Денелердің жылулық сәулеленуі.
2. Мақсаты: Денелердің жылулық сәулеленуінің физикалық мағынасын түсіндіру
Дәріс жоспары:
1. Денелердің жылулық сәулеленуі.
2. Жылулық сәулеленудің сипаттамалары.
3. Қара дене.
4. Кирхгоф заңы.
5. Стефан – Больцмани заңы.
6. Виннің ығысу заңы.
3. Дәріс тезистері:
1. Денелердің жылулық сәулеленуі:Заттардың электромагниттік толқындар түрінде сәулеленуі атом және молекула ішіндегі үдерістердің жүруінен болады.Энергия көзі, соған сәйкес сәулелену де әр түрлі болады: телевизор экраны, қыздыру шамдары, суық жарық шығаратын шамдар, шіріген ағаш, жарқырауық жәндіктер және т.б.Адамның көзіне көрінетін немесе көрінбейтін электромагниттік сәулеленудің көптігінен, олардың ішінен барлық денелерге қатысты біреуін бөліп қарастырайық.Бұл қызған денелердің сәулеленуі немесе кез келген (0 К-ден жоғары) температурада болатын жылулық сәулелену. Сондықтан барлық қызған дене сәуле шығара алады.Дене температурасына байланысты сәулеленудің интенсивтілігі және спктрлік құрамы өзгереді, сондықтан кейбір жылулық сәулеленуді жарық ретінде адамның көзі қабылдай бермейді.2. Жылулық сәулеленудің сипаттамалары:2.1 Сәулеленудің ағыны «Ф» — жарық тербелісін периоды әлденеше артық болатын, уақыт ішінде сәулеленудің орташа қуаты. Өлшем бірлігі –Вт.2.2 Энергетикалық жарқырау «R» — бір шаршы метр бет шығаратын жарық ағыны. Өлшем бірлігі –Вт/м2. «λ» до «λ+ dλ» аралыққа (интервалға ) сәйкес келетін энергетикалық жарқырау аралықтың еніне пропорционал болады:dR(λ) = r(λ)dλ, мұндағы г(λ) – спектрдің тар аймағының энергетикалық жарқырауының осы аймақтың спектрлік еніне қатынасына тең болатын дененің энергетикалық жарқырауының спектралдық тығыздығы (Вт/м3). Энергетикалық жарқырауының спектралдық тығыздығының толқын ұзындығына тәуелділігін дененің сәуле шығару спектрі деп атайды.
2.3 Сәулелік энергияны жұтатын дененің қабілеттілігін жұтылыу коэффициентті сипаттайды. Жұтылыу коэффициентті деп сол дененің жұтқан жарық ағынының, оған түскен жарық ағынына қатынасын айтады:2.4 Жұтылыу коэффициенті жұтылған жарықтың толқын ұзындығына тәуелді болғандықтан, монохроматты жарық ағыны үшін монохроматты жұтылыу коэффициентті қолданылады:3. Қара дене: Жұтылыу коэффициентті «0»-ден «1»-ге дейінгі аралықтағы мәндерді қабылдайды. Әсіресе қара түсті денелер (қара қағаз, мата, күйе және т.б.) жарық сәулесін жақсы жұтады, ал ақ түсті денелер және айна тәрізді беттер нашар жұтады.Кез келген жиілікте және кез келген температурада жұтылыу коэффициентті «1»-ге тең болатын денені — қара дене деп атайды.Ол өзіне түскен барлық жарық сәулелерін барлық спектрлік аралықта (диапазонда) жұтады: α = α(λ) = 1.
Табиғатта қара дене кездеспейді. Бұл түсінік физикалық жорамал.Қара дененің моделі ретінде тар саңлауы бар қабырғалары ыстыққа төзімді материалдан жасалған тұйық қуыс жүйені қарастырады. Тар саңлау арқылы түскен сәуле жүйенің қабырғаларынан көп рет шағылып еш уақытта,оның сыртына шықпайды.Сондықтан түскен сәуле толық жұтылыды.Жұтылыу коэффициентті «1»-ден кіші және түскен жарықтың толқын ұзындығына тәуелді болмайтын денені – сұр дене деп атайды.Табиғатта сұр денелер кездеспейді, бірақ белгілі бір толқын ұзындығының аралығында кейбір денелер сұр дене сияқты жарық сәулесін жұтады және шығарады. Мысалы, адам денесін, жұтылыу коэффициентті «0,9»- ға тең спектрдің инфрақызыл бөлігі үшін сұр дене деп қарастыруға болады.4. Кирхгоф заңы: Жарықтың жұтылуы мен шығарылыуының арасындағы сандық байланысты Кирхгоф анықтады: бірдей температурада энергетикалық жарқыраудың спектрлік тығыздығының жұтылудың монохроматты коэффициентіне қатынасы кез-келген дене үшін бірдей болады және ол сол температурада қара дененің энергетикалық жарқырауының спектрлік тығыздығыныңа тең болады:мұндағы ε(λ)- қара дененің энергетикалық жарқырауының спектрлік тығыздығы.Кирхгоф заңы: яғни кез-келген дененің энергетикалық жарқырауының спектрлік тығыздығының жұтылудың монохроматты коэффициентіне қатынасы, сол температурадағы қара дененің энергетикалық жарқырауының спектрлік тығыздығыныңа тең болады.
5. Стефан – Больцман заңы:Қара дененің шығару спектрі тұтас болады. Әр түрлі температурадағы шығару спектрінің сызбасының түрлері: Бүл тәжірибе жолымен алынған қисықтардан бірнеше қортынды жасауға болады.Температура жоғарылаған сайын қысқа толқын ұзындығына қарай ығысатын энергетикалық жарқыраудың спектрлік тығыздығының ең жоғарғы мәні болады. Стефан—Больцман заңы:Re = σT4 — қара дененің энергетикалық жарқырауы, оның термодинамикалық температурасының төртінші дәрежесіне пропорционал болады.Мұндағы «σ» — шамасын Стефан –Больцман тұрақтысы деп атайды. Сұр дене үшін α(λ) = α болғандықтан: R = αRe = ασT4 Стефан –Больцман заңын әр түрлі денелерді (пеш, электр пеші, балқыған металл және т.б.) қыздыру арқылы көрсетуге болады: Олардың температурасы артқан сайын сәуле шығарудың интенсивтілігі артады.6. Виннің ығысу заңы:λm = b/T, мұндағы λm – қара дененің энергетикалық жарқырауының спектрлік тығыздығына сәйкес келетін ең көп (max) толқын ұзындығы, b = 0,28978 • 10-2 (м • К) — Вин тұрақтысы.Бұл заң сұр дене үшін де орындалады.Вин заңының байқалуы: Бөлме температурасында жылулық сәулелену инфра қызыл аймаққа сәйкес келетіндіктен адамның көзі сезе алмайды. Егер температура артса, онда дене қоңыр-қызыл, ал өте жоғары температурада, ақ-көгілдір реңді жарық шығарады. Бұл кезде де дененің қызғаны сезіледі.Стефан-Больцмана және Вин заңдары жарық шығарудың сипаттамаларын өлшей отырп, оның температурасын анықтауға мүмкіндік береді (оптикалық пирометрия).
4. Иллюстрациялы материалдар: Презентация, слайдтар.
5. Әдебиет:
1. Көшенов Б. Медициналық биофизика: оқулық – Алматы, 2008 ж.
2. Көшенов Б.Медициналық биофизикадан зертханалық жұмыстар: оқу-әдістемелік құрал.-2 бас.,өңделіп толықтырылған.- .-Алматы: Эверо, 2010
3. Сәтбаева Х.К., Өтепбергенов А.А., Нілдібаева Ж.Б. Адам физиологиясы. Алматы.: Дәуір, 2005 – 663 бет.
4. Канкожа М.К. Қозғыш ұлпалар физиологиясы. Алматы, 2004. – 78 бет.
Арызханов Б. Биологиялық физика, Алматы, 1990.
5. Әдіқасова ,-А.Ә. жалпы физика курсының семестрлік тапсырмалары:оқу құралы .-Алматы: Эверо, 2009.-112 бет
6. Физикалық тәжірбиелер ; жоғарғы оқу орындарының студенттеріне арналған құрал. – Алматы: Рауан ,1993.
7. Ү.А. Байзак, Қ.Ж. Құдабаев «Медициналық биофизика және медициналық техника бойынша лабораториялық практикум»
6. Қорытынды сұрақтары (кері байланысы):
1. Қандай дене қара дене деп аталады? 2. Стефан-Больцман заңында қандай тәуелділік орын алады?