ЧЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ТЕЛА
Прежде чем мы начнем говорить об излучении абсолютно черного тела, давайте сделаем краткий обзор электромагнитного излучения. Следующее видео дает нам большое резюме об электромагнитном излучении.
Подводя итог: Электромагнитное излучение это определение дано волнам, которые распространяются в вакууме или в воздухе со скоростью 300 000 км/с, то есть со скоростью света (с), что также является электромагнитное излучение. Еще одна характеристика электромагнитных волн способность переносить энергию и информацию. Как показано в видео выше, наши глаза могут видеть только определенный диапазон электромагнитного спектра, который называется «видимым диапазоном спектра».
Электромагнитное излучение, как сказано в видео, также распространяется в виде волны и волны, которая содержит электрические и магнитные компоненты, как показано в обзоре по электромагнетизму. Скорость этих волн определяется выражением:
Где v — скорость волны, λ — длина волны, а f — частота, с которой колеблется эта волна.
Чем выше частота, тем короче длина волны и чем больше длина волны, тем ниже частота, то есть частота и длина волны обратно пропорциональны, если одно увеличивается, то другое должно уменьшаться, и наоборот. Смотрите на изображении.
длина волны
Связь между частотой и длиной волны
После этого краткого обзора какое отношение электромагнитное излучение имеет к излучению Блэктела? Ответ прост! В нем есть все, как следует из названия «излучение», каждое излучающее тело связано с электромагнитными волнами. В случае с излучением Блэктела возникла теоретическая проблема, которую физики не могли объяснить. И что вообще такое Черное тело? Черное тело — это гипотетическое (теоретическое) тело, которое поглощает и излучает излучение на всех длинах волн почти идеальным (идеальным) образом, другими словами, Черное тело поглощает и излучает все виды падающего на него излучения.
Согласно классической теории, теория, господствовавшая в физике того времени. утверждал, что чем выше температура тела, тем короче его длина волны и, следовательно, оно будет иметь более высокую частоту, но теория утверждала, что чем больше повышается температура, тем излучаемая энергия стремится к Бесконечный (его значение будет близко к бесконечности). Энергия около бесконечности? Это не имеет смысла ни в одном реальном физическом явлении...
Теоретический результат, который нашли физики, на самом деле не случился с экспериментом, то есть что-то не так с теорией и физики в то время не могли сказать, почему и что будет отсутствовать в теории. Этот эпизод стал известен как «Ультрафиолетовая катастрофа». см. графика!
График показывает зависимость излучаемой радиации (R) от частотное отношение (ν)
В 1900 году физик по имени Макс Планк подробно изучил теорию, чтобы решить проблему ультрафиолетовой катастрофы. Планк потратил почти 5 лет на изучение предмета и, отчаянно пытаясь решить проблему, предположил, что испускаемое излучение не является непрерывным, а испускается дискретными пакетами энергии, что полностью противоречит классической теории, согласно которой испускаемое излучение должно продолжаться. .
Макс Планк, экспериментально доказав, что энергия действительно излучается пакетами, внес коррективы в теорию, к которой приведен график ниже в этой анимации Phet. Манипулируйте полосой справа от температуры и убедитесь, что, как бы ни нагревалось тело, часть его тепла все еще остается. проблема в спектре света видимый . Это была поправка, внесенная в теорию, которая была Планк согласуется с экспериментами, которые проводились с излучением абсолютно черного тела. Также обратите внимание, что по мере увеличения температуры длина волны на горизонтальной оси графика также увеличивается, это представляет собой изменение цвета света, представленного над графиком.
Max Planck после экспериментального доказательства того, что энергия действительно излучалась пакетами, он внес коррективы в теорию, к которой приведен график ниже, показанный в этой анимации Phet и который описан следующим уравнением.
Где (h) — постоянная Планка, (λ) — длина волны, (c) — скорость света в вакууме, (k) — постоянная Стефана-Больцмана и (T) — абсолютная температура.
Поскольку Планк смог сделать эту корректировку, с помощью экспериментальных данных ему удалось найти одну из фундаментальных констант природы, которую он назвал в своем_cc781905-5cde-3194 - bb3b-136bad5cf58d_дань уважения используется в приведенном выше уравнении для коррекции классической теории, как обсуждалось:
Существует также его сокращенная форма, известная как h"вырезать" или h "косая черта":
Так что с этой поправкой, предложенной Максом Планком, испускание излучения нагретыми телами было не непрерывным, а испускаемым небольшими пакетами кратные из вашего постоянного h. У нас есть необходимая поправка к теории, как показано на графике ниже.
График показывает зависимость испускаемого излучения (u(λ)) от длины волны (λ)
Вопрос, который волнует вас прямо сейчас и, возможно, волновал физиков в то время, если теоретические данные закона Рэлея-Джинса (Классическая теория) _cc781905-5cde-3194- bb3b- 136bad5cf58d_ не соответствуют экспериментальным результатам, поэтому его следует полностью отбросить, так как он неверен!
Нет! Дело в том, что для тел с очень высокими температурами для энергии ser изданный очень интенсивно пропорциональна температуре, длина волны уменьшается все больше и больше, то есть частота волна increases. И моделирование, проведенное Рэлеем-Джинсом, терпит неудачу при работе с очень малыми длинами волн, что приводит к тем абсурдным результатам, которые были получены до поправки Макса Планка. Теория Рэлея-Джинса по-прежнему полезна, но только для достаточно больших длин волн, когда расчеты не дают таких результатов, как (∞).
E на самом деле, если мы будем сравнивать математическое моделирование между классической теорией Рэлея-Джинса и теорией Мы видим, что они практически одинаковы, за исключением поправочного коэффициента, сделанного Планком.
- Закон Рэлея-Джинса -
- Закон Макса Планка -
Поправочный коэффициент доски
Фактор Рэлея-Джинса
Итак, это говорит нам о том, что уравнениеРэйли Джинсыполезен только для расчетатемпература относительно горячих тел, и что у них естьбольшая длина волны, ноЗакон Планкауже является более общим случаем, так как позволяет вычислитьтемпература горячих и очень горячих тел, чего не может сделать классическая теория, поскольку дляочень горячие тела, длина волны излучения слишком короткая, например в ультрафиолетовом диапазоне спектра, который будет невидимый невооруженным глазом мы все еще можем видеть тело с достаточно высокими температурами, освещающее и испускающее излучение, даже достигающее длин волн в этом спектре.
Что приводит нас к последнему закону для объяснения. Закон Планка соблюдает важное соотношение для понимания спектрального излучения тел при высоких температурах. Если мы посмотрим на график ниже, то увидим, что, несмотря на повышение температуры, область под графиком охватывает диапазон видимого света (радуга).
Самое важное о se понять на этом графике заключается в том, что с ростом температуры длина волны уменьшается, то есть пик графика идет if сдвиг все больше и больше влево. That вследствие этого faz с que a эмиссия и связанная с ней энергия также увеличиваются.
Закон смещения Вина гласит, что для каждой длины волны существует пик, который мы называем на диапазон длин волн больше. O gráfico mostra que é inversamente proporcional a T, de modo que seu produto постоянная равна:
Это говорит нам о том, что по мере повышения температуры тела длина волны, испускаемая тепловым излучением этого тела, имеет тенденцию становиться все меньше и меньше, и, следовательно, I(λ) также увеличивается. Важно понимать эти графики излучения черного тела: значение I(λ) связано с областью графика ниже температурной кривой.
Тогда Интенсивность, излучаемая телом при определенной температуре и длине волны I(λ), численно равна значению площади на графике ниже, определяемому соотношением:
- Закон Стефана-Больцмана -
Где сигма-постоянная (σ), называемая «постоянной Стефана-Больцмана», имеет значение, равное:
Для лучшего понимания у нас есть симулятор Phet ниже, показывающий график эмиссии um тела при определенной температуре. Первое, что мы можем сделать, это:
1) Прежде всего, выберите 3 поля в симуляторе (значения, идентификация и интенсивность). Затем возьмите селектор температуры справа и поместите его точно на Землю, и посмотрите, что произойдет с графиком. Возьмите лист бумаги и составьте таблицу, для которой значения T - (температура), I(λ) - (интенсивность излучения) и λ - (длина волны), в какой части спектра максимальная точка излучения?
2) Увеличьте температуру до температуры лампы, следуя той же процедуре, что и раньше, отмечая значения температуры, интенсивности и длины волны. На этом графике в каких диапазонах спектра излучается свет?
3) Забегая вперед, повышая температуру примерно до температуры поверхности Солнца, какие полосы спектра имеет излучение с поверхности Солнца? Снова запишите значения температуры, интенсивности и длины волны.
4)Наконец, повышение температуры примерно до температуры поверхности звезды Сириус A, в спектре которой находится излучение с поверхности этой звезды _cc781905-5cde - 3194-bb3b-136bad5cf58d_tem? Снова запишите значения температуры, интенсивности и длины волны.
5) Глядя на эту таблицу значений вы сделали оставлять этого график излучения черного тела. Что вы можете заметить, что происходит с Интенсивностью испускаемого излучения и длиной волны при повышении температуры?
6) Согласно графику излучения абсолютно черного тела, тела излучают излучение только в одной полосе спектра электромагнитный? Если да или нет, поясните.
Планк, как показано в видео, понял, что энергия не излучается непрерывно, как говорила классическая физика, энергия излучается небольшими пакетами, которые он назвал «Квантом», что происходит от латыни и означает «количество». Этот квант энергии зависит от поправочной постоянной и частоты, на которой испускается излучение, которую он назвал (h) - постоянной Планка, в его честь. Оттуда Планк сделал первый шаг к началу другой физики, чем раньше, направив взоры физиков того времени на нечто более фундаментальное в материи и энергии, беспокоясь о том, чтобы иметь дело с мельчайшими масштабами, такими как атом (электроны). , протоны и нейтроны). Давая этим начало квантовой механике.