → физиологичен акт.

-Защита от вредното въздействие наУВ- Необходимо е също очите да се пазят от облъчване, за да се избягнатсериозни увреждания от яркостта на ксеноновата лампа, която е твърде голяма(яркостта на лампа с мощност 20 kW достига 1010 cd/m2).
Спектърът на UV светлина отизкуствените източници се различава от спектъра на слънчевото UV лъчение.Атмосферата пропуска най-много UV лъчи с по-голяма дължина на вълната, докатоспектърът на UV лампи съдържа лъчение и от трите зони. Зотова лечението ипрофилактиката с изкуствена UV светлина изисква по-голяма предпазливост.Преоблъчването е свързано с риск от увреждания на кожата (изгаряния, рак), нароговицата и лещата на очите (катаракта) и на имунната система. UV светлина сепоглъща главно в роговицата и лещата и не достига до ретината

- Лъчите от ултравиолетовия диапазон притежаватизразена биологична активност и могат да имат вредно въздействие, но взависимост от продължителността и интензивността на облъчването. Долнататаблица представя някои по-важните характеристики на UV лъчите от слънчевияспектър. В последните години се говори все повече за вредата от слънчевителъчи. Това е продиктувано от напредването на научните изследвания в тази област(особено проучванията върху рака на кожата), а също така от всепо-разрастващият се екологичен проблем, свързан с намаляването на озоновия слойестествен мощен филтър на вредните слънчеви лъчения. Доскоро се считаше, че УВЛ(именно те се използват при солариумите) са напълно безвредни, но тези лъчи,именно поради по-дълбокото си проникване в кожата, допринасят за т.нар.хронично слънчево увреждане, по-бързото стареене на кожата, появата на бръчки.Те са отговорни и за острото слънчево увреждане на кожата, известно катослънчево изгаряне. Носителите на по-голяма квант енергия – УВЛ – водят допо-значително нарушаване на енергийното равновесие на молекулата, която изпадав електронно-възбудено състояние на по-високо енергийно ниво, респ. до избиванена електрон, т.е. предизвиква се фотоелектричен ефект. В това състояние навъзбуда органичната молекула влиза по-лесно във фотохимични реакции.физиологичен акт. Ултравиолетовите лъчи, приложени върху телесен участък,отключват първата реакция от страна на кожата, наречена – erythema fotoelectrica. Основните кожни реакции не са еднакво интензивни за всички части натялото. Карциногенезата, т.е.образуването на рак (в случая на кожата), сесвързва със способността на UVB-лъчите да нарушават строежа на ДНК-структурите(носещи генетичния материал отговорен за правилното възпроизводство наклетките) в клетките на кожата. При попадането си върху кожата UV-лъчите сеабсорбират в зависимост от дължината на вълната си от различини молекули ДНК,белтъчни, мастни, водни и др., които имат фоточувствителност към съответнатадължина на вълната. При абсорбиране на UV-лъчите от биологичните молекулизапочва каскада от фотохимични реакции, водеща до продукцията на вторичнибиологично активни вещества, някои от които имат пряк токсичен за клеткатаефект. Такива са например свободните радикали, а други са фактори на възпалителнияпроцес и предизвикват реакция на мястото на поражението. Прекомерното излаганена въздействието на слънчевите UV-лъчи води и до промени в имунната функция накожата. Известно е, че кожата на някои е по-чувствителна към слънчевите лъчи,по-трудно почернява и е по-податлива на слънчево изгаряне. Това обикновено сахората с по-светла кожа. Тези с по-тъмна кожа по-трудно изгарят и по-леснопочерняват. На съвременните слънцезащитни продукти винаги трябва да бъдеотбелязан коефициентът на слънцезащитния фактор SPF Т.е., ако вашата кожаобикновено изгаря при излагане на интензивно слънце за 10 мин., то, приприлагане на продукт с SPF 15, ще можете да останете на слънце без риск отизгаряне 150 мин. Ползата от тези лъчи е свързана с образуването на витаминD(Разтворим в мазнини. Идва от слънчевата светлина или от храната.Ултравиолетовите лъчи оказват въздействие върху мазнините на кожата,произвеждащи този витамин, който след това се поема в тялото. При перораленприем витамин D се абсорбира заедно с мазнините през чревните стени. Смогътпречи на продуциращите витамин D слънчеви лъчи. Слънчевият загар спирапроизводството на витамин D чрез кожата. Допринася за правилнотооползотворяване на калция и фосфора. Необходим е за здравината накостите изъбите. В комбинация с витамин А и С може да помогне за предпазване отнастинки. Болестите при недостиг са Рахит, тежки форми на загниване на зъбите,остеомалация (размекване на костната тъкан). При някои хора съществува вроденанеспособност за изработване на меланин. Те се наричат албиноси. Кожата им лесносе възпалява дори и ако за съвсем кратко време са изложени на слънце.