Abortas

Juodos kūno spinduliuotės. Kirchhoffo dėsnis

Absoliučiai juodas kūnas, visiškai sugeriantis bet kokio dažnio elektromagnetinę spinduliuotę, kai šildomas, spinduliuoja energiją bangų pavidalu, tolygiai paskirstytų visame dažnių spektre

Iki XIX amžiaus pabaigos mokslininkai, tirdami elektromagnetinės spinduliuotės (ypač šviesos) sąveiką su materijos atomais, susidūrė su rimtomis problemomis, kurias buvo galima išspręsti tik pasitelkus kvantinę mechaniką, kuri daugeliu atžvilgių buvo gimė dėl to, kad šios problemos atsirado. Kad suprastumėte pirmąją ir, ko gero, rimčiausią iš šių problemų, įsivaizduokite didelę juodą dėžę su veidrodiniu vidumi, kurios vienoje iš sienų išmušta maža skylutė. Šviesos spindulys, patekęs į dėžę per mikroskopinę skylutę, viduje išlieka amžinai, be galo atsispindėdamas nuo sienų. Objektas, kuris neatspindi šviesos, bet visiškai ją sugeria, atrodo juodas, todėl dažniausiai vadinamas juodu kūnu. (Tobulas juodasis kūnas, kaip ir daugelis kitų konceptualių fizinių reiškinių, yra grynai hipotetinis objektas, nors, pavyzdžiui, tuščiavidurė, tolygiai įkaitinta, veidrodinė sfera iš vidaus, į kurią šviesa patenka per vieną mažytę skylutę, yra geras apytikslis variantas. )

Gamtoje absoliučiai juodų kūnų nėra, todėl fizikoje eksperimentams naudojamas modelis. Tai nepermatoma uždara ertmė su maža skylute, kurios sienelės vienodos temperatūros. Pro šią angą patekusi šviesa po daugkartinių atspindžių bus visiškai sugerta, o iš išorės skylė atrodys visiškai juoda. Tačiau kai ši ertmė bus šildoma, ji turės savo matomą spinduliuotę. Kadangi spinduliuotė, kurią skleidžia vidinės ertmės sienelės, prieš jai išeinant (juk skylė labai maža), daugeliu atvejų ji patirs daugybę naujų sugerčių ir spindulių, galima sakyti, kad tikrumas, kad spinduliuotė ertmės viduje yra termodinaminėje pusiausvyroje su sienomis. (Tiesą sakant, skylė šiam modeliui visai nesvarbi, ji reikalinga tik norint pabrėžti esminį spinduliuotės viduje stebėjimą; pvz., skylę galima visiškai uždaryti, o greitai atidaryti tik tada, kai jau yra pusiausvyra nustatytas ir atliekamas matavimas).

Tačiau tikriausiai matėte realybėje gana artimus juodo kūno analogus. Pavyzdžiui, židinyje pasitaiko, kad keli rąstai sulenkiami beveik glaudžiai, o jų viduje išdega gana didelė ertmė. Išorėje rąstai išlieka tamsūs ir nešviečia, o išdegusios ertmės viduje kaupiasi šiluma (infraraudonoji spinduliuotė) ir šviesa, o prieš išsiveržiant šie spinduliai ne kartą atsispindi nuo ertmės sienelių. Jei pažvelgsite į tarpą tarp tokių rąstų, pamatysite ryškiai geltonai oranžinį aukštos temperatūros švytėjimą ir iš ten tiesiogine prasme liepsnosite nuo karščio. Tiesiog spinduliai kurį laiką buvo įstrigę tarp rąstų, lygiai taip pat, kaip šviesą visiškai pagauna ir sugeria aukščiau aprašyta juodoji dėžė.

Tokios juodos dėžės modelis padeda suprasti, kaip juodo kūno sugeriama šviesa elgiasi sąveikaudama su jo materijos atomais. Čia svarbu suprasti, kad šviesą sugeria atomas, iš karto jį išspinduliuoja ir sugeria kitas atomas, vėl išspinduliuoja ir sugeria, ir tai vyks tol, kol bus pasiekta pusiausvyros prisotinimo būsena. Kai juodas kūnas įkaitinamas iki pusiausvyros būsenos, spindulių emisijos ir sugerties intensyvumas juodojo kūno viduje susilygina: kai vienas atomas sugeria tam tikrą kiekį tam tikro dažnio šviesos, kitas kažkur viduje esantis atomas vienu metu išspinduliuoja tiek pat. to paties dažnio šviesa. Taigi kiekvieno dažnio sugertos šviesos kiekis juodo kūno viduje išlieka toks pat, nors ją sugeria ir skleidžia skirtingi kūno atomai.

Iki šiol juodojo kūno elgesys išlieka gana aiškus. Klasikinės fizikos („klasikinė“ čia turime omenyje fiziką prieš kvantinės mechanikos atsiradimą) problemos prasidėjo bandant apskaičiuoti pusiausvyros būsenos juodo kūno viduje saugomą spinduliuotės energiją. Ir netrukus paaiškėjo du dalykai:

kuo didesnis spindulių bangos dažnis, tuo daugiau jų kaupiasi juodojo kūno viduje (ty kuo trumpesni yra tiriamos spinduliuotės bangų spektro dalies bangos ilgiai, tuo daugiau šios spektro dalies spindulių juodojo kūno viduje numato klasikinė teorija);
kuo didesnis bangos dažnis, tuo daugiau energijos ji neša ir, atitinkamai, daugiau jos sukaupta juodojo kūno viduje.

Kartu šios dvi išvados lėmė neįsivaizduojamą rezultatą: spinduliuotės energija juodojo kūno viduje turi būti begalinė! Šis piktas pasityčiojimas iš klasikinės fizikos dėsnių buvo pavadintas ultravioletine katastrofa, nes aukšto dažnio spinduliuotė slypi ultravioletinėje spektro dalyje.

Tvarką atkūrė vokiečių fizikas Maxas Planckas (žr. Planko konstantą) – jis parodė, kad problema pašalinama, jei darysime prielaidą, kad atomai gali sugerti ir skleisti šviesą tik dalimis ir tik tam tikrais dažniais. (Vėliau Albertas Einšteinas apibendrino šią idėją, įvesdamas fotonų – griežtai apibrėžtų šviesos spinduliuotės dalių – sąvoką.) Pagal šią schemą daugelis klasikinės fizikos numatytų spinduliuotės dažnių tiesiog negali egzistuoti juodojo kūno viduje, nes atomai negali ir absorbuoti. arba juos išmesti; atitinkamai į šiuos dažnius neatsižvelgiama apskaičiuojant pusiausvyros spinduliuotę juodojo kūno viduje. Palikdamas tik priimtinus dažnius, Planckas užkirto kelią ultravioletinei katastrofai ir nukreipė mokslą tikrojo pasaulio sandaros supratimo keliu subatominiame lygmenyje. Be to, jis apskaičiavo būdingą juodo kūno pusiausvyros spinduliuotės dažnių pasiskirstymą.

Šis skirstinys išgarsėjo visame pasaulyje praėjus daugeliui dešimtmečių po to, kai jį paskelbė pats Planckas, kai kosmologai išsiaiškino, kad jų atrasta reliktinė mikrobangų spinduliuotė pagal savo spektrines charakteristikas tiksliai paklūsta Planko pasiskirstymui ir atitinka visiškai juodo kūno spinduliuotę. temperatūra apie tris laipsnius virš absoliutaus nulio.

Jameso Trefilio enciklopedija „Mokslo prigimtis. 200 visatos dėsnių.
Jamesas Trefilis yra George'o Masono universiteto (JAV) fizikos profesorius, vienas žymiausių Vakarų mokslo populiarinimo knygų autorių.

Komentarai: 0

Vienas iš subatominio pasaulio faktų yra tas, kad jo objektai – tokie kaip elektronai ar fotonai – visiškai nepanašūs į įprastus makrokosmoso objektus. Jie elgiasi ne kaip dalelės ir ne kaip bangos, o kaip labai ypatingi dariniai, turintys ir bangines, ir korpuskulines savybes, priklausomai nuo aplinkybių. Viena yra paskelbti, o visai kas kita – susieti kvantinių dalelių elgsenos banginius ir korpuskulinius aspektus, apibūdinant juos tikslia lygtimi. Būtent tai buvo padaryta de Broglie santykiu.

Kasdieniame gyvenime yra du būdai perduoti energiją erdvėje – per daleles arba bangas. Kasdieniame gyvenime tarp dviejų energijos perdavimo mechanizmų nėra matomų prieštaravimų. Taigi, krepšinio kamuolys yra dalelė, o garsas – banga, ir viskas aišku. Tačiau kvantinėje mechanikoje viskas anaiptol nėra taip paprasta. Net iš paprasčiausių eksperimentų su kvantiniais objektais labai greitai paaiškėja, kad mums žinomi makropasaulio principai ir dėsniai mikrokosmose neveikia. Šviesa, kurią laikėme banga, kartais elgiasi taip, tarsi ją sudarytų dalelių (fotonų) srautas, o elementariosios dalelės, tokios kaip elektronas ar net masyvus protonas, dažnai pasižymi bangos savybėmis.

Yra keletas elektromagnetinės spinduliuotės tipų, pradedant radijo bangomis ir baigiant gama spinduliais. Visų tipų elektromagnetiniai spinduliai vakuume sklinda šviesos greičiu ir skiriasi vienas nuo kito tik savo bangos ilgiais.

Kvantinių dalelių dviguba korpuskulinė banga apibūdinama diferencialine lygtimi.

Maxas Planckas, vienas iš kvantinės mechanikos įkūrėjų, atėjo į energijos kvantavimo idėją, bandydamas teoriškai paaiškinti neseniai atrastų elektromagnetinių bangų ir atomų sąveikos procesą ir taip išspręsti juodojo kūno spinduliuotės problemą. Jis suprato, kad norint paaiškinti stebimą atomų emisijos spektrą, reikia laikyti savaime suprantamu dalyku, kad atomai energiją išskiria ir sugeria dalimis (kurias mokslininkas vadino kvantais) ir tik atskirų bangų dažniais.

Žodis „quantum“ kilęs iš lotynų kalbos „quantum“ („kiek, kiek“) ir iš angliško „quantum“ („kiekis, dalis, kvantas“). „Mechanika“ nuo seno vadinama materijos judėjimo mokslu. Atitinkamai, terminas „kvantinė mechanika“ reiškia mokslą apie materijos judėjimą dalimis (arba, šiuolaikine moksline kalba, mokslą apie kvantuotos medžiagos judėjimą). Terminą „kvantas“ įvedė vokiečių fizikas Maxas Planckas, norėdamas apibūdinti šviesos sąveiką su atomais.

Labiausiai Einšteinas protestavo prieš būtinybę mikrokosmoso reiškinius apibūdinti tikimybių ir bangų funkcijomis, o ne iš įprastos koordinačių ir dalelių greičių padėties. Būtent tai jis turėjo omenyje sakydamas „kauliukai“. Jis pripažino, kad elektronų judėjimo aprašymas pagal jų greitį ir koordinates prieštarauja neapibrėžtumo principui. Tačiau Einšteinas teigė, kad turi būti keletas kitų kintamųjų ar parametrų, į kuriuos atsižvelgiant kvantinis mechaninis mikropasaulio vaizdas grįš į vientisumo ir determinizmo kelią. Tai yra, tvirtino jis, tik mums atrodo, kad Dievas su mumis žaidžia kauliukais, nes mes ne viską suprantame. Taigi jis pirmasis kvantinės mechanikos lygtyse suformulavo paslėptą kintamojo hipotezę. Jis susideda iš to, kad iš tikrųjų elektronai turi fiksuotas koordinates ir greitį, kaip ir Niutono biliardo rutuliai, o neapibrėžtumo principas ir tikimybinis požiūris į jų apibrėžimą kvantinės mechanikos rėmuose yra pačios teorijos neišsamumo rezultatas. todėl neleidžia jų tiksliai žinoti.apibūdinti.

Šviesa yra mūsų planetos gyvybės pagrindas. Atsakydami į klausimus "Kodėl dangus mėlynas?" ir "Kodėl žolė žalia?" galite atsakyti vienareikšmiškai – „Šviesos dėka“. Tai yra neatsiejama mūsų gyvenimo dalis, tačiau mes vis dar bandome suprasti šviesos reiškinį ...

Bangos yra vienas iš dviejų energijos perdavimo būdų erdvėje (kitas būdas – korpuskulinis, dalelių pagalba). Bangos dažniausiai sklinda kokioje nors terpėje (pavyzdžiui, bangos ežero paviršiuje plinta vandenyje), tačiau pačios terpės judėjimo kryptis nesutampa su bangų judėjimo kryptimi. Įsivaizduokite plūdę, šokinėjančią ant bangų. Kylant ir leidžiantis, plūdė kartoja vandens judesius, o bangos praplaukia. Trikdžiai atsiranda, kai skirtingomis kryptimis sklinda dvi ar daugiau to paties dažnio bangų.

Difrakcijos reiškinio pagrindus galima suprasti, jei atsigręžtume į Huygenso principą, pagal kurį kiekvienas šviesos pluošto sklidimo kelio taškas gali būti laikomas nauju nepriklausomu antrinių bangų šaltiniu, o tolesnis difrakcijos modelis pasisuka. gali būti dėl šių antrinių bangų trukdžių. Kai šviesos banga sąveikauja su kliūtimi, dalis antrinių Huygens bangų blokuojasi.

Visiškai juodas korpusas

Visiškai juodas korpusas- termodinamikoje naudojamas fizinis idealizavimas, kūnas, kuris sugeria visą elektromagnetinę spinduliuotę, patenkančią į jį visuose diapazonuose ir nieko neatspindi. Nepaisant pavadinimo, pats juodas kūnas gali skleisti bet kokio dažnio elektromagnetinę spinduliuotę ir vizualiai turėti spalvą. Juodojo kūno spinduliavimo spektrą lemia tik jo temperatūra.

Juodojo kūno svarba sprendžiant bet kokių (pilkų ir spalvotų) kūnų šiluminės spinduliuotės spektrą apskritai, be to, kad tai paprasčiausias nereikšmingas atvejis, yra ir tame, kad pusiausvyros šiluminės spinduliuotės spektro klausimas. bet kokios spalvos kūnai ir atspindžio koeficientas klasikinės termodinamikos metodais redukuojami iki radiacijos iš absoliučiai juodo kūno klausimo (ir istoriškai tai buvo padaryta jau XIX a. pabaigoje, kai iškilo absoliučiai juodo kūno spinduliuotės problema). iškilo į pirmą planą).

Juodiausios tikrosios medžiagos, pavyzdžiui, suodžiai, sugeria iki 99% krintančios spinduliuotės (tai yra, jų albedo yra 0,01) matomoje bangos ilgio diapazone, tačiau infraraudonąją spinduliuotę sugeria daug blogiau. Tarp Saulės sistemos kūnų Saulė turi daugiausiai absoliučiai juodo kūno savybių.

Šį terminą 1862 m. įvedė Gustavas Kirchhoffas.

Praktinis modelis

Juodos spalvos korpuso modelis

Gamtoje absoliučiai juodų kūnų nėra (išskyrus juodąsias skyles), todėl fizikoje eksperimentams naudojamas modelis. Tai uždara ertmė su maža anga. Pro šią angą patekusi šviesa po daugkartinių atspindžių bus visiškai sugerta, o iš išorės skylė atrodys visiškai juoda. Tačiau kai ši ertmė bus šildoma, ji turės savo matomą spinduliuotę. Kadangi spinduliuotė, kurią skleidžia vidinės ertmės sienelės, prieš jai išeinant (juk skylė labai maža), daugeliu atvejų ji patirs daugybę naujų sugerčių ir spindulių, galima sakyti, kad tikrumas, kad spinduliuotė ertmės viduje yra termodinaminėje pusiausvyroje su sienomis. (Tiesą sakant, skylė šiam modeliui visai nesvarbi, ji reikalinga tik norint pabrėžti esminį spinduliuotės viduje stebėjimą; pvz., skylę galima visiškai uždaryti, o greitai atidaryti tik tada, kai jau yra pusiausvyra nustatytas ir atliekamas matavimas).

Juodojo kūno spinduliavimo dėsniai

Klasikinis požiūris

Iš pradžių problemai spręsti buvo naudojami grynai klasikiniai metodai, kurie davė daug svarbių ir teisingų rezultatų, tačiau jie neleido išspręsti problemos iki galo, galiausiai lėmė ne tik ryškų neatitikimą eksperimentui, bet ir vidinį prieštaravimą. - taip vadinamas ultravioletinė katastrofa.

Juodojo kūno spinduliuotės dėsnių tyrimas buvo viena iš būtinų kvantinės mechanikos atsiradimo sąlygų.

Pirmasis Wien radiacijos įstatymas

1893 m. Wilhelmas Wienas, naudodamas, be klasikinės termodinamikos, elektromagnetinę šviesos teoriją, išvedė tokią formulę:

kur uν yra spinduliuotės energijos tankis,

ν - spinduliavimo dažnis,

T yra spinduliuojančio kūno temperatūra,

f yra funkcija, kuri priklauso tik nuo dažnio ir temperatūros. Šios funkcijos formos negalima nustatyti vien remiantis termodinaminiais sumetimais.

Pirmoji Wien formulė galioja visiems dažniams. Bet kuri konkretesnė formulė (pvz., Planko dėsnis) turi atitikti pirmąją Wien formulę.

Iš pirmosios Wien formulės galima išvesti Wien poslinkio dėsnį (maksimalaus dėsnio) ir Stefano-Boltzmanno dėsnį, tačiau negalima rasti į šiuos dėsnius įtrauktų konstantų verčių.

Istoriškai tai buvo pirmasis Wieno dėsnis, kuris buvo vadinamas poslinkio dėsniu, tačiau šiais laikais terminas „Vienos poslinkio dėsnis“ reiškia maksimumo dėsnį.

Antrasis Wien radiacijos įstatymas

1896 m. Wien išvedė antrąjį dėsnį, pagrįstą papildomomis prielaidomis:

kur C 1 , C 2 - konstantos. Patirtis rodo, kad antroji Wien formulė galioja tik aukštų dažnių ribose (trumpųjų bangų ilgių). Tai ypatingas pirmojo Wien dėsnio atvejis.

Vėliau Maxas Planckas parodė, kad antrasis Wien dėsnis išplaukia iš Plancko dėsnio didelėms fotonų energijoms, taip pat rado konstantas. C 1 ir C 2. Turint tai omenyje, antrasis Wien įstatymas gali būti parašytas taip:

kur h yra Plancko konstanta,

k yra Boltzmanno konstanta,

c yra šviesos greitis vakuume.

Rayleigh-Jeans įstatymas

Bandymas apibūdinti absoliučiai juodo kūno spinduliuotę remiantis klasikiniais termodinamikos ir elektrodinamikos principais veda prie Rayleigh-Jeans dėsnio:

Ši formulė daro prielaidą, kad spinduliuotės spektrinis tankis didėja kvadratiniu būdu, priklausomai nuo jos dažnio. Praktiškai toks dėsnis reikštų termodinaminės pusiausvyros tarp materijos ir spinduliuotės negalimumą, nes pagal jį visa šiluminė energija trumpųjų bangų spektro srityje turėtų būti paversta spinduliavimo energija. Toks hipotetinis reiškinys buvo vadinamas ultravioletine katastrofa.

Nepaisant to, Rayleigh-Jeans spinduliuotės dėsnis galioja ilgosios bangos ilgio spektro sričiai ir tinkamai apibūdina spinduliuotės pobūdį. Tokio atitikimo faktą galima paaiškinti tik naudojant kvantinį mechaninį metodą, pagal kurį spinduliavimas vyksta diskretiškai. Remdamiesi kvantiniais dėsniais, galite gauti Planck formulę, kuri sutaps su Rayleigh-Jeans formule.

Šis faktas puikiai iliustruoja korespondencijos principo veikimą, pagal kurį naujoji fizikinė teorija turi paaiškinti viską, ką sugebėjo paaiškinti senoji.

Plancko dėsnis

Juodojo kūno spinduliuotės galios priklausomybė nuo bangos ilgio.

Absoliučiai juodo kūno spinduliavimo intensyvumą, priklausomai nuo temperatūros ir dažnio, lemia Plancko dėsnis:

kur yra spinduliavimo galia spinduliavimo paviršiaus ploto vienetui vienetiniu dažnio intervalu statmena kryptimi erdvinio kampo vienetui (SI vienetas: J s -1 m -2 Hz -1 sr -1).

Lygiai taip pat

kur yra spinduliuotės galia spinduliavimo paviršiaus ploto vienetui vieneto bangos ilgio intervale statmena kryptimi erdvės kampo vienetui (SI vienetas: J s −1 m −2 m −1 sr −1).

Bendra (t. y. skleidžiama visomis kryptimis) spektrinė spinduliuotės iš juodojo kūno paviršiaus vieneto galia apibūdinama tomis pačiomis formulėmis iki koeficiento π: ε(ν, T) = π aš(ν, T), ε(λ, T) = π u(λ, T).

Stefano-Boltzmanno įstatymas

Bendra šiluminės spinduliuotės energija nustatoma pagal Stefano-Boltzmanno dėsnį, kuris teigia:

Juodojo kūno spinduliuotės galia (integruota galia visame spektre), tenkanti paviršiaus ploto vienetui, yra tiesiogiai proporcinga ketvirtajai kūno temperatūros galiai:

kur yra spinduliuojančio paviršiaus ploto vieneto galia ir

W/(m² K 4) - Stefano-Boltzmanno konstanta.

Taigi absoliučiai juodas kūnas, esant = 100 K, spinduliuoja 5,67 vatų vienam kvadratiniam metrui savo paviršiaus. Esant 1000 K temperatūrai spinduliavimo galia padidėja iki 56,7 kilovatų kvadratiniam metrui.

Nejuodiems kūnams galima parašyti maždaug:

kur yra juodumo laipsnis (visoms medžiagoms, visiškai juodam kūnui).

Stefano-Boltzmanno konstanta teoriškai gali būti apskaičiuota tik iš kvantinių svarstymų, naudojant Plancko formulę. Tuo pačiu metu bendrą formulės formą galima gauti remiantis klasikiniais svarstymais (tai nepašalina ultravioletinės katastrofos problemos).

Vieno poslinkio įstatymas

Bangos ilgis, kuriam esant juodo kūno spinduliuotės energija yra didžiausia, nustatomas pagal Vieno poslinkio įstatymas:

kur yra temperatūra kelvinais ir bangos ilgis su didžiausiu intensyvumu metrais.

Taigi, jei pirmuoju aproksimavimu darome prielaidą, kad žmogaus oda savo savybėmis yra artima absoliučiai juodam kūnui, tada spinduliuotės spektro maksimumas esant 36 °C (309 K) temperatūrai yra esant 9400 nm bangos ilgiui. infraraudonųjų spindulių spektro sritis).

Visiškai juodų skirtingų temperatūrų kūnų matoma spalva parodyta diagramoje.

Juodos kūno spinduliuotės

Elektromagnetinė spinduliuotė, esanti termodinaminėje pusiausvyroje su absoliučiai juodu kūnu tam tikroje temperatūroje (pavyzdžiui, spinduliuotė ertmės viduje visiškai juodame kūne), vadinama juodojo kūno (arba šiluminės pusiausvyros) spinduliuote. Pusiausvyrinė šiluminė spinduliuotė yra vienalytė, izotropinė ir nepoliarizuota, joje nėra energijos perdavimo, visos jos charakteristikos priklauso tik nuo absoliučiai juodojo kūno spinduliuotės temperatūros (o kadangi juodojo kūno spinduliuotė yra šiluminėje pusiausvyroje su tam tikru kūnu, ši temperatūra gali būti priskirtas radiacijai). Juodojo kūno spinduliuotės tūrinis energijos tankis yra lygus jos slėgiui Savo savybėmis juodajam kūnui labai artima yra vadinamoji reliktinė spinduliuotė arba kosminis mikrobangų fonas – spinduliuotė, užpildanti Visatą maždaug 3 K temperatūra.

Juodojo kūno spinduliuotės chromatiškumas

Spalvos pateikiamos lyginant su išsklaidyta dienos šviesa. Realiai suvokiama spalva gali būti iškraipyta akiai prisitaikant prie apšvietimo sąlygų.

Kirchhoffo radiacijos dėsnis

Kirchhoffo radiacijos dėsnis yra fizinis dėsnis, kurį 1859 m. nustatė vokiečių fizikas Kirchhoffas.

Dabartinė įstatymo redakcija skamba taip:

Bet kurio kūno spinduliuotės ir jo sugerties gebos santykis yra vienodas visiems kūnams tam tikroje temperatūroje tam tikru dažniu ir nepriklauso nuo jų formos ir cheminės prigimties.

Yra žinoma, kad elektromagnetinei spinduliuotei krentant ant tam tikro kūno dalis jos atsispindi, dalis sugeriama, o dalis gali būti perduodama. Sugertos spinduliuotės dalis tam tikru dažniu vadinama sugerties pajėgumas kūnas . Kita vertus, kiekvienas įkaitęs kūnas spinduliuoja energiją pagal tam tikrą dėsnį, vadinamą kūno emisijos koeficientas.

Judant iš vieno kūno į kitą, jų reikšmės gali labai skirtis, tačiau pagal Kirchhoff spinduliuotės dėsnį spinduliavimo ir sugėrimo gebėjimų santykis nepriklauso nuo kūno prigimties ir yra universali funkcija. dažnis (bangos ilgis) ir temperatūra:

Pagal apibrėžimą visiškai juodas kūnas sugeria visą ant jo, tai yra, jam patenkančią spinduliuotę. Todėl funkcija sutampa su absoliučiai juodo kūno spinduliuote, aprašyta Stefano-Boltzmanno dėsniu, dėl ko bet kurio kūno spinduliuotė gali būti nustatyta remiantis tik jo sugerties geba.

Tikrų kūnų sugeriamumas yra mažesnis nei vienybės, taigi, mažesnis spinduliavimas nei visiškai juodo kūno. Kūnai, kurių sugerties geba nepriklauso nuo dažnio, vadinami pilkais. Jų spektras yra toks pat, kaip ir visiškai juodo kūno. Bendru atveju kūnų sugerties geba priklauso nuo dažnio ir temperatūros, o jų spektras gali gerokai skirtis nuo absoliučiai juodo kūno spektro. Įvairių paviršių spinduliuotės tyrimą pirmasis atliko škotų mokslininkas Leslie, naudodamas savo išradimą – Leslie kubą.

FEDERALINĖ ŠVIETIMO AGENTŪRA

valstybinė aukštojo profesinio mokymo įstaiga

"TIUMENO VALSTYBINIS NAFTOS IR DUJŲ UNIVERSITETAS"

Disciplina abstrakti

"Techninė optika"

Tema: „Tobulas juodas kūnas“

Baigė: studentų gr. OBDzs-07

Kobasnyanas Stepanas Sergeevich Tikrino: disciplinos mokytojas

Sidorova Anastasija Eduardovna

Tiumenė 2009 m

Visiškai juodas korpusas- fizikinė abstrakcija, naudojama termodinamikoje, kūnas, kuris sugeria visą elektromagnetinę spinduliuotę, patenkančią į jį visuose diapazonuose ir nieko neatspindi. Nepaisant pavadinimo, pats juodas kūnas gali skleisti bet kokio dažnio elektromagnetinę spinduliuotę ir vizualiai turėti spalvą. Juodojo kūno spinduliavimo spektrą lemia tik jo temperatūra.

Juodos spalvos korpuso modelis

Juodojo kūno spinduliavimo dėsniai

Klasikinis požiūris

Juodojo kūno spinduliuotės dėsnių tyrimas buvo viena iš būtinų kvantinės mechanikos atsiradimo sąlygų.

Pirmasis Wien radiacijos įstatymas

1893 metais Wilhelmas Wienas, remdamasis klasikinės termodinamikos sampratomis, išvedė tokią formulę:

Iš pirmosios Wieno formulės galima išvesti Wieno poslinkio dėsnį (maksimalaus dėsnio) ir Stefano-Boltzmanno dėsnį, tačiau negalima rasti į šiuos dėsnius įtrauktų konstantų verčių.

Istoriškai tai buvo pirmasis Wieno dėsnis, kuris buvo vadinamas poslinkio dėsniu, tačiau šiais laikais terminas „Vienos poslinkio dėsnis“ reiškia maksimumo dėsnį.

Antrasis Wien radiacijos įstatymas

Patirtis rodo, kad antroji Wien formulė galioja tik aukštų dažnių ribose (trumpųjų bangų ilgių). Tai ypatingas pirmojo Wien dėsnio atvejis.

Rayleigh-Jeans įstatymas

Šis faktas puikiai iliustruoja korespondencijos principo veikimą, pagal kurį naujoji fizikinė teorija turi paaiškinti viską, ką sugebėjo paaiškinti senoji.

Plancko dėsnis

Juodojo kūno spinduliuotės galios priklausomybė nuo bangos ilgio

Absoliučiai juodo kūno spinduliavimo intensyvumą, priklausomai nuo temperatūros ir dažnio, lemia Plancko dėsnis :

kur aš (ν) dν - spinduliavimo galia spinduliuojančio paviršiaus ploto vienetui dažnių diapazone nuo ν iki ν + d ν.

Lygiai taip pat

kur u (λ) dλ - spinduliavimo galia spinduliuojančio paviršiaus ploto vienetui bangos ilgių diapazone nuo λ iki λ + d λ.

Stefano-Boltzmanno įstatymas

Nustatoma bendroji šiluminės spinduliuotės energija Stefano-Boltzmanno įstatymas :

kur j yra spinduliuojančio paviršiaus ploto vieneto galia ir

W/(m² K 4) - Stefano-Boltzmanno konstanta .

Taigi, visiškai juodas kūnas T= 100 K skleidžia 5,67 vatus vienam kvadratiniam metrui savo paviršiaus. Esant 1000 K temperatūrai spinduliavimo galia padidėja iki 56,7 kilovatų kvadratiniam metrui.

Vieno poslinkio įstatymas

Bangos ilgis, kuriam esant juodo kūno spinduliuotės energija yra didžiausia, nustatomas pagal Vieno poslinkio įstatymas :

kur T yra temperatūra kelvinais, o λ max yra bangos ilgis, kurio didžiausias intensyvumas metrais.

Visiškai juodų skirtingų temperatūrų kūnų matoma spalva parodyta diagramoje.

Juodos kūno spinduliuotės

Elektromagnetinė spinduliuotė, esanti termodinaminėje pusiausvyroje su absoliučiai juodu kūnu tam tikroje temperatūroje (pavyzdžiui, spinduliuotė ertmės viduje visiškai juodame kūne), vadinama juodojo kūno (arba šiluminės pusiausvyros) spinduliuote. Pusiausvyrinė šiluminė spinduliuotė yra vienalytė, izotropinė ir nepoliarizuota, joje nėra energijos perdavimo, visos jos charakteristikos priklauso tik nuo absoliučiai juodojo kūno spinduliuotės temperatūros (o kadangi juodojo kūno spinduliuotė yra šiluminėje pusiausvyroje su tam tikru kūnu, ši temperatūra gali būti priskirtas radiacijai). Juodojo kūno spinduliuotės tūrinis energijos tankis yra , jo slėgis yra . Savo savybėmis juodajam kūnui labai artima yra vadinamoji reliktinė spinduliuotė arba kosminis mikrobangų fonas – spinduliuotė, užpildanti Visatą maždaug 3 K temperatūra.

Juodojo kūno spinduliuotės chromatiškumas

Pastaba: Spalvos pateikiamos lyginant su išsklaidyta dienos šviesa (D 65). Realiai suvokiama spalva gali būti iškraipyta akiai prisitaikant prie apšvietimo sąlygų.

Juodas kūnas yra fizinė abstrakcija, naudojama termodinamikoje, kūnas, kuris sugeria visą elektromagnetinę spinduliuotę, patenkančią į jį visuose diapazonuose ir nieko neatspindi. Nepaisant pavadinimo, pats juodas kūnas gali skleisti bet kokio dažnio elektromagnetinę spinduliuotę ir vizualiai turėti spalvą. Juodojo kūno spinduliavimo spektrą lemia tik jo temperatūra.

Juodiausios tikrosios medžiagos, pavyzdžiui, suodžiai, sugeria iki 99% krentančios spinduliuotės (t. y. turi 0,01 albedo) matomų bangų ilgių diapazone, tačiau infraraudonąją spinduliuotę jos sugeria daug prasčiau. Tarp Saulės sistemos kūnų Saulė turi daugiausiai absoliučiai juodo kūno savybių. Šį terminą 1862 m. įvedė Gustavas Kirchhoffas.

****** nupieškite kūno modelį.******

Juodos spalvos korpuso modelis

Gamtoje absoliučiai juodų kūnų nėra, todėl fizikoje eksperimentams naudojamas modelis. Tai uždara ertmė su maža anga. Pro šią angą patekusi šviesa po daugkartinių atspindžių bus visiškai sugerta, o iš išorės skylė atrodys visiškai juoda. Tačiau kai ši ertmė bus šildoma, ji turės savo matomą spinduliuotę.

Pirmasis Wien radiacijos įstatymas

1893 metais Wilhelmas Wienas.

Pirmoji Wien formulė galioja visiems dažniams. Bet kuri konkretesnė formulė (pvz., Planko dėsnis) turi atitikti pirmąją Wien formulę.

Antrasis Wien radiacijos įstatymas

1896 m. Wien išvedė antrąjį dėsnį, pagrįstą papildomomis prielaidomis:

antroji Wien formulė galioja tik aukštų dažnių (trumpųjų bangų ilgių) ribose. Tai ypatingas pirmojo Wien dėsnio atvejis.

Rayleigh-Jeans įstatymas

Bandymas apibūdinti absoliučiai juodo kūno spinduliuotę remiantis klasikiniais termodinamikos ir elektrodinamikos principais veda prie Rayleigh-Jeans dėsnio:

Praktiškai toks dėsnis reikštų termodinaminės pusiausvyros tarp materijos ir spinduliuotės negalimumą, nes pagal jį visa šiluminė energija trumpųjų bangų spektro srityje turėtų būti paversta spinduliavimo energija. Toks hipotetinis reiškinys buvo vadinamas ultravioletine katastrofa.

Planko dėsnis lemia absoliučiai juodo kūno spinduliavimo intensyvumą priklausomai nuo temperatūros ir dažnio

Stefano-Boltzmanno dėsnis nustato, kad bendroji šiluminės spinduliuotės energija nustatoma pagal dėsnį

Bangos ilgis, kuriam esant juodo kūno spinduliuotės energija yra didžiausia, nustatomas pagal Wieno poslinkio dėsnį:

Šviesos poliarizacija – tai šviesos bangos elektrinio lauko stiprumo vektoriaus svyravimų supaprastinimo procesas, kai šviesa praeina per tam tikras medžiagas (lūžio metu) arba kai atsispindi šviesos srautas. Yra keletas būdų, kaip sukurti poliarizuotą šviesą.

1) Poliarizacija naudojant polaroidus. Polaroidai yra celiulioidinės plėvelės, padengtos labai plonu sieros rūgšties chinino kristalų sluoksniu. Šiuo metu polaroidų naudojimas yra labiausiai paplitęs šviesos poliarizavimo būdas.

2) Poliarizacija per atspindį. Jei natūralus šviesos spindulys krenta ant juodai poliruoto paviršiaus, tada atspindėtas spindulys yra dalinai poliarizuotas. Kaip poliarizatorius ir analizatorius gali būti naudojamas veidrodinis arba gana gerai poliruotas paprastas lango stiklas, iš vienos pusės pajuodintas asfalto laku.

Kuo didesnis poliarizacijos laipsnis, tuo teisingiau išlaikomas kritimo kampas. Stiklo kritimo kampas yra 57°.

3) Poliarizacija per refrakciją. Šviesos spindulys poliarizuojasi ne tik atspindėdamas, bet ir lūždamas. Šiuo atveju kaip poliarizatorius ir analizatorius naudojamas 10–15 plonų stiklo plokščių, sukrautų kartu, esančių 57 ° kampu į jas patenkančių šviesos spindulių, krūva.

Didmeninė prekyba ir teisės aktas ir matomumas, terpės gebėjimas sukelti pro ją einančios optinės spinduliuotės (šviesos) poliarizacijos plokštumos sukimąsi.

poliarizacijos plokštumos sukimosi kampas j tiesiškai priklauso nuo storio l veikliosios medžiagos sluoksnis (ar jo tirpalas) ir koncentracija Suši medžiaga – j = [a] lc(koeficientas [a] vadinamas specifiniu O. a.); 2) sukimasis šioje terpėje vyksta pagal laikrodžio rodyklę (j > 0) arba prieš ją (j< 0), если смотреть навстречу ходу лучей света

43. Russ e Šv. e ta, optinės spinduliuotės (šviesos) srauto charakteristikų pasikeitimas jai sąveikaujant su medžiaga. Šios charakteristikos gali būti erdvinis intensyvumo pasiskirstymas, dažnių spektras, šviesos poliarizacija. Dažnai R. s. vadinamas tik šviesos sklidimo krypties pokytis dėl terpės erdvinio nehomogeniškumo, kuris suvokiamas kaip netinkamas terpės švytėjimas.

IŠSKLAIDA, atstumo, kuriam esant lygiagrečią šviesos spindulį formuojantis spinduliuotės srautas susilpnėja dėl išsibarstymas aplinkoje 10 arba e kartų.

Rel e aš zachas apie n, sako, kad intensyvumas aš terpės išsklaidytos šviesos kiekis yra atvirkščiai proporcingas krintančios šviesos bangos ilgio l 4-ajai galiai ( aš~ l -4) tuo atveju, kai terpė susideda iš dielektrikų dalelių, kurių matmenys yra daug mažesni už l . Aš rasu ~1/ 4

44. sugerti e Šv. e ta, optinės spinduliuotės (šviesos), praeinančios per materialiąją terpę, intensyvumo sumažėjimas dėl jos sąveikos su terpe procesų. Šviesos energija ties P. su. patenka į įvairias terpės vidinės energijos formas arba kompozicijos optinį spinduliavimą; jį gali visiškai arba iš dalies pakartotinai išspinduliuoti terpė, kurių dažniai skiriasi nuo sugertos spinduliuotės dažnio.

Bouguer dėsnis.Fizikinė prasmė ta, kad pluošto fotonų praradimo terpėje procesas nepriklauso nuo jų tankio šviesos pluošte, t.y. dėl šviesos intensyvumo ir pusės ilgio I.

I=I 0 exp( l ); l yra bangos ilgis,  λ yra absorbcijos indeksas, aš 0 yra sugeriančio pluošto intensyvumas.

Klaida e ra - L a mberta - B e razak apie n, lemia laipsnišką lygiagrečios monochromatinės (vienos spalvos) šviesos pluošto silpnėjimą, kai jis sklinda sugeriančioje medžiagoje. Jei pluošto, patenkančio į medžiagos sluoksnį, galia su storiu l, yra lygus aš o , tuomet pagal B.-L.-B. h., spindulio galia prie išėjimo iš sluoksnio

aš(l)= aš o e- c kl,

čia c yra savitosios šviesos sugerties indeksas, apskaičiuotas koncentracijos vienetui Su medžiaga, kuri lemia absorbciją;

Absorbcijos greitis (kl), atstumo, kuriuo monochromatinė, grįžtamoji vertė spinduliuotės srautas n dažnis, sudarydamas lygiagretų pluoštą, susilpnėja dėl medžiagos absorbcijos e kartų arba 10 kartų. matuojamas cm -1 arba m -1. Spektroskopijoje ir kai kuriose kitose taikomosios optikos šakose terminas "P. p." tradiciškai vartojamas sugerties koeficientui žymėti.

Molinės absorbcijos greitis

Pralaidumas yra spinduliuotės srauto, praėjusio per terpę, ir srauto, nukritusio ant jos paviršiaus, santykis. t = F/F 0

Optinis tankis – medžiagos sluoksnio neskaidrumo matas šviesos spinduliams D = lg (-F 0 / F)

Aplinkos skaidrumas yra spinduliuotės srauto, kuris nekeičiant krypties praėjo per vienetinio storio terpės sluoksnį, dydžio ir krintančio srauto dydžio santykis (tai yra, neatsižvelgiant į sklaidos poveikį ir poveikio sąsajoms).

45. Šiluminė spinduliuotė- nepertraukiamo spektro elektromagnetinė spinduliuotė, kurią skleidžia įkaitę kūnai dėl jų šiluminės energijos.

pilkas kūnas- tai kūnas, kurio absorbcijos koeficientas nepriklauso nuo dažnio, o priklauso tik nuo temperatūros

Dėl pilko kūno

PILKAS KŪNAS- kūnas, absorbcijos koeficientas to-rogo mažesnis nei 1 ir nepriklauso nuo spinduliuotės bangos ilgio ir abs. temp. T. Koef. visų realių kūnų sugertis (dar vadinama juodumo koeficientu S. t.) priklauso nuo (selektyvioji sugertis) ir T, todėl pilkomis juos galima laikyti tik intervalais ir T, kur koeficientas apytiksliai pastovus. Matomoje spektro srityje anglis (= 0,80 prie 400-900 K), suodžiai (= 0,94-0,96 prie 370-470 K) turi suodžių savybių; platinos ir bismuto juodieji sugeria ir skleidžia kaip S. t. plačiausiame diapazone – nuo matomos šviesos iki 25-30 mikronų (= 0,93-0,99).

Pagrindiniai radiacijos dėsniai:

Stefano-Boltzmanno įstatymas- visiškai juodo kūno spinduliavimo dėsnis. Nustato absoliučiai juodo kūno spinduliuotės galios priklausomybę nuo jo temperatūros. Įstatymo formuluotė:

kur yra juodumo laipsnis (visoms medžiagoms, visiškai juodam kūnui). Naudojant Planko dėsnį spinduliuotei, konstanta σ gali būti apibrėžta kaip

kur yra Plancko konstanta, k yra Boltzmanno konstanta, c yra šviesos greitis.

Skaitinė reikšmė J s −1 m −2 K −4 .

Kirchhoffo radiacijos dėsnis yra fizinis dėsnis, kurį 1859 m. nustatė vokiečių fizikas Kirchhoffas.

Dabartinė įstatymo redakcija skamba taip:

Bet kurio kūno spinduliuotės ir jo sugerties gebos santykis yra vienodas visiems kūnams tam tikroje temperatūroje tam tikru dažniu ir nepriklauso nuo jų formos ir cheminės prigimties.

Vertės ir gali labai skirtis judant iš vieno kūno į kitą, tačiau pagal Kirchhoff spinduliuotės dėsnį spinduliavimo ir sugerties gebėjimų santykis nepriklauso nuo kūno prigimties ir yra universali dažnio funkcija ( bangos ilgis) ir temperatūra:

Bangos ilgis, kuriam esant juodo kūno spinduliuotės energija yra didžiausia, nustatomas pagal Vieno poslinkio įstatymas:

kur T yra temperatūra kelvinais, o λ max yra bangos ilgis, kurio didžiausias intensyvumas metrais.

Šiluminės spinduliuotės charakteristikos

Kūnai įkaitinti iki 424e43ie, tarsi aukšta temperatūra, švyti. Kūnų švytėjimas dėl šildymo vadinamas šiluminė (temperatūros) spinduliuotė. Šiluminė spinduliuotė, kuri yra labiausiai paplitusi gamtoje, atsiranda dėl medžiagos atomų ir molekulių šiluminio judėjimo energijos (t. y. dėl jos vidinės energijos) ir būdinga visiems kūnams esant aukštesnei nei 0 K temperatūrai. Šiluminė spinduliuotė charakterizuojama. ištisiniu spektru, kurio maksimumo padėtis priklauso nuo temperatūros. Esant aukštai temperatūrai, skleidžiamos trumpos (matomos ir ultravioletinės) elektromagnetinės bangos, o esant žemai – daugiausia ilgos (infraraudonosios) bangos.

Šiluminė spinduliuotė yra praktiškai vienintelė spinduliuotės rūšis, kuri gali būti pusiausvyra. Tarkime, kad įkaitęs (spinduliuojantis) kūnas dedamas į ertmę, kurią riboja idealiai atspindintis apvalkalas. Laikui bėgant, dėl nuolatinių energijos mainų tarp kūno ir spinduliuotės, ateis pusiausvyra, t. y. kūnas per laiko vienetą sugers tiek energijos, kiek išspinduliuoja. Tarkime, kad pusiausvyra tarp kūno ir spinduliuotės dėl kokių nors priežasčių yra sutrikusi ir kūnas išspinduliuoja daugiau energijos nei sugeria. Jei per laiko vienetą kūnas išspinduliuoja daugiau nei sugeria (arba atvirkščiai), tada kūno temperatūra pradės mažėti (arba padidėti). Dėl to organizmo spinduliuojamos energijos kiekis bus susilpnėjęs (arba amžius 424e43ie ;т), kol galiausiai nusistovi pusiausvyra. Visos kitos spinduliuotės rūšys yra nesubalansuotos.

Kiekybinė šiluminės spinduliuotės charakteristika yra kūno energijos šviesumo (spindulio) spektrinis tankis≈ spinduliuotės galia kūno paviršiaus ploto vienetui vieneto pločio dažnių diapazone:

kur ≈ skleidžiamos elektromagnetinės spinduliuotės energija per laiko vienetą (spinduliavimo galia) kūno paviršiaus ploto vienetui dažnių diapazone nuo n prieš n+d n.

Energijos šviesumo spektrinio tankio vienetas ( Rn, T) ≈džaulių vienam kvadratiniam metrui(J / m 2).

Parašyta formulė gali būti pavaizduota 424e43ie kaip bangos ilgio funkcija:

Nes c=ln, tada

kur minuso ženklas rodo, kad nuo 424e43 metų amžiaus ;vienas iš kiekių ( n arba l) kita reikšmė mažėja. Todėl toliau minuso ženklas bus praleistas. Šiuo būdu,

Naudojant formulę (197.1), galima pereiti nuo Rn, T ═į Rl, T ir atvirkščiai.

Žinodami energijos šviesumo spektrinį tankį, galime apskaičiuoti integralios energijos šviesumas (integralus spindulys)(tai tiesiog vadinama kūno energetiniu šviesumu), sumuojama visais dažniais:

Kūnų gebėjimas sugerti į juos patenkančią spinduliuotę pasižymi spektrinė absorbcija

parodyta, kokią energijos dalį per laiko vienetą kūno paviršiaus ploto vienetui atneša ant jį krentančios elektromagnetinės bangos, kurių dažniai nuo n prieš n+d n yra absorbuojamas organizme. Spektrinė absorbcija yra bematis dydis. Kiekiai Rn, T═ ir A n, T priklauso nuo kūno prigimties, jo termodinaminės temperatūros ir tuo pačiu skiriasi skirtingo dažnio spinduliuotėms. Todėl šios vertės klasifikuojamos kaip T ir n(tiksliau, iki pakankamai 424e43ie; tiksliai siauras dažnio intervalas nuo n prieš n+d n).

Kūnas, galintis bet kokioje temperatūroje visiškai sugerti bet kokio dažnio spinduliuotę, patenkantį į jį, vadinamas juodu. Todėl visų dažnių ir temperatūrų juodo kūno spektrinė absorbcija yra identiška vienetui ( ). Gamtoje nėra visiškai juodų kūnų, tačiau tokie kūnai kaip suodžiai, platinos juodumas, juodasis aksomas ir kai kurie kiti tam tikrame dažnių diapazone savo savybėmis jiems artimi.

Idealus juodo korpuso modelis – uždara ertmė su maža skylute O, kurio vidinis paviršius pajuodęs (286 pav.). Į tokią ertmę patekęs šviesos spindulys patiria daugybinius atspindžius nuo sienų, dėl kurių skleidžiamos spinduliuotės intensyvumas praktiškai lygus nuliui. Patirtis rodo, kad kai skylės dydis yra mažesnis nei 0,1 ertmės skersmens, visų dažnių krintanti spinduliuotė visiškai sugeriama. Dėl to atviri namų langai iš gatvės pusės atrodo juodi, nors patalpų viduje tarsi šviesu dėl šviesos atspindžio nuo sienų.

Kartu su juodo kūno sąvoka vartojama sąvoka pilkas kūnas≈ kūno, kurio sugerties geba mažesnė už vienetą, bet yra vienoda visiems dažniams ir priklauso tik nuo temperatūros, medžiagos ir kūno paviršiaus būklės. Taigi, pilkam kūnui = A T= konst

Šiluminės spinduliuotės tyrimas suvaidino svarbų vaidmenį kuriant šviesos kvantinę teoriją, todėl būtina atsižvelgti į dėsnius, kuriems ji paklūsta.

Kūno energetinis šviesumasR T, skaičiais lygus energijai W kūno spinduliuojama visame bangų ilgio diapazone (0<<) kūno paviršiaus vienetui, laiko vienetui, esant kūno temperatūrai T, t.y.

(1)

Kūno spinduliuotėr , T skaitine prasme lygus kūno energijai dW kūno spinduliuojamas kūno paviršiaus vienetas per laiko vienetą kūno temperatūrai T bangų ilgių diapazone nuo  iki  +d, tie.

(2)

Ši vertė dar vadinama kūno energijos šviesumo spektriniu tankiu.

Energijos šviesumas yra susietas su spinduliuote pagal formulę

(3)

sugeriamumas kūnas  , T- skaičius, rodantis, kokią kūno paviršiuje krintančios spinduliuotės energijos dalį jis sugeria bangų ilgių diapazone nuo  iki  +d, tie.

. (4)

Kūnas, kuriam  ,T=1 visame bangos ilgio diapazone vadinamas juodu kūnu (juodu kūnu).

Kūnas, kuriam  ,T=konst<1 visame bangos ilgio diapazone vadinamas pilka.

46. Specialūs fiziniai prietaisai, vadinami aktinometrais, gali išmatuoti saulės energijos kiekį, gaunamą žemės paviršiuje ploto vienetui per laiko vienetą. Prieš saulės spinduliai ir pasiekia Žemės paviršių ir patenka į aktinometrą, jie turi praeiti per visą mūsų atmosferos storį, ko pasekoje dalį energijos sugers atmosfera. Šios absorbcijos dydis labai skiriasi priklausomai nuo atmosferos būklės, todėl skirtingu metu žemės paviršiuje gaunamos saulės energijos kiekis labai skiriasi.

Saulės konstanta – tai energijos kiekis, kurį per minutę mažomis kalorijomis gauna vienas kvadratinis centimetras ploto, esančio ties žemės atmosferos riba, statmena saulės spinduliams. Iš daugybės daugelio geofizinių observatorijų aktinometrinių stebėjimų buvo gauta tokia saulės konstantos vertė:

A = 1,94 cal/cm2 min.

Į 1 kvadratinį metrą aikštelės, nukreiptos į Saulę, esančios netoli Žemės, per sekundę patenka 1400 J saulės elektromagnetinės spinduliuotės pernešamos energijos. Ši vertė vadinama saulės konstanta. Kitaip tariant, saulės spinduliuotės energijos srauto tankis yra 1,4 kW/m 2 .

SAULES SPEKTRAS – Saulės elektromagnetinės spinduliuotės energijos pasiskirstymas bangos ilgių diapazone nuo kelių nm dalių (gama spinduliuotės) iki metrų radijo bangų. Matomoje srityje saulės spektras yra artimas absoliučiai juodo kūno spektrui, kurio temperatūra yra apie 5800 K; turi energijos maksimumą 430-500 nm srityje. Saulės spektras yra ištisinis spektras, kuriame yra daugiau nei 20 tūkstančių įvairių cheminių elementų absorbcijos linijų (Fraunhoferio linijų).

Aktinas apie metras- prietaisas tiesioginės saulės spinduliuotės intensyvumui matuoti. A. veikimo principas pagrįstas krentančios spinduliuotės sugėrimu pajuodusiu paviršiumi ir jos energijos pavertimu šiluma. A. yra santykinis prietaisas, nes. apie radiacijos intensyvumą sprendžiama pagal įvairius kaitinimą lydinčius reiškinius, priešingai nei pirheliometrai – absoliutūs instrumentai. Pavyzdžiui, Michelson aktinometro veikimo principas pagrįstas saulės spindulių suodžiais pajuodusios bimetalinės plokštės kaitinimu. 1 , presuotas iš geležies ir invar.. Kaitinant geležis pailgėja, o invaras beveik nepatiria šiluminio plėtimosi, todėl plokštelė linksta. Posūkio dydis yra saulės spinduliuotės intensyvumo matas. Naudojant mikroskopą, stebimas kvarco gijos judėjimas , esančios plokštės gale.

Kikoin A.K. Visiškai juodas kūnas // Kvantas. - 1985. - Nr.2. - S. 26-28.

Specialiu susitarimu su redakcija ir žurnalo „Kvant“ redaktoriais

šviesa ir spalva

Kai žiūrime į skirtingus kūnus aplink mus dienos šviesoje (saulės šviesoje), matome juos nudažytus skirtingomis spalvomis. Taigi, žolės ir medžių lapai yra žali, žiedai raudoni arba mėlyni, geltoni arba violetiniai. Taip pat yra juodų, baltų, pilkų kūnų. Visa tai negali sukelti nuostabos. Atrodytų, visus kūnus apšviečia ta pati šviesa – Saulės šviesa. Kodėl jų spalvos skiriasi? Pabandykime atsakyti į šį klausimą.

Remsimės tuo, kad šviesa yra elektromagnetinė banga, tai yra, sklindantis kintamasis elektromagnetinis laukas. Saulės šviesoje yra bangų, kuriose elektriniai ir magnetiniai laukai svyruoja skirtingais dažniais.

Bet kuri medžiaga susideda iš atomų ir molekulių, turinčių įkrautų dalelių, kurios sąveikauja viena su kita. Kadangi dalelės yra įkrautos, jos gali judėti veikiamos elektrinio lauko, o jei laukas yra kintamas, tada jos gali svyruoti, o kiekviena kūno dalelė turi tam tikrą natūralų virpesių dažnį.

Šis paprastas, nors ir nelabai tikslus vaizdas leis mums suprasti, kas nutinka šviesai sąveikaujant su medžiaga.

Kai šviesa krinta ant kūno, jo „atneštas“ elektrinis laukas sukelia kūno daleles, esančias įkrautas, priverstinius virpesius (šviesos bangos laukas yra kintamas!). Tokiu atveju kai kurioms dalelėms jų pačių virpesių dažnis gali sutapti su tam tikru šviesos bangos lauko virpesių dažniu. Tada, kaip žinoma, įvyks rezonanso reiškinys – staigus virpesių amplitudės padidėjimas (apie tai kalbama „Fizikos 10“ § 9 ir 20). Rezonanso metu bangos atnešama energija perduodama kūno atomams, dėl to jis galiausiai įkaista. Teigiama, kad šviesa, kurios dažnis yra rezonansiniame, buvo absorbuota kūno.

Tačiau kai kurios krintančios šviesos bangos nepatenka į rezonansą. Tačiau jie taip pat sukelia kūno dalelių svyravimus, tačiau svyruoja su maža amplitude. Šios dalelės pačios tampa vadinamųjų antrinių tokio pat dažnio elektromagnetinių bangų šaltiniais. Antrinės bangos, kartu su krintančiomis bangomis, sudaro atspindėtą arba perduodamą šviesą.

Jei kūnas yra nepermatomas, tada ant kūno patenkančiai šviesai gali atsitikti tik absorbcija ir atspindys: šviesa, kuri nepatenka į rezonansą, atsispindi, o krintanti šviesa sugeriama. Tai yra kūnų spalvos „paslaptis“. Jei, pavyzdžiui, raudoną spalvą atitinkantys virpesiai pateko į rezonansą dėl krintančios saulės šviesos kompozicijos, tada jos nebus atspindėtoje šviesoje. O mūsų akis yra išdėstyta taip, kad saulės šviesa, neturinti raudonos dalies, sukelia žalios spalvos pojūtį. Taigi nepermatomų kūnų spalva priklauso nuo to, kokie krintančios šviesos dažniai nėra kūno atspindėtoje šviesoje.

Yra kūnų, kuriuose įkrautos dalelės turi tiek skirtingų natūralių vibracijų dažnių, kad kiekvienas arba beveik kiekvienas krentančios šviesos dažnis patenka į rezonansą. Tada visa krentanti šviesa sugeriama ir tiesiog nėra ką atspindėti. Tokie kūnai vadinami juodais, tai yra juodais kūnais. Tiesą sakant, juoda yra ne spalva, o bet kokios spalvos nebuvimas.

Būna ir tokių kūnų, kuriuose į rezonansą nepatenka nei vienas dažnis krentančioje šviesoje, tada visai nėra sugerties, o visa krentanti šviesa atsispindi. Tokie kūnai vadinami baltais. Balta irgi ne spalva, tai visų spalvų mišinys.

šviesos emisija

Yra žinoma, kad bet kuris kūnas pats gali tapti šviesos šaltiniu. Tai suprantama – juk bet kuriame kūne yra svyruojančių įkrautų dalelių, kurios gali tapti skleidžiamų bangų šaltiniais. Tačiau normaliomis sąlygomis – žemoje temperatūroje – šių svyravimų dažniai yra santykinai maži, o skleidžiami bangų ilgiai yra daug didesni nei matomos šviesos (infraraudonosios šviesos) bangos ilgiai. Esant aukštai temperatūrai, kūne „įsijungia“ ir aukštesnių dažnių virpesiai, jis pradeda skleisti akiai matomas šviesos bangas.

Kokią šviesą skleidžia kūnas, kokio dažnio virpesius galima „įjungti“ kaitinant? Akivaizdu, kad gali atsirasti tik natūralių dažnių virpesiai. Esant žemai temperatūrai, įkrautų dalelių, turinčių aukštus natūralios vibracijos dažnius, skaičius yra mažas, o jų spinduliavimas yra nepastebimas. Kylant temperatūrai, tokių dalelių daugėja, tampa įmanoma skleisti matomą šviesą.

Ryšys tarp spinduliuotės ir šviesos sugerties

Absorbcija ir emisija yra priešingi reiškiniai. Tačiau tarp jų yra kažkas bendro.

Sugerti reiškia imti, spinduliuoti – reiškia duoti. O ką „pasima“ organizmas, sugerdamas šviesą? Akivaizdu, kas gali imti, tai yra, šviesa tų dažnių, kurie yra lygūs natūraliems jos dalelių virpesių dažniams. Kas „duoda“ kūnui, skleidžiant šviesą? Tai, ką ji turi, tai yra šviesa, atitinkanti jo paties virpesių dažnius. Todėl tarp kūno gebėjimo skleisti šviesą ir gebėjimo ją sugerti turi būti glaudus ryšys. O šis ryšys paprastas: kuo daugiau kūnas spinduliuoja, tuo stipriau sugeria. Šiuo atveju, žinoma, ryškiausias emiteris turėtų būti juodas korpusas, kuris sugeria visų dažnių vibracijas. Matematiškai šį ryšį 1859 metais užmezgė vokiečių fizikas Gustavas Kirchhoffas.

Kūno spinduliavimo koeficientu vadinkime energiją, kurią išskiria jo paviršiaus ploto vienetas per laiko vienetą, ir pažymime ją Eλ, T. Skirtingiems bangos ilgiams jis skiriasi ( λ ) ir skirtingos temperatūros ( T), taigi ir indeksai λ ir T. Kūno sugerties geba yra šviesos energijos, kurią kūnas sugeria per laiko vienetą, ir krintančios šviesos energijos santykis. Pažymėkime tai Aλ,T – tai taip pat skiriasi skirtingiems λ ir T.

Kirchhoffo dėsnis teigia, kad visų kūnų spinduliavimo ir sugėrimo gebėjimų santykis yra vienodas:

\(~\frac(E_(\lambda, T))(A_(\lambda, T)) = C\) .

Vertė NUO nepriklauso nuo kūnų prigimties, bet priklauso nuo šviesos bangos ilgio ir temperatūros: C = f(λ , T). Pagal Kirchhoffo dėsnį, kūnas, kuris geriau sugeria tam tikrą temperatūrą, turėtų spinduliuoti intensyviau.

Visiškai juodas korpusas

Kirchhoffo dėsnis galioja visiems kūnams. Tai reiškia, kad jį galima pritaikyti ir kūnui, kuris sugeria visus be išimties bangos ilgius. Toks kūnas vadinamas visiškai juodu. Jai absorbcija yra lygi vienybei, todėl Kirchhoffo dėsnis įgauna formą

\(~E_(\lambda, T) = C = f(\lambda, T)\) .

Taip išryškėja funkcijos prasmė f(λ , T): jis lygus visiškai juodo kūno spinduliuotei. Užduotis surasti funkciją C = f(λ , T) virto užduotimi rasti juodo kūno spinduliuotės energijos priklausomybę nuo temperatūros ir bangos ilgio. Galų gale, po dviejų dešimtmečių bergždžių bandymų, tai buvo išspręsta. Jo sprendimas, kurį pateikė vokiečių fizikas teoretikas Maxas Planckas, buvo naujos fizikos – kvantinės fizikos – pradžia.

Atkreipkite dėmesį, kad absoliučiai juodi kūnai gamtoje neegzistuoja. Net pati juodiausia iš visų žinomų medžiagų – suodžiai – sugeria ne 100, o 98% ant jos krentančios šviesos. Todėl juodojo kūno spinduliuotei eksperimentiškai tirti buvo naudojamas dirbtinis prietaisas.

Paaiškėjo, kad absoliučiai juodo kūno savybės turi ... uždarą ertmę su maža skylute (žr. pav.). Iš tiesų, kai šviesos spindulys patenka į skylę, jis patiria daug nuoseklių atspindžių ertmės viduje, todėl jis turi labai mažai galimybių išeiti iš skylės į išorę. (Dėl tos pačios priežasties atviras langas namuose atrodo tamsus net ir šviesią saulėtą dieną). Jeigu toks kūnas yra šildomas, tai iš skylės sklindanti spinduliuotė praktiškai nesiskiria nuo visiškai juodo kūno spinduliuotės.

Vamzdis, kurio vienas galas uždaras, gali pasitarnauti ir kaip gera visiškai juodo korpuso imitacija. Jei vamzdis šildomas, jo atviras galas šviečia kaip visiškai juodas korpusas. Įprastoje temperatūroje jis atrodo visiškai juodas, kaip skylė ertmėje.