RAYONNEMENT DU CORPS NOIR
Avant de commencer à parler du rayonnement du corps noir, faisons un bref examen du rayonnement électromagnétique. La vidéo suivante nous donne un excellent résumé sur le rayonnement électromagnétique.
En bref : Le rayonnement électromagnétique est la définition donnée aux ondes qui se propagent dans le vide ou l'air à une vitesse de 300 000 km/s, c'est-à-dire à la vitesse de la lumière (c), qui est également a_cc781905-5cde- 3194 -bb3b-136bad5cf58d_rayonnement électromagnétique. Une autre caractéristique des ondes électromagnétiques est la capacité à transporter de l'énergie et des informations. Comme le montre la vidéo ci-dessus, nos yeux ne peuvent voir qu'une plage spécifique du spectre électromagnétique appelée "gamme du spectre visible".
Le rayonnement électromagnétique comme dit aussi dans la vidéo se propage comme une onde et une onde qui contient des composants électriques et magnétiques comme indiqué dans la revue sur l'électromagnétisme. La vitesse de ces ondes est donnée par :
Où v est la vitesse de l'onde, λ est la longueur d'onde et f est la fréquence à laquelle cette onde oscille.
Plus la fréquence est élevée, plus la longueur d'onde est courte et plus la longueur d'onde est longue, plus la fréquence est basse, c'est-à-dire que la fréquence et la longueur d'onde sont inversement proportionnelles si l'une augmente l'autre doit diminuer et vice versa. Voir dans l'image.
la longueur d'onde
Relation entre la fréquence et la longueur d'onde
Après ce bref examen, quel est le rapport entre le rayonnement électromagnétique et le rayonnement du corps noir ? La réponse est simple ! Cela a tout à voir avec, comme son nom l'indique "rayonnement", tout corps qui rayonne a à voir avec les ondes électromagnétiques. Dans le cas du rayonnement du corps noir, il y avait un problème théorique que les physiciens ne pouvaient pas expliquer. Et qu'est-ce qu'un corps noir de toute façon ? Le corps noir est un corps hypothétique (théorique) qui absorbe et émet des radiations à toutes les longueurs d'onde de manière presque parfaite (idéale), autrement dit le corps noir absorbe et émet tous les types de radiations qui lui tombent dessus._cc781905-5cde-3194 -bb3b -136bad5cf58d_
Selon la théorie classique régie par la loi de Rayleigh-Jeans, la théorie qui régissait la physique à l'époque disait que plus la température d'un corps est élevée, plus sa longueur d'onde est courte et par conséquent aurait une haute fréquence, mais la théorie disait que plus la température augmentait, plus l'énergie rayonnée tendrait vers l'infini (sa valeur se rapprocherait de l'infini). Une énergie proche de l'infini ? Cela n'a aucun sens dans un phénomène physique réel...
Le résultat théorique que les physiciens ont trouvé ne s'est pas réellement produit avec l'expérience, c'est-à-dire que quelque chose ne va pas avec la théorie et les physiciens de l'époque ne pouvaient pas dire pourquoi et ce qui manquerait à la théorie. Cet épisode est devenu connu sous le nom de "The Ultraviolet Catastrophe". Voir le tableau !
Le graphique montre la relation entre le rayonnement émis (R) et la fréquence (ν)
En 1900, un physicien nommé Max Planck a étudié la théorie en profondeur afin de résoudre le problème de la catastrophe ultraviolette. Planck a passé pratiquement 5 ans à étudier le sujet et comme il cherchait désespérément à résoudre le problème, il a supposé que le rayonnement émis n'était pas continu mais émis par des paquets discrets d'énergie, ce qui contredit complètement la théorie classique qui disait que le rayonnement émis est continu._cc781905 -5cde-3194-bb3b-136bad5cf58d_
Max Planck après avoir prouvé expérimentalement que l'énergie était bien émise par paquets, il a apporté des ajustements à la théorie à laquelle le graphe ci-dessous montré dans cette animation Phet et qui est décrit par l'équation suivante.
Où (h) est la constante de planche, (λ) est la longueur d'onde, (c) est la vitesse de la lumière dans le vide, (k) - la constante de Stefan-Boltzmann et (T) est la température absolue.
Pour Plank a pu faire cet ajustement, grâce à des données expérimentales, il a réussi à trouver l'une des constantes fondamentales de la nature, qu'il a nommée dans son_cc781905-5cde-3194 - bb3b-136bad5cf58d_hommage est utilisé dans l'équation ci-dessus pour la correction de la théorie classique, comme indiqué :
Il y a aussi sa forme abrégée, connue sous le nom de h "couper" ou h "barre oblique":
Donc avec cette correction proposée par Max Plank que l'émission de rayonnement par des corps chauffés n'était pas continue mais émise par petits paquets multiples de votre constant h. Nous avons la correction nécessaire à la théorie comme indiqué dans le graphique ci-dessous.
Le graphique montre la relation entre le rayonnement émis (u(λ)) et la longueur d'onde (λ)
La question qui vous préoccupe en ce moment et qui était probablement aussi dans l'esprit des physiciens à l'époque, si les données théoriques de la loi de Rayleigh-Jeans (théorie classique) _cc781905-5cde-3194- bb3b- 136bad5cf58d_ ne correspondent pas aux résultats expérimentaux, il doit donc être complètement éliminé, car il est faux !
Non ! Le fait est que pour les corps à très haute température, pour l'énergie ser Publié très intensément proportionnelle à une température, la longueur d'onde diminue de plus en plus, c'est-à-dire la fréquence du vague augmente. Et la modélisation effectuée par Rayleigh-Jeans échoue lorsqu'il s'agit de très petites longueurs d'onde, ce qui a abouti à ces résultats absurdes obtenus avant la correction Max Plank. La théorie de Rayleigh-Jeans est toujours utile, mais uniquement pour des longueurs d'onde suffisamment grandes où les calculs ne donnent pas des résultats comme (∞).
E en fait, si nous allons comparer la modélisation mathématique entre la théorie classique de Rayleigh-Jeans et la théorie Nous pouvons voir qu'ils sont pratiquement les mêmes à l'exception du facteur de correction apporté par Plank.
- Rayleigh-Jeans Law -
- Loi de Max Plank -
Facteur de correction de la planche
Facteur Rayleigh-Jeans
Donc ça nous dit que l'équation deJean Rayleighn'est utile que pour calculertempérature des corps relativement chauds, et qu'ils ont unlongue longueur d'onde, maisLoi de plancheest déjà un cas plus général, car il permet de calculer latempérature des corps chauds et extrêmement chauds aussi, ce que la théorie classique ne parvient pas à faire, car pourcorps extrêmement chauds la longueur d'onde émise est trop courte, par exemple dans la gamme du spectre ultraviolet, qui serait invisible à l'œil nu, nous pouvons encore voir le corps avec des températures suffisamment élevées éclairant et émettant des radiations atteignant même des longueurs d'onde dans ce spectre.
Ce qui nous amène à la dernière loi à expliquer, la loi de Plank respecte une relation importante pour comprendre l'émission spectrale des corps à haute température. Si nous regardons le graphique ci-dessous, nous pouvons voir que bien que les températures augmentent, la zone sous le graphique couvre la plage de lumière visible (arc-en-ciel).
La chose importante à propos de se comprendre dans ce graphique est que lorsque la température augmente, la longueur d'onde diminue, c'est-à-dire que le pic du graphique va if déplacement de plus en plus à gauche. Ça En conséquence faz avec que a l'émission et l'énergie qui lui est associée augmentent également.
La loi de déplacement de Wien dit que pour chaque longueur d'onde, il y a un pic que nous appelons ( ), où l'intensité émise par plage de longueur d'onde est plus grande. O gráfico mostra que é inversamente proporcional a T, de modo que seu produto est constant égal à :
Cela nous indique que, lorsque la température du corps augmente, la longueur d'onde émise par le rayonnement thermique de ce corps tend à devenir de plus en plus petite, et par conséquent I(λ) augmente également. La chose importante à comprendre à propos de ces graphiques d'émission de corps noir est que la valeur de I(λ) est associée à l'aire du graphique sous la courbe de température.
Alors l'Intensité rayonnée par le corps à une certaine température et une longueur d'onde I(λ) est numériquement égale à la valeur de l'aire du graphique ci-dessous, donnée par la relation :
- Loi de Stefan-Boltzmann -
Où la constante sigma (σ) appelée "constante de Stefan-Boltzmann" a la valeur égale à :
Pour une meilleure compréhension, nous avons ci-dessous un simulateur Phet montrant un graphique de l'émission de um corps à une certaine température. La première chose que nous pouvons faire est :
1) Tout d'abord, sélectionnez les 3 cases dans le simulateur (valeurs, identification et intensité). Ensuite, prenez le sélecteur de température à droite et placez-le exactement sur Terre, et voyez ce qui arrive au graphique. Prenez un morceau de papier et faites un tableau pour lequel les valeurs de T - (température), I(λ) - (intensité rayonnée) et λ - (longueur d'onde), dans quelle partie du spectre, le point d'émission maximal est ?
2) Montez maintenant la température à la température d'une lampe, suivez la même procédure que précédemment en notant les valeurs de température, d'intensité et de longueur d'onde. Dans ce graphique, quelles sont les plages du spectre dans lesquelles la lumière émet ?
3) À l'avenir, en élevant la température à peu près à la température de surface du Soleil, quelles bandes spectrales l'émission de la surface solaire a-t-elle ? Notez à nouveau les valeurs de température, d'intensité et de longueur d'onde.
4)Enfin, élevant la température à peu près à la température de surface de l'étoile Sirius A, dont le spectre varie l'émission depuis la surface de cette étoile _cc781905-5cde - 3194-bb3b-136bad5cf58d_tem ? Notez à nouveau les valeurs de température, d'intensité et de longueur d'onde.
5) En regardant ce tableau de valeurs que vous avez fait Pars de cela graphique d'émission du corps noir. Que pouvez-vous remarquer sur ce qui arrive à l'intensité du rayonnement émis et à la longueur d'onde lorsque la température augmente ?
6) Selon le graphique d'émission de rayonnement du corps noir, les corps émettent un rayonnement dans une seule bande du spectre électromagnétique? Si oui ou non, veuillez expliquer.
Donc en bref, Planck comme le montre la vidéo, s'est rendu compte que l'énergie n'était pas émise en continu, comme le disait la physique classique, l'énergie est émise par de petits paquets qu'il appelé "Quantum" qui vient du latin et signifie "quantité". Ce quantum d'énergie dépend d'une constante de correction et de la fréquence à laquelle le rayonnement est émis, qu'il nomme la (h)-constante de Planck, en son honneur. De là, Planck fait le premier pas vers le début d'une physique différente de celle d'avant, orientant le regard des physiciens de l'époque vers quelque chose de plus fondamental dans la matière et l'énergie, se souciant de traiter les plus petites échelles, comme l'atome. , protons et neutrons). Donnant ainsi le début de la Mécanique Quantique.