블랙 바디 방사선
흑체 복사에 대해 이야기하기 전에 전자기 복사에 대해 간단히 살펴보겠습니다. 다음 비디오는 전자기 복사에 대한 훌륭한 요약을 제공합니다.
합산: 전자기 방사선 진공 또는 공기 중에서 300,000km/s의 속도로, 즉 광속(c)으로 전파되는 파동에 대한 정의입니다. 전자기 방사선. 전자파의 또 다른 특성 에너지와 정보를 운반하는 능력입니다. 위의 비디오에서 볼 수 있듯이 우리의 눈은 "가시 스펙트럼 범위"라고 불리는 전자기 스펙트럼의 특정 범위만 볼 수 있습니다.
비디오에서 언급된 전자기 복사는 또한 파동과 파동으로 전파됩니다. 전자기에 대한 리뷰에서 볼 수 있듯이 전기 및 자기 구성 요소를 포함합니다. 이 파동의 속도는 다음과 같이 주어진다.
여기서 v는 파동의 속도, λ는 파장, f는 이 파동이 진동하는 주파수입니다.
주파수가 높을수록 파장이 짧고 파장이 길수록 주파수가 낮아집니다. 즉, 주파수와 파장은 하나가 증가하면 반비례하고 다른 하나는 감소해야 하며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 이미지에서 참조하십시오.
파장
주파수와 파장의 관계
이 간단한 검토 후 전자기 복사는 흑체 복사와 어떤 관련이 있습니까? 답은 간단합니다! 모든 것을 갖추고 있으며, 이름에서 알 수 있듯이 "방사선"을 방출하는 모든 신체는 전자기파와 관련이 있습니다. 흑체 복사의 경우 물리학자들이 설명할 수 없는 이론적인 문제가 있었다. 그리고 흑체란 무엇인가? 흑체는 거의 완벽한(이상적인) 방식으로 모든 파장의 복사선을 흡수하고 방출하는 가상의(이론적) 몸체입니다.
고전 이론에 따르면 당시 물리학을 지배했던 이론은 물체의 온도가 높을수록 파장이 짧아져 주파수가 높아진다는 이론이지만 온도가 높을수록 복사 에너지가 감소하는 경향이 있다는 이론입니다. 무한대(해당 값은 무한대에 가깝습니다). 무한대에 가까운 에너지? 이것은 실제 물리적 현상에서 의미가 없습니다 ...
물리학자들이 발견한 이론적 결과는 실제로 실험에서 일어난 것이 아니라, 이론에 문제가 있었고 당시 물리학자들은 이론에서 빠진 이유와 내용을 말할 수 없었습니다. 이 에피소드는 "자외선 재앙"으로 알려지게 되었습니다. 보다 그래픽!
그래프는 방출된 방사선(R)과 주파수 관계(ν)
1900년 막스 플랑크(Max Planck)라는 물리학자는 자외선 재앙(Ultraviolet Catastrophe) 문제를 해결하기 위해 이론을 깊이 연구했습니다. 플랑크는 이 주제를 연구하는 데 거의 5년을 보냈고 문제를 해결하기 위해 필사적으로 방출된 방사선이 연속적이지 않고 개별적인 에너지 패킷에 의해 방출된다고 가정했는데, 이는 방출된 방사선이 계속되어야 한다는 고전 이론과 완전히 모순됩니다. .
막스 플랑크는 에너지가 실제로 패킷에서 방출된다는 것을 실험적으로 증명한 후 이 Phet 애니메이션에서 아래 그래프가 보여지는 이론을 조정했습니다. 온도의 오른쪽에 있는 막대를 조작하여 몸이 아무리 뜨거워도 몸의 일부가 여전히 남아 있는지 확인하십시오. 문제 빛의 스펙트럼에서 보이는 . 이것은 기존의 이론을 수정한 것입니다. 흑체 복사에 대해 수행된 실험과 일치하는 판자. 또한 온도가 증가함에 따라 그래프의 가로축의 파장도 증가하는데, 이는 그래프 위에 표시된 빛의 색상 변화를 나타냅니다.
Max Planck는 에너지가 실제로 패킷에서 방출된다는 것을 실험적으로 증명한 후 이 이론을 조정했습니다. 다음 방정식으로 설명됩니다.
여기서 (h)는 판자 상수, (λ)는 파장, (c)는 진공에서 빛의 속도, (k) - 스테판-볼츠만 상수, (T)는 절대 온도입니다.
For Plank는 실험 데이터를 통해 이러한 조정을 할 수 있었고 그는 자연의 기본 상수9 중 하나를 찾았습니다. - bb3b-136bad5cf58d_경의 는 논의된 대로 고전 이론 수정을 위한 위의 방정식에서 사용됩니다.
h "로 알려진 단축형도 있습니다.잘라내기" 또는 h "슬래시":
Max Plank가 제안한 이 수정으로 가열된 물체에 의한 복사 방출은 연속적이지 않고 작은 패킷에 의해 방출됩니다 배수 상수 h에서. 아래 그래프와 같이 이론에 필요한 수정 사항이 있습니다.
Graph는 파장(λ)에 대한 방출 방사선(u(λ))의 관계를 보여줍니다
Rayleigh-Jeans 법칙(고전이론)의 이론적인 자료라면, 지금 당신이 생각하고 있는 물음, 그리고 그 당시에도 물리학자들의 마음에 있었을 것입니다 _cc781905-94cde-31 bb3b- 136bad5cf58d_ 실험 결과와 일치하지 않으므로 틀렸으므로 완전히 폐기해야합니다!
아니요! 요점은 매우 높은 온도를 가진 신체의 경우 에너지 ser 발행 된 온도에 매우 크게 비례하여 파장이 점점 감소하고 있습니다. 즉 의 주파수파도 increases. 그리고 Rayleigh-Jeans가 수행한 모델링은 매우 작은 파장을 다룰 때 실패하여 Max Plank 보정 전에 얻은 불합리한 결과를 초래했습니다. Rayleigh-Jeans 이론은 여전히 유용하지만 계산이 (∞)와 같은 결과를 제공하지 않는 충분히 큰 파장에서만 유용합니다.
E 사실, 고전적인 Rayleigh-Jeans 이론과 이론 사이의 수학적 모델링을 비교하려는 경우 Plank가 만든 보정 계수를 제외하고는 거의 동일함을 알 수 있습니다.
- 레일리-진스 법칙 -
- 막스 플랑크의 법칙 -
판자 보정 계수
레일리-진스 팩터
따라서 방정식은레일리 청바지계산할 때만 유용합니다.상대적으로 뜨거운 물체의 온도, 그리고 그들은 가지고 있습니다장파장, 하지만플랭크의 법칙를 계산할 수 있기 때문에 이미 더 일반적인 경우입니다.뜨겁고 극도로 뜨거운 몸의 온도도, 고전 이론이 하지 못하는극도로 뜨거운 물체 방출 파장이 너무 짧습니다., 예를 들어 자외선 스펙트럼 범위에서 보이지 않는 맨눈으로, 우리는 이 스펙트럼 내의 파장에 도달하는 방사선을 비추고 방출하는 충분히 높은 온도를 가진 몸을 여전히 볼 수 있습니다._cc781905-5cde-3194-bb3b-136bad5cf58d
설명할 마지막 법칙으로 이어지는 플랑크의 법칙은 고온에서 물체의 스펙트럼 방출을 이해하는 데 중요한 관계를 존중합니다. 아래 그래프를 보면 온도가 상승하더라도 그래프 아래 영역이 가시광선 범위(무지개)를 덮고 있음을 알 수 있습니다.
se 에 대해 중요한 것이해하다이 그래프에서 는 온도가 증가함에 따라 파장이 감소한다는 것입니다. 즉, 그래프의 피크가 if 이동 점점 왼쪽으로. That 따라서 faz ~와 함께 que a 방출 및 이와 관련된 에너지 도 증가합니다.
Wien의 변위 법칙에 따르면 각 파장에 대해 피크라고 하는 피크가 있습니다. 파장 범위당 더 큽니다. O gráfico mostra que é inversamente proporcional a T, de modo que seu produto 는 다음과 같은 상수입니다.
이것은 체온이 상승함에 따라 우리 몸의 열복사에 의해 방출되는 파장이 점점 작아지는 경향이 있으며 결과적으로 I(λ)도 증가한다는 것을 알려줍니다. 이러한 흑체 방출 그래프에 대해 이해해야 할 중요한 점은 I(λ) 값이 온도 곡선 아래의 그래프 영역과 관련되어 있다는 것입니다.
그러면 특정 온도와 파장에서 신체가 방사하는 Intensity I(λ)는 다음 관계식으로 주어진 아래 그래프의 면적 값과 수치적으로 같습니다.
- 스테판-볼츠만 법칙 -
여기서 "스테판-볼츠만 상수"라고 하는 시그마 상수(σ)의 값은 다음과 같습니다.
더 나은 이해를 위해 um 방출 그래프를 보여주는 아래 Phet 시뮬레이터가 있습니다.특정 온도에서 몸. 우리가 할 수 있는 첫 번째 일은 입니다.
1) 먼저 시뮬레이터에서 3개의 상자(값, 식별 및 강도)를 선택합니다. 그런 다음 오른쪽에 있는 온도 선택기를 가져와 정확히 지구에 놓고 그래프에 어떤 일이 일어나는지 보십시오. 종이 를 가지고 T -(온도), I(λ) -(방사 강도) 및 λ -(파장)의 값이 어느 부분에 해당하는지 표를 만드십시오. 스펙트럼의 최대 방출 지점은?
2) 이제 온도를 램프의 온도로 높이고, 이전과 동일한 절차를 따라 온도, 강도 및 파장 값을 기록합니다. 이 그래프에서 빛이 방출하는 스펙트럼의 범위는 얼마입니까?
3) 앞으로 온도를 대략 태양의 표면 온도로 올리면 태양 표면에서 방출되는 스펙트럼 대역은 무엇입니까? 온도, 강도 및 파장 값을 다시 기록하십시오.
4)마지막으로, 온도를 시리우스 A의 표면 온도와 거의 비슷한 온도로 올리는 것입니다. - 3194-bb3b-136bad5cf58d_tem? 온도, 강도 및 파장 값을 다시 적어 둡니다.
5) 이 표를 보면 당신이 만든 값 떠나다 이의 blackbody 방출 그래프. 온도가 상승할 때 방출된 복사의 강도와 파장에 어떤 일이 발생하는지 알 수 있습니까?
6) 흑체 복사 방출 그래프에 따르면 물체는 스펙트럼의 한 대역에서만 복사를 방출합니다 전자기? 예 또는 아니오인 경우 설명하십시오.
비디오에서 볼 수 있듯이 플랑크는 고전 물리학이 말했듯이 에너지가 지속적으로 방출되지 않는다는 것을 깨달았습니다. 에너지는 라틴어에서 온 "양"을 의미하는 "양자"라고 부르는 작 은 패킷에 의해 방출됩니다. 이 에너지 양자는 보정 상수와 그가 (h)-플랑크 상수라고 부르는 복사가 방출되는 주파수에 따라 달라집니다. 그의 명예에. 거기에서 플랑크는 원자와 같은 가장 작은 스케일(전자)을 다루는 것에 대해 걱정하면서 물질과 에너지의 보다 근본적인 무엇인가에 당시 물리학자들의 시선을 향하게 함으로써 이전과는 다른 물리학의 시작을 향한 첫 걸음을 내디뎠습니다. , 양성자 및 중성자). 이를 통해 양자역학의 시작을 알립니다.