إشعاع الجسم الأسود
قبل أن نبدأ الحديث عن إشعاع الجسم الأسود ، دعونا نجري مراجعة موجزة للإشعاع الكهرومغناطيسي. يعطينا الفيديو التالي ملخصًا رائعًا عن الإشعاع الكهرومغناطيسي.
تلخيص لما سبق: الاشعاع الكهرومغناطيسي هو التعريف المعطى للموجات التي تنتشر في الفراغ أو في الهواء بسرعة 300000 كم / ثانية ، أي مع سرعة الضوء (ج) ، وهي أيضًا الاشعاع الكهرومغناطيسي. خاصية أخرى للموجات الكهرومغناطيسية هي القدرة على حمل الطاقة والمعلومات. كما هو موضح في الفيديو أعلاه ، يمكن لأعيننا فقط رؤية نطاق معين من الطيف الكهرومغناطيسي والذي يسمى "نطاق الطيف المرئي".
ينتشر الإشعاع الكهرومغناطيسي كما هو مذكور في الفيديو أيضًا كموجة وموجة يحتوي على مكونات كهربائية ومغناطيسية كما هو موضح في المراجعة الخاصة بالكهرومغناطيسية. يتم الحصول على سرعة هذه الموجات من خلال:
حيث v هي سرعة الموجة ، و هي الطول الموجي و f التردد الذي تتأرجح عنده هذه الموجة.
كلما زاد التردد ، كلما كان الطول الموجي أقصر وطول الموجة ، كلما انخفض التردد ، أي أن التردد وطول الموجة يتناسبان عكسياً إذا زاد أحدهما يجب أن ينقص الآخر والعكس صحيح. انظر في الصورة.
الطول الموجي
العلاقة بين التردد والطول الموجي
بعد هذه المراجعة الموجزة ، ما علاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي بإشعاع الجسم الأسود؟ الجواب بسيط! لديها كل شيء ، كما يقول الاسم "إشعاع" كل جسم يشع له علاقة بالموجات الكهرومغناطيسية. في حالة إشعاع الجسم الأسود ، كانت هناك مشكلة نظرية لا يستطيع الفيزيائيون تفسيرها. وما هو الجسم الأسود على أي حال؟ الجسم الأسود هو جسم افتراضي (نظري) يمتص ويبعث الإشعاع بجميع الأطوال الموجية بطريقة شبه مثالية (مثالية) ، بمعنى آخر ، يمتص الجسم الأسود ويطلق جميع أنواع الإشعاع التي تسقط عليه.
وفقًا للنظرية الكلاسيكية ، النظرية التي حكمت الفيزياء في ذلك الوقت قال إنه كلما ارتفعت درجة حرارة الجسم ، كلما كان طوله الموجي أقصر ، وبالتالي سيكون له تردد عالٍ ، لكن النظرية قالت إنه كلما زادت درجة الحرارة ، تميل الطاقة المشعة إلى لانهائي (قيمته ستقترب من اللانهاية). طاقة قريبة من اللانهاية؟ هذا لا معنى له في أي ظاهرة فيزيائية حقيقية ...
النتيجة النظرية التي وجدها الفيزيائيون لم تحدث في الواقع مع التجربة ، أي أن هناك شيئًا خاطئًا في النظرية ولم يتمكن الفيزيائيون في ذلك الوقت من تحديد سبب وما هو مفقود من النظرية. أصبحت هذه الحلقة معروفة باسم "كارثة الأشعة فوق البنفسجية". انظر ال الرسم!
يوضح الرسم البياني علاقة الإشعاع المنبعث (R) مع علاقة التردد (ν)
في عام 1900 درس الفيزيائي ماكس بلانك النظرية بعمق من أجل حل مشكلة الكارثة فوق البنفسجية. أمضى بلانك عمليًا 5 سنوات في دراسة الموضوع ، وبينما كان يائسًا من حل المشكلة ، افترض أن الإشعاع المنبعث لم يكن مستمرًا ولكنه انبعث من حزم منفصلة من الطاقة ، وهو ما يتناقض تمامًا مع النظرية الكلاسيكية التي قالت إن الإشعاع المنبعث سيستمر .
ماكس بلانك ، بعد أن أثبت تجريبياً أن الطاقة انبعثت بالفعل في حزم ، أجرى تعديلات على النظرية التي يظهر عليها الرسم البياني أدناه في هذه الرسوم المتحركة Phet. تعامل مع الشريط الموجود على الجانب الأيمن من درجة الحرارة ولاحظ أنه بغض النظر عن درجة حرارة الجسم ، فلا يزال هناك جزء منه مشكلة في طيف الضوء مرئي . كان هذا هو التصحيح الذي تم إجراؤه على النظرية التي تم إجراؤها بلانك متماسك مع التجارب التي أجريت على إشعاع الجسم الأسود. ولاحظ أيضًا أنه مع زيادة درجة الحرارة ، يزداد أيضًا الطول الموجي على المحور الأفقي للرسم البياني ، وهذا يمثل تغير لون الضوء الموضح أعلى الرسم البياني.
Max Planck بعد أن أثبت تجريبياً أن الطاقة تنبعث بالفعل في حزم ، أجرى تعديلات على النظرية التي رسمها الرسم البياني أدناه الموضح في هذه الرسوم المتحركة Phet والتي هي الموصوفة بالمعادلة التالية.
حيث (ح) هو ثابت اللوح ، (λ) هو الطول الموجي ، (ج) سرعة الضوء في الفراغ ، (ك) - ثابت ستيفان بولتزمان و (T) هي درجة الحرارة المطلقة.
بالنسبة إلى Plank كان قادرًا على إجراء هذا التعديل ، من خلال البيانات التجريبية تمكن من العثور على أحد الثوابت الأساسية للطبيعة ، والتي أسماها في his_cc781905-5cde-3194 - bb3b-136bad5cf58d_إجلال أو بيعة أو احترام يستخدم في المعادلة أعلاه لتصحيح النظرية الكلاسيكية كما تمت مناقشته:
يوجد أيضًا شكله المختصر ، المعروف باسم h "قص "أو" مائلة "ح:
لذلك مع هذا التصحيح الذي اقترحه Max Plank أن انبعاث الإشعاع بواسطة الأجسام الساخنة لم يكن مستمرًا ولكنه ينبعث من رزم صغيرة مضاعفات من ثابت h. لدينا التصحيح اللازم للنظرية كما هو موضح في الرسم البياني أدناه .
Graph يوضح علاقة الإشعاع المنبعث (u (λ)) فيما يتعلق بطول الموجة (λ)
السؤال الذي يدور في ذهنك الآن والذي ربما كان يدور في أذهان علماء الفيزياء أيضًا في ذلك الوقت ، إذا كانت البيانات النظرية لقانون رايلي جينز (النظرية الكلاسيكية) _cc781905-5cde-3194- bb3b- 136bad5cf58d_ لا تتطابق مع نتائج التجربة ، لذا يجب إهمالها تمامًا ، لأنها خطأ!
No! النقطة المهمة هي أنه بالنسبة للأجسام ذات درجات الحرارة العالية جدًا ، بالنسبة للطاقة ser صادر يتناسب بشدة مع درجة الحرارة ، يتناقص الطول الموجي أكثر فأكثر ، أي تردد the لوح increases. والنمذجة التي قام بها Rayleigh-Jeans فشلت عند التعامل مع أطوال موجية صغيرة جدًا ، مما أدى إلى تلك النتائج السخيفة التي تم الحصول عليها قبل تصحيح Max Plank. لا تزال نظرية Rayleigh-Jeans مفيدة ، ولكن فقط للأطوال الموجية الكبيرة بما يكفي حيث لا تعطي الحسابات نتائج مثل (∞). _ cc781905-5cde-3194-bb3b-136bad5cf58d_
E في الواقع ، إذا أردنا مقارنة النمذجة الرياضية بين نظرية Rayleigh-Jeans الكلاسيكية والنظرية يمكننا أن نرى أنهم متماثلون عمليًا باستثناء عامل التصحيح الذي أجراه بلانك.
- قانون رايلي-جينز -
- قانون ماكس بلانك -
عامل تصحيح اللوح الخشبي
عامل رايلي جينز
وهذا يخبرنا أن معادلةرايلي جينزمفيد فقط للحسابدرجة حرارة الأجسام الساخنة نسبيًا، وأن لديهم ملفالطول الموجي الطويل، لكنقانون بلانكهي بالفعل حالة أكثر عمومية ، لأنها تجعل من الممكن حسابدرجة حرارة الأجسام الساخنة والحارة للغاية أيضًا، وهو ما فشلت النظرية الكلاسيكية في القيام به ، بسببأجسام شديدة الحرارة يكون الطول الموجي المنبعث قصيرًا جدًا، على سبيل المثال في نطاق الطيف فوق البنفسجي ، والذي سيكون غير مرئى بالعين المجردة ، لا يزال بإمكاننا رؤية الجسم بدرجات حرارة عالية بما يكفي تضيء وتنبعث إشعاعات حتى تصل إلى أطوال موجية ضمن هذا الطيف.
الذي يقودنا إلى القانون الأخير للتوضيح ، يحترم قانون بلانك علاقة مهمة لفهم الانبعاث الطيفي للأجسام في درجات حرارة عالية. إذا نظرنا إلى الرسم البياني أدناه ، يمكننا أن نرى أنه على الرغم من زيادة درجات الحرارة ، فإن المنطقة الموجودة أسفل الرسم البياني تغطي نطاق الضوء المرئي (قوس قزح). _ cc781905-5cde-3194-bb3b-136bad5cf58d_
أهم شيء في se تفهم في هذا الرسم البياني هو أنه كلما زادت درجة الحرارة ، يقل الطول الموجي ، أي أن ذروة الرسم البياني تذهب if التحول بشكل متزايد إلى اليسار. That بناء على ذلك faz مع que a الانبعاثات والطاقة المرتبطة بها تزداد أيضًا.
ينص قانون Wien's Displacement على أنه لكل طول موجي ، هناك ذروة نسميها ( _cc781905-5cde-3194-bbcf-136dbad) لكل نطاق طول موجي أكبر. O gráfico Mostra que _cc78-3105-abad5cf58d_ _cc78190ad5_bad5cf58d_ _cc78190ad5_bad5cf58d_ _cc781905_bad5cf58d_ _cc781905_bad5cf58d_ _cc781905_bad5cf58d_ _cc781905_u. هو ثابت يساوي:
هذا يخبرنا أنه مع ارتفاع درجة حرارة الجسم ، يميل الطول الموجي المنبعث من الإشعاع الحراري لهذا الجسم إلى أن يصبح أصغر وأصغر ، وبالتالي تزداد أنا (λ) أيضًا. الشيء المهم الذي يجب فهمه حول الرسوم البيانية لانبعاثات الجسم الأسود هو أن قيمة I () مرتبطة بمساحة الرسم البياني أسفل منحنى درجة الحرارة .
ثم الكثافة التي يشعها الجسم عند درجة حرارة معينة وطول موجي I (λ) يساوي عدديًا قيمة مساحة الرسم البياني أدناه ، معطاة بالعلاقة:
- قانون ستيفان بولتزمان
حيث يساوي ثابت سيجما (σ) المسمى "ثابت ستيفان بولتزمان":
لفهم أفضل ، لدينا محاكي Phet أدناه يعرض رسمًا بيانيًا لانبعاث um الجسم عند درجة حرارة معينة. أول شيء يمكننا القيام به هو:
1) أولاً ، حدد المربعات الثلاثة في المحاكاة (القيم والتعرف والشدة). ثم خذ محدد درجة الحرارة على اليمين وضعه بالضبط على الأرض ، وشاهد ما يحدث للرسم البياني. خذ قطعة من الورق وقم بعمل جدول لقيم T - (درجة الحرارة) ، I (λ) - (الشدة المشعة) و λ - (الطول الموجي) ، في أي جزء من الطيف الحد الأقصى لنقطة الانبعاث؟
2) قم بزيادة درجة الحرارة الآن لدرجة حرارة المصباح ، اتبع نفس الإجراء السابق مع ملاحظة قيم درجة الحرارة والشدة وطول الموجة. في هذا الرسم البياني ، ما نطاقات الطيف التي ينبعث منها الضوء؟
3) للمضي قدمًا ، ورفع درجة الحرارة إلى درجة حرارة سطح الشمس تقريبًا ، ما نطاقات الطيف التي يحتوي عليها الانبعاث من سطح الشمس؟ اكتب قيم درجة الحرارة والشدة وطول الموجة مرة أخرى.
4) أخيرًا رفع درجة الحرارة إلى درجة حرارة سطح نجم سيريوس أ تقريبًا ، والذي يتراوح طيف الانبعاث من سطح هذا النجم _cc781905-5cde - 3194-bb3b-136bad5cf58d_tem؟ اكتب قيم درجة الحرارة والشدة وطول الموجة مرة أخرى .
5) النظر إلى جدول القيم الذي قمت بعمله غادر من هذا blackbody الانبعاثات الرسم البياني. ماذا يمكنك أن تلاحظ ما يحدث لشدة الإشعاع المنبعث وطول الموجة عندما ترتفع درجة الحرارة؟
6) وفقًا للرسم البياني لانبعاثات إشعاع الجسم الأسود ، تصدر الأجسام إشعاعًا في نطاق واحد فقط من الطيف الكهرومغناطيسي؟ إذا كانت الإجابة بنعم أو لا ، يرجى التوضيح.
أدرك بلانك كما هو موضح في الفيديو أن الطاقة لا تنبعث بشكل مستمر ، كما قالت الفيزياء الكلاسيكية ، تنبعث الطاقة من رزم صغيرة أطلق عليها "الكم" والتي تأتي من اللاتينية وتعني "الكمية". يعتمد كم الطاقة هذا على ثابت التصحيح والتردد الذي ينبعث منه الإشعاع ، والذي أسماه (ح) - ثابت بلانك ، تكريما له. من هناك ، اتخذ بلانك الخطوة الأولى نحو بداية فيزياء مختلفة عن ذي قبل ، موجهًا أنظار الفيزيائيين في ذلك الوقت إلى شيء أكثر جوهرية في المادة والطاقة ، قلقًا بشأن التعامل مع أصغر المقاييس ، مثل الذرة. (الإلكترونات) والبروتونات والنيوترونات). إعطاء من خلال هذا بداية ميكانيكا الكم.