Koje je boje potpuno crno tijelo? Čisto crno tijelo

- fizička apstrakcija koja se koristi u termodinamici, tijelo koje u potpunosti apsorbira zračenje u svim rasponima koji na njega upadaju. Uprkos svom imenu, samo crno tijelo može emitovati elektromagnetno zračenje. Spektar zračenja potpuno crnog tijela određen je samo njegovom temperaturom. Praktičan model crnog tijela bila bi šupljina s malom rupom i pocrnjelim zidovima, jer svjetlost koja ulazi u šupljinu kroz rupu doživljava višestruke refleksije i snažno se apsorbira. Duboka crna boja nekih materijala (ugljen, crni baršun) i zjenica ljudskog oka objašnjava se istim mehanizmom.
Termin je skovao Gustav Kirchhoff 1862.

Intenzitet zračenja crnog tijela u zavisnosti od temperature i frekvencije određen je Planckovim zakonom:

Gdje I (?) d ? – snaga zračenja po jedinici površine emitivne površine po jedinici čvrstog ugla u frekvencijskom opsegu od? prije? + d ?

Ukupna energija termičko zračenje određuje Stefan-Boltzmannov zakon:

Gdje F je snaga po jedinici površine zračeće površine, i

W / (m 2 K 4) – postao Stefan-Boltzmann.

Talasna dužina na kojoj je energija zračenja maksimalna određena je Wienovim zakonom pomaka:

Gdje T je temperatura u Kelvinima, i ? max – talasna dužina s maksimalnim intenzitetom u metrima.
Vidljiva boja apsolutno crna tijela s različitim temperaturama prikazana su na dijagramu desno.
Kretanje svjetlosnih zraka u apsolutno crnom tijelu Moguće je umjetno proizvesti gotovo apsolutno crno tijelo pretvaranjem unutrašnje površine neprozirnog tijela zagrijanog na određenu temperaturu sa šupljinom i malom rupom. Bilo koja zraka koja prolazi kroz rupu A u šupljinu C praktički ne izlazi nazad, te stoga doživljava višestruku refleksiju i apsorpciju. Dakle, rupa A upija zrake kao potpuno crno tijelo.
Treba napomenuti da geometrijske dimenzije Potpuno crno tijelo nameće prirodna ograničenja dužini elektromagnetnog vala koji se kroz njega može širiti. Zaista, ako je valna dužina veća od veličine crnog tijela, onda se jednostavno ne može vidjeti sa zidova u njemu. Ova činjenica je posebno važna u kosmologiji, kada se Univerzum modelira u obliku apsolutno crnog tijela ranim fazama razvoj, posebno kada se uzme u obzir kosmičko mikrovalno pozadinsko zračenje.
Koncept apsolutnog crnog tijela se široko koristi u astrofizici. Zračenje Sunca je blisko zračenju takvog tijela sa temperaturom od 6000K. Čitav Univerzum je prožet tzv kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje, blizu zračenja crnog tijela sa temperaturom od 3K. Poređenje ukupnog zračenja zvijezda sa zračenjem takvog tijela nam omogućava da približno procijenimo efektivnu temperaturu zvijezde. Odstupanje zračenja zvijezde od zračenja crnog tijela često je prilično uočljivo. U dubinama Sunca i zvezda, zagrejanih na desetine miliona stepeni, zračenje od visoka tačnost odgovara takvom zračenju.
Za praktičnu implementaciju modela crnog tijela potrebno je osigurati mogućnost ravnomjernog zagrijavanja zidova šupljine i emitiranja zračenja kroz malu rupu. Jedan od prvih eksperimentalnih uzoraka crnog tijela bio je uređaj koji su napravili Lummer i Pringsheim. Bio je to metalni kontejner sa duplim zidovima (slično termostatu). Prostor između zidova korišten je kao “temperaturna kupka” za održavanje određene i ujednačene temperature. To se postizalo propuštanjem pare kroz kipuću vodu ili niske temperature– punjenjem ledom, čvrstim ugljen-dioksidom, tečnim vazduhom itd.
Za proučavanje zračenja na visoke temperature korišteno je crno tijelo drugačijeg dizajna. Cilindar od platinastog lima, kroz koji se struja, potreban je za ravnomjerno zagrijavanje unutrašnjeg porculanskog cilindra. Temperatura unutar cilindra je mjerena termoelementom, a dijafragme su sprječavale hlađenje prodirajućim zrakom.
Uz pomoć tako jednostavnih uređaja - modela crnog tijela, eksperimentalno su proučavani zakoni zračenja, precizno određene njegove konstante i proučavana spektralna raspodjela svjetline.

Spektralna gustina zračenja potpuno crnog tijela je univerzalna funkcija talasnu dužinu i temperaturu. To znači da spektralni sastav i energija zračenja potpuno crnog tijela ne zavise od prirode tijela.

Formule (1.1) i (1.2) pokazuju da se, poznavajući spektralnu i integralnu gustoću zračenja apsolutno crnog tijela, mogu izračunati za svako necrno tijelo ako je poznat koeficijent apsorpcije ovog posljednjeg, koji se mora odrediti eksperimentalno.

Istraživanje je dovelo do sljedećih zakona zračenja crnog tijela.

1. Stefan-Boltzmannov zakon: Integralna gustina zračenja apsolutno crnog tijela proporcionalna je četvrtom stepenu njegove apsolutne temperature

Magnituda σ pozvao Stefanova konstanta- Boltzmann:

σ = 5,6687·10 -8 J m - 2 s - 1 K – 4.

Energija koja se emituje tokom vremena t potpuno crno tijelo sa zračećom površinom S na konstantnoj temperaturi T,

W=σT 4 St

Ako se tjelesna temperatura mijenja tokom vremena, tj. T = T(t), To

Stefan-Boltzmannov zakon ukazuje na izuzetno brzo povećanje snage zračenja sa porastom temperature. Na primjer, kada se temperatura poveća sa 800 na 2400 K (tj. sa 527 na 2127 °C), zračenje potpuno crnog tijela povećava se 81 puta. Ako je potpuno crno tijelo okruženo sredinom s temperaturom T 0, tada će oko apsorbirati energiju koju emituje sama okolina.

U ovom slučaju, razlika između snage emitovanog i apsorbovanog zračenja može se približno izraziti formulom

U=σ(T 4 – T 0 4)

Stefan-Boltzmannov zakon nije primenljiv na stvarna tela, što više pokazuju zapažanja kompleksna zavisnost R na temperaturu, kao i na oblik tijela i stanje njegove površine.

2. Wienov zakon pomaka. Talasna dužina λ 0, koja predstavlja maksimalnu spektralnu gustoću zračenja crnog tijela, obrnuto je proporcionalna apsolutnoj temperaturi tijela:

λ 0 = ili λ 0 T = b.

Konstantno b, pozvao stalni zakon krivica, jednak b = 0,0028978 m K ( λ izraženo u metrima).

Dakle, s povećanjem temperature, ne samo da se povećava ukupno zračenje, već se, osim toga, mijenja i raspodjela energije po spektru. Na primjer, na niskim tjelesnim temperaturama uglavnom uče infracrvene zrake, a kako temperatura raste, zračenje postaje crvenkasto, narandžasto i konačno bijelo. Na sl. Slika 2.1 prikazuje krivulje empirijske raspodjele energije zračenja crnog tijela po talasnoj dužini at različite temperature: iz njih je jasno da se maksimalna spektralna gustina zračenja pomera ka kraćim talasima sa porastom temperature.

3. Plankov zakon. Stefan-Boltzmann zakon i Wien zakon pomaka ne rješavaju glavni problem kolika je spektralna gustina zračenja na svakoj talasnoj dužini u spektru crnog tijela na temperaturi T. Da biste to učinili, morate uspostaviti funkcionalnu ovisnost I od λ I T.

Na osnovu ideje o kontinuiranoj prirodi emisije elektromagnetnih valova i na zakonu ravnomjerne raspodjele energije po stupnjevima slobode (prihvaćenom u klasičnoj fizici), dobijene su dvije formule za spektralnu gustoću i zračenje crnog tijela. :

1) Vinska formula

Gdje a I b- konstante;

2) Rayleigh-Jeans formula

u λT = 8πkT λ – 4 ,

Gdje k- Boltzmannova konstanta. Eksperimentalno ispitivanje je pokazalo da je za datu temperaturu Wienova formula tačna za kratke talase (kada λT veoma mali i daje oštre konvergencije iz iskustva u području dugih talasnih dužina. Rayleigh-Jeans formula se pokazala kao tačna za duge valove i potpuno je neprimjenjiva za kratke (slika 2.2).

Dakle klasična fizika pokazalo se da nije u stanju da objasni zakon raspodele energije u spektru zračenja potpuno crnog tela.

Za određivanje tipa funkcije u λT bile su potrebne potpuno nove ideje o mehanizmu emisije svjetlosti. M. Planck je 1900. pretpostavio da apsorpcija i emisija energije elektromagnetno zračenje atomi i molekuli su mogući samo u odvojenim "porcijama", koji se nazivaju energetski kvanti. Veličina kvanta energije ε proporcionalno frekvenciji zračenja v(obrnuto proporcionalno talasnoj dužini λ ):

ε = hv = hc/λ

Faktor proporcionalnosti h = 6.625·10 -34 J·s i zove se Plankova konstanta. U vidljivom dijelu spektra za talasnu dužinu λ = 0,5 µm vrijednost kvanta energije je jednaka:

ε = hc/λ= 3,79·10 -19 J·s = 2,4 eV

Na osnovu ove pretpostavke, Planck je dobio formulu za u λT:

Gdje k– Boltzmannova konstanta, With– brzina svjetlosti u vakuumu. l Kriva koja odgovara funkciji (2.1) je takođe prikazana na Sl. 2.2.

Iz Planckovog zakona (2.11) dobijaju se Stefan-Boltzmannov zakon i Wienov zakon pomeranja. Zaista, za integralnu gustinu zračenja dobijamo

Izračunavanje pomoću ove formule daje rezultat koji se poklapa sa empirijski značaj Stefan-Boltzmannova konstanta.

Wienov zakon pomaka i njegova konstanta mogu se dobiti iz Planckove formule pronalaženjem maksimuma funkcije u λT, zašto je derivat od u λT By λ , i jednako je nuli. Izračun vodi do formule:

Proračun konstante b ova formula također daje rezultat koji se poklapa sa empirijskom vrijednošću Wien konstante.

Razmotrimo najvažnije primjene zakona toplinskog zračenja.

A. Termalni izvori svjetlosti. Većina vještački izvori svjetlost su termalni emiteri (električne žarulje sa žarnom niti, konvencionalne lučne lampe, itd.). Međutim, ovi izvori svjetlosti nisu baš ekonomični.

U § 1 je rečeno da je oko osetljivo samo na veoma uski deo spektra (od 380 do 770 nm); svi ostali talasi nemaju efekta vizuelni osećaj. Maksimalna osetljivost oka odgovara talasnoj dužini λ = 0,555 µm. Na osnovu ovog svojstva oka, od izvora svjetlosti treba zahtijevati takvu raspodjelu energije u spektru pri kojoj bi maksimalna spektralna gustina zračenja padala na valnu dužinu λ = 0,555 µm ili tako. Ako uzmemo apsolutno crno tijelo kao takav izvor, onda koristeći Wienov zakon pomaka možemo izračunati njegovu apsolutnu temperaturu:

Dakle, najpovoljniji termalni izvor svjetlosti trebao bi imati temperaturu od 5200 K, što odgovara temperaturi solarna površina. Ova koincidencija je rezultat biološke adaptacije ljudskog vida na distribuciju energije u spektru sunčevo zračenje. Ali čak i ovaj izvor svjetlosti efikasnost(odnos energije vidljivog zračenja prema ukupna energija ukupno zračenje) će biti malo. Grafički na sl. 2.3 ovaj koeficijent je izražen omjerom površina S 1 I S; kvadrat S 1 izražava energiju zračenja u vidljivom području spektra, S- svu energiju zračenja.

Proračuni pokazuju da je na temperaturi od oko 5000-6000 K svjetlosna efikasnost samo 14-15% (za apsolutno crno tijelo). Na temperaturi postojećih veštačkih izvora svetlosti (3000 K), ova efikasnost je samo oko 1-3%. Ovako mali “svjetlosni izlaz” termalnog emitera objašnjava se činjenicom da se tijekom haotičnog kretanja atoma i molekula pobuđuju ne samo svjetlosni (vidljivi) valovi, već i drugi elektromagnetni valovi koji nemaju svjetlosni učinak na oko. Stoga je nemoguće selektivno natjerati tijelo da emituje samo one valove na koje je oko osjetljivo: emituju se i nevidljivi valovi.

Najvažniji od savremenih temperaturnih izvora svjetlosti su električne žarulje sa žarnom niti s volframovim vlaknom. Tačka topljenja volframa je 3655 K. Međutim, zagrijavanje filamenta na temperature iznad 2500 K je opasno, jer se volfram na ovoj temperaturi vrlo brzo atomizira i filament se uništava. Da bi se smanjilo prskanje filamenta, predloženo je punjenje lampi inertnim plinovima (argon, ksenon, dušik) pod pritiskom od oko 0,5 atm. To je omogućilo podizanje temperature filamenta na 3000-3200 K. Na ovim temperaturama maksimalna spektralna gustina zračenja leži u području infracrvenih talasa (oko 1,1 mikrona), tako da sve moderne žarulje sa žarnom niti imaju efikasnost neznatno više od 1%.

B. Optička pirometrija. Gore navedeni zakoni zračenja crnog tijela omogućavaju određivanje temperature ovog tijela ako je poznata talasna dužina λ 0 , što odgovara maksimumu u λT(prema Wienovom zakonu), ili ako je poznata vrijednost integralne gustine zračenja (prema Stefan-Boltzmannom zakonu). Ove metode određivanja tjelesne temperature iz njegovog toplinskog zračenja u kabini optička pirometrija; posebno su korisni pri mjerenju vrlo visokih temperatura. Kako se navedeni zakoni odnose samo na apsolutno crno tijelo, optička pirometrija zasnovana na njima daje dobri rezultati samo pri mjerenju temperatura tijela bliskih po svojim svojstvima apsolutno crnoj. U praksi su to fabričke peći, laboratorijske muflne peći, kotlovske peći itd. Razmotrimo tri načina za određivanje temperature toplotnih emitera:

A. Metoda zasnovana na Bečkom zakonu pomeranja. Ako znamo talasnu dužinu na kojoj pada maksimalna spektralna gustina zračenja, tada se tjelesna temperatura može izračunati pomoću formule (2.2).

Konkretno, na ovaj način se određuje temperatura na površini Sunca, zvijezda itd.

Za tijela koja nisu crna, ova metoda ne daje pravu tjelesnu temperaturu; ako postoji jedan maksimum u emisionom spektru i izračunamo T prema formuli (2.2), onda nam proračun daje temperaturu apsolutno crnog tijela, koje ima gotovo istu raspodjelu energije u spektru kao tijelo koje se testira. U ovom slučaju, boja zračenja apsolutno crnog tijela bit će ista kao i boja zračenja koje se proučava. Ova tjelesna temperatura se naziva njena temperatura boje.

Šarena temperaturaŽarnica žarulje sa žarnom niti je 2700-3000 K, što je vrlo blizu njene prave temperature.

b. Radijacijska metoda mjerenja temperature na osnovu merenja integralne gustine zračenja tela R i izračunavanje njegove temperature koristeći Stefan-Boltzmannov zakon. Odgovarajući uređaji se nazivaju radijacijski pirometri.

Naravno, ako zrači tijelo nije apsolutno crno, tada radijacijski pirometar neće dati pravu temperaturu tijela, već će pokazati temperaturu apsolutno crnog tijela pri kojoj je integralna gustina zračenja potonjeg jednaka integralnom zračenju. gustina testnog tijela. Ova tjelesna temperatura se zove zračenje, ili energija, temperatura.

Među nedostacima radijacijskog pirometra ističemo nemogućnost njegovog korištenja za određivanje temperature malih objekata, kao i utjecaj medija koji se nalazi između objekta i pirometra, koji apsorbira dio zračenja.

V. I metoda svjetline za određivanje temperature. Njegov princip rada zasniva se na vizuelnom poređenju svjetline vruće niti pirometarske lampe sa svjetlinom slike zagrijanog ispitnog tijela. Uređaj je teleskop sa električnom lampom koja se napaja iz baterije. Jednakost, vizuelno posmatrana kroz monokromatski filter, određena je nestajanjem slike niti na pozadini slike vrelog tela. Filament se reguliše pomoću reostata, a temperatura se određuje ampermetarskom skalom, stepenovanom direktno na temperaturu.

Polarizacija svjetlosti je proces uređenja oscilacija vektora intenziteta električno polje svjetlosni val kada svjetlost prolazi kroz određene tvari (tokom prelamanja) ili kada se svjetlosni tok reflektira. Postoji nekoliko načina za proizvodnju polarizirane svjetlosti.

1) Polarizacija pomoću polaroida. Polaroidi su celuloidni filmovi obloženi tankim slojem kristala kinin sulfata. Upotreba polaroida je trenutno najčešća metoda polarizacije svjetlosti.

2) Polarizacija refleksijom. Ako prirodni snop svjetlosti padne na crnu uglačanu površinu, reflektirani snop je djelomično polariziran. Kao polarizator i analizator može se koristiti ogledalo ili prilično dobro uglačano obično prozorsko staklo, pocrnjeno s jedne strane asfaltnim lakom.

Što se pravilnije održava upadni ugao, to je veći stepen polarizacije. Za staklo, upadni ugao je 57°.

3) Polarizacija putem refrakcije. Svjetlosni snop je polariziran ne samo tokom refleksije, već i tokom prelamanja. U ovom slučaju, kao polarizator i analizator koristi se snop od 10-15 tankih staklenih ploča presavijenih zajedno, smještenih pod uglom od 57° u odnosu na svjetlosne zrake koje upadaju na njih.

Veleprodaja I ical act I temeljitost, sposobnost medija da izazove rotaciju ravni polarizacije koja prolazi kroz njega optičko zračenje(Sveta).

ugao j rotacije ravni polarizacije linearno zavisi od debljine l sloj aktivna supstanca(ili njegov rastvor) i koncentraciju With ove supstance - j = [a] lc(koeficijent [a] se naziva specifični O. a.); 2) rotacija u datom okruženju se dešava ili u smjeru kazaljke na satu (j > 0) ili suprotno od kazaljke na satu (j< 0), если смотреть навстречу ходу лучей света

43. Russ e štovanje sv. e ta, promjena karakteristika toka optičkog zračenja (svjetlosti) tokom njegove interakcije sa materijom. Ove karakteristike mogu biti prostorna distribucija intenziteta, frekvencijski spektar i polarizacija svjetlosti. Često R. s. naziva se samo promjena smjera širenja svjetlosti uzrokovana prostornom heterogenošću medija, koja se doživljava kao nepravilan sjaj medija.

SCATTERINGINDEX, recipročna udaljenost na kojoj je tok zračenja koji formira paralelni svjetlosni snop oslabljen kao rezultat rasipanje u okruženju za 10 puta ili e puta.

Rel e Ja sam Zach O n, navodi da je intenzitet I svjetlost raspršena u mediju obrnuto je proporcionalna 4. stepenu valne dužine l upadne svjetlosti ( I~ l -4) u slučaju kada se medij sastoji od dielektričnih čestica čije su dimenzije mnogo manje od l . Rass ~1/ 4

44. Upijajuće e cija sv. e ta, smanjenje intenziteta optičkog zračenja (svjetlosti) koje prolazi materijalno okruženje, zbog procesa njegove interakcije sa okolinom. Svetlosna energija na P. s. ulazi u raznih oblika unutrašnja energija okolina ili sastav optičkog zračenja; može se potpuno ili djelomično ponovo emitovati iz medija na frekvencijama različitim od frekvencije apsorbiranog zračenja.

Bouguerov zakon.Fizičko značenje je da proces gubitka snopa fotona u mediju ne zavisi od njihove gustine u svetlosnom snopu, tj. o intenzitetu svjetlosti i polu-dužini I.

I=I 0 exp(λl ); l – talasna dužina,  λ - brzina apsorpcije, I 0– intenzitet upijajućeg snopa.

Bug e ra - L A Mberta - B e rak O n, određuje postepeno slabljenje paralelnog monokromatskog (jednobojnog) snopa svjetlosti dok se širi u apsorbirajućoj tvari. Ako snaga zraka ulazi u sloj tvari debeo l, jednak I o, dakle, prema B.-L.-B. h., snaga snopa na izlazu iz sloja

I(l)= I o e- c cl,

gdje je c specifični indikator apsorpcije svjetlosti, izračunat po jedinici koncentracije With tvar koja određuje apsorpciju;

Stopa apsorpcije (k l), recipročna udaljenost na kojoj je monokromatski fluks zračenja frekvencija n, formirajući paralelni snop, je oslabljena zbog apsorpcije materije u e puta ili 10 puta. Izmjereno u cm -1 ili m -1 . U spektroskopiji i nekim drugim granama primijenjene optike pojam "PP" tradicionalno se koristi za označavanje koeficijenta apsorpcije.

Brzina molarne apsorpcije

Transmitans je omjer fluksa zračenja koji prolazi kroz medij i fluksa koji pada na njegovu površinu. t = F/F 0

Optička gustina je mjera neprozirnosti sloja tvari za svjetlosne zrake D = log(-F 0 /F)

Transparentnost okruženja- omjer veličine fluksa zračenja koji je prošao bez promjene smjera kroz sloj medija jedinične debljine prema veličini upadnog fluksa (tj. bez uzimanja u obzir efekata raspršenja i uticaja efekata na interfejse) .

45. Toplotno zračenje- elektromagnetno zračenje sa kontinuiranim spektrom, koje emituju zagrejana tela zbog svoje toplotne energije.

Apsolutno crno telo - fizička idealizacija koja se koristi u termodinamici, tijelo koje apsorbira svo elektromagnetno zračenje koje pada na njega u svim rasponima i ne reflektira ništa. Unatoč imenu, potpuno crno tijelo može samo emitovati elektromagnetno zračenje bilo koje frekvencije i vizualno imati boju. Spektar zračenja apsolutno crnog tijela određen je samo njegovom temperaturom.

Sivo tijelo- ovo je tijelo čiji koeficijent apsorpcije ne zavisi od frekvencije, već zavisi samo od temperature

Za sivo tijelo

GREY BODY- tijelo, koeficijent apsorpcije koji je manji od 1 i ne zavisi od talasne dužine zračenja i abs. temperature T. Coef. apsorpcija (koja se naziva i koeficijent crnine S.t.) svih stvarna tela zavisi od (selektivna apsorpcija) i T, stoga se mogu smatrati sivim samo u intervalima i T, gdje je koeficijent cca. trajno. U vidljivom dijelu spektra svojstva sunčevog zračenja imaju ugalj( = 0,80 na 400-900 K), čađ ( = 0,94-0,96 na 370-470 K); platina i bizmut crni apsorbuju i emituju kao svetlost u najširem opsegu - od vidljive svetlosti do 25-30 mikrona (= 0,93-0,99).

Osnovni zakoni zračenja:

Stefan-Boltzmannov zakon- zakon zračenja crnog tijela. Određuje ovisnost snage zračenja apsolutno crnog tijela o njegovoj temperaturi. Izjava zakona:

gdje je stepen crnila (za sve supstance, za apsolutno crno tijelo). Koristeći Planckov zakon za zračenje, konstanta σ se može definirati kao

gdje je Plankova konstanta, k- Boltzmannova konstanta, c- brzina svetlosti.

Numerička vrijednost J s −1 m −2 K −4.

Kirchhoffov zakon zračenja - fizički zakon, koju je ustanovio njemački fizičar Kirchhoff 1859. godine.

U svojoj modernoj formulaciji, zakon glasi:

Omjer emisivnosti bilo kojeg tijela i njegovog apsorpcionog kapaciteta je isti za sva tijela na datoj temperaturi za datu frekvenciju i ne ovisi o njihovom obliku i kemijskoj prirodi.

Poznato je da kada elektromagnetno zračenje padne na određeno tijelo, dio se odbija, dio apsorbira, a dio se može prenijeti. Udio zračenja apsorbiranog na datoj frekvenciji naziva se kapacitet apsorpcije tijelo. S druge strane, svako zagrijano tijelo emituje energiju prema nekom zakonu tzv emisivnosti tela.

Vrijednosti i mogu jako varirati pri prelasku s jednog tijela na drugo, međutim, prema Kirchhoffovom zakonu zračenja, omjer emisionih i apsorpcionih sposobnosti ne ovisi o prirodi tijela i univerzalna je funkcija frekvencije ( talasna dužina) i temperatura:

Talasna dužina na kojoj je energija zračenja potpuno crnog tijela najveća je određena pomoću Bečki zakon pomeranja:

Gdje T je temperatura u Kelvinima, a λ max je talasna dužina sa maksimalnim intenzitetom u metrima.

Karakteristike toplotnog zračenja

Tijela zagrijana na temperature do 424e43ie sijaju. Sjaj tijela uzrokovan zagrijavanjem naziva se toplotno (temperaturno) zračenje. Toplotno zračenje, koje je najčešće u prirodi, nastaje usled energije toplotnog kretanja atoma i molekula supstance (tj. zbog njene unutrašnje energije) i karakteristično je za sva tela na temperaturama iznad 0 K. kontinuiranim spektrom, čiji položaj maksimuma zavisi od temperature. Pri visokim temperaturama emituju se kratki (vidljivi i ultraljubičasti) elektromagnetski talasi, dok se pri niskim temperaturama emituju pretežno dugi (infracrveni) talasi.

Toplotno zračenje je praktično jedina vrsta zračenja koja može biti ravnoteža. Pretpostavimo da je zagrijano (zračeće) tijelo smješteno u šupljinu ograničenu idealno reflektirajućom ljuskom. Tokom vremena, kao rezultat kontinuirane razmjene energije između tijela i zračenja, doći će do ravnoteže, tj. tijelo će apsorbirati onoliko energije u jedinici vremena koliko emituje. Pretpostavimo da je ravnoteža između tijela i zračenja iz nekog razloga poremećena i tijelo emituje više energije nego što apsorbira. Ako u jedinici vremena tijelo emituje više nego što apsorbira (ili obrnuto), tada će tjelesna temperatura početi da se smanjuje (ili povećava). Kao rezultat toga, količina energije koju tijelo emituje bit će oslabljena (ili stariti) sve dok se konačno ne uspostavi ravnoteža. Sve druge vrste zračenja su neravnotežne.

Kvantitativne karakteristike toplotno zračenje služi spektralna gustina energetske luminoznosti (emisione moći) tijela≈ snaga zračenja po jedinici površine tijela u frekvencijskom opsegu jedinične širine:

gdje d ≈ energija elektromagnetnog zračenja emitovanog u jedinici vremena (snaga zračenja) po jedinici površine tela u frekvencijskom opsegu od n prije n+d n.

Jedinica spektralne gustine energetske luminoznosti ( Rn,T) ≈džula po kvadratnom metru(J/m2).

Napisana formula se može predstaviti kao funkcija talasne dužine:

Jer c=ln, To

pri čemu znak minus označava da je od 424e43ie godine ;odsustvo jedne od količina ( n ili l) druga količina se smanjuje. Stoga ćemo u nastavku izostaviti znak minus. dakle,

Koristeći formulu (197.1) možete ići od R n,T ═ To R l,T i obrnuto.

Znajući spektralna gustina energetski luminozitet, može se izračunati integralna energetska luminoznost (integralna emisivnost)(jednostavno se zove energetska luminoznost tijela), zbrojena po svim frekvencijama:

Sposobnost tijela da apsorbiraju zračenje koje na njih pada, karakterizira spektralni apsorpcioni kapacitet

koji pokazuje koliki udio energije u jedinici vremena donose upadni objekti po jedinici površine tijela elektromagnetnih talasa frekvencije od n prije n+d n, tijelo ga apsorbira. Spektralni kapacitet apsorpcije je bezdimenzionalna veličina. Količine Rn,T═i A n,T zavise od prirode tijela, njegove termodinamičke temperature i istovremeno se razlikuju za zračenje različitih frekvencija. Stoga se ove vrijednosti nazivaju izvjesnim T I n(tačnije, na dovoljno 424e43ie; tačno uski raspon frekvencija od n prije n+d n).

Tijelo koje je sposobno potpuno apsorbirati na bilo kojoj temperaturi sve zračenje bilo koje frekvencije koje pada na njega naziva se crno. Prema tome, spektralni apsorpcijski kapacitet crnog tijela za sve frekvencije i temperature identično je jednak jedinici ( ). U prirodi ne postoje apsolutno crna tijela, ali tijela kao što su čađ, platinasto crni, crni baršun i neka druga, u određenom frekvencijskom rasponu, bliska su im po svojim svojstvima.

Idealan model crno tijelo je zatvorena šupljina sa malom rupom O, unutrašnja površina koja je zacrnjena (sl. 286). Zraka svjetlosti koja ulazi u takvu šupljinu doživljava višestruke refleksije od zidova, zbog čega je intenzitet emitiranog zračenja praktički jednak nuli. Iskustvo pokazuje da kada je veličina rupe manja od 0,1 prečnika šupljine, upadno zračenje svih frekvencija se potpuno apsorbuje. Kao rezultat, otvoreni prozori kuća sa ulične strane izgledaju crni, iako je unutar prostorija gotovo svijetlo zbog refleksije svjetlosti sa zidova.

Uz koncept crnog tijela koristi se i koncept sivo tijelo≈ tijelo čiji je kapacitet apsorpcije manji od jedinice, ali je isti za sve frekvencije i ovisi samo o temperaturi, materijalu i stanju površine tijela. Dakle, za sivo tijelo = A T= konst

Proučavanje toplotnog zračenja odigralo je važnu ulogu u stvaranju kvantne teorije svjetlosti, pa je potrebno razmotriti zakone kojima se ona pridržava.

Energetska svjetlost tijelaR T, numerički je jednako energiji W, koje emituje tijelo u cijelom opsegu talasnih dužina (0<<) po jedinici površine tijela, po jedinici vremena, na tjelesnoj temperaturi T, tj.

(1)

Emisivnost tijelar ,T brojčano jednak energiji tijela dW, koje telo emituje sa jedinice telesne površine, u jedinici vremena na telesnoj temperaturi T, u opsegu talasnih dužina od  do  +d, one.

(2)

Ova veličina se još naziva i spektralna gustina energetske luminoznosti tijela.

Energetski sjaj je povezan sa emisivnošću po formuli

(3)

Upijanje tijelo , T- broj koji pokazuje koji dio energije zračenja koja pada na površinu tijela apsorbira u rasponu valnih dužina od  do  +d, one.

. (4)

Tijelo za koje  ,T =1 preko čitavog opsega talasnih dužina naziva se apsolutno crno telo (BLB).

Tijelo za koje  ,T =konst<1 preko čitavog opsega talasnih dužina naziva se sivo.

46. ​​Specijalni fizički instrumenti koji se nazivaju aktinometri mogu mjeriti količinu sunčeve energije primljene na zemljinu površinu po jedinici površine u jedinici vremena. Prije zraci sunca Kada dođu do površine Zemlje i uđu u aktinometar, moraju proći kroz cijelu debljinu naše atmosfere, uslijed čega će dio energije apsorbirati atmosfera. Veličina ove apsorpcije uvelike varira u zavisnosti od stanja atmosfere, tako da je količina sunčeve energije primljena na zemljinu površinu u različito vreme veoma različita.

Solarna konstanta je količina energije koju primi jedan kvadratni centimetar površine izložene na granici Zemljine atmosfere okomito na zrake Sunca, u jednoj minuti u malim kalorijama. Iz velikog niza aktinometrijskih opservacija iz mnogih geofizičkih opservatorija, dobijena je sljedeća vrijednost za solarnu konstantu:

A = 1,94 cal/cm2 min.

Na 1 kvadratni metar površine lokacije u blizini Zemlje okrenute prema Suncu, svake sekunde se primi 1400 J energije prenesene solarnim elektromagnetnim zračenjem. Ova vrijednost se naziva solarna konstanta. Drugim riječima, gustina energetskog fluksa sunčevog zračenja je 1,4 kW/m2.

SOLARNI SPEKTAR - distribucija energije elektromagnetnog zračenja Sunca u opsegu talasnih dužina od nekoliko frakcija nm (gama zračenje) do metarskih radio talasa. U vidljivom području, solarni spektar je blizak spektru potpuno crnog tijela na temperaturi od oko 5800 K; ima energetski maksimum u području od 430-500 nm. Sunčev spektar je kontinuirani spektar na koji je superponirano više od 20 hiljada apsorpcionih linija (Fraunhoferovih linija) različitih hemijskih elemenata.

Actin O metar- uređaj za mjerenje intenziteta direktnog sunčevog zračenja. Princip rada glinice temelji se na apsorpciji upadnog zračenja pocrnjele površine i pretvaranju njene energije u toplinu. A. je relativan uređaj, jer Intenzitet zračenja se procjenjuje prema različitim pojavama koje prate zagrijavanje, za razliku od pirheliometara - apsolutnih instrumenata. Na primjer, princip rada Michelsonovog aktinometra temelji se na zagrijavanju bimetalne ploče pocrnjene čađom od sunčevih zraka 1 , presovano od gvožđa i invara.. Kada se zagreva, gvožđe se izdužuje, a invar skoro da ne doživljava toplotno širenje, pa se ploča savija. Količina savijanja služi kao mjera intenziteta sunčevog zračenja. Kretanje kvarcne niti se posmatra pomoću mikroskopa. , nalazi se na kraju ploče.

Do kraja 19. veka, naučnici su, proučavajući interakciju elektromagnetnog zračenja (posebno svetlosti) sa atomima materije, naišli na ozbiljne probleme koji su se mogli rešiti samo u okviru kvantne mehanike, koji su na mnogo načina nastali usled na činjenicu da su se ti problemi pojavili. Da biste razumjeli prvi i možda najozbiljniji od ovih problema, zamislite veliku crnu kutiju sa zrcaljenom unutrašnjom površinom, au jednom od zidova napravljena je mala rupa. Zraka svjetlosti koja prodire u kutiju kroz mikroskopsku rupu ostaje zauvijek unutra, beskonačno se odbijajući od zidova. Predmet koji ne reflektuje svjetlost, ali je potpuno apsorbira, izgleda crn, zbog čega se obično naziva crno telo. (Crno tijelo, kao i mnoge druge konceptualne fizičke pojave, čisto je hipotetički objekt, iako je, na primjer, šuplja, jednoliko zagrijana sfera koja se ogleda iznutra, u koju svjetlost prodire kroz jednu sićušnu rupu, dobra aproksimacija.)

Međutim, vjerovatno ste vidjeli prilično bliske analoge crnog tijela u stvarnosti. U kaminu, na primjer, događa se da je nekoliko trupaca složeno gotovo čvrsto zajedno, a unutar njih izgori prilično velika šupljina. Vanjska strana trupaca ostaje tamna i ne svijetli, dok se unutar izgorjele šupljine akumuliraju toplina (infracrveno zračenje) i svjetlost, a ovi zraci se više puta odbijaju od zidova šupljine prije nego što pobjegnu van. Ako pogledate u procjep između takvih trupaca, vidjet ćete jarko žuto-narandžasti sjaj visoke temperature i odatle ćete doslovno plamtjeti od vrućine. Zrake su jednostavno bile zarobljene neko vrijeme između trupaca, baš kao što je svjetlost u potpunosti zarobljena i apsorbirana od strane gore opisane crne kutije.

Model takve crne kutije nam pomaže da shvatimo kako se ponaša svjetlost koju apsorbira crno tijelo u interakciji s atomima njegove supstance. Ovdje je važno shvatiti da svjetlost apsorbira atom, odmah ju emituje i apsorbira drugi atom, ponovo emituje i apsorbira, a to će se dešavati sve dok se ne postigne stanje ravnoteže zasićenja. Kada se crno tijelo zagrije do ravnotežnog stanja, intenziteti emisije i apsorpcije zraka unutar crnog tijela se izjednačuju: kada jedan atom apsorbira određenu količinu svjetlosti određene frekvencije, drugi atom negdje unutra istovremeno emituje isto količinu svjetlosti iste frekvencije. Dakle, količina apsorbirane svjetlosti svake frekvencije unutar crnog tijela ostaje ista, iako je različiti atomi tijela apsorbiraju i emituju.

Do ovog trenutka ponašanje crnog tijela ostaje sasvim razumljivo. Problemi u okviru klasične fizike (pod "klasičnom" ovdje podrazumijevamo fiziku prije pojave kvantne mehanike) počeli su kada su pokušali izračunati energiju zračenja pohranjenu unutar crnog tijela u ravnotežnom stanju. I dvije stvari su ubrzo postale jasne:

• što je veća frekvencija talasa zraka, to se više njih akumulira unutar crnog tijela (odnosno, što su valne dužine proučavanog dijela spektra talasa zračenja kraće, to je više zraka ovog dijela spektra unutar crnog tijela su predviđeni klasičnom teorijom);
• Što je frekvencija vala veća, to više energije nosi i, shodno tome, više je pohranjeno unutar crnog tijela.

Uzeti zajedno, ova dva zaključka dovela su do nezamislivog rezultata: energija zračenja unutar crnog tijela trebala bi biti beskonačna! Ovo zlo izrugivanje zakonima klasične fizike je nazvano ultraljubičasta katastrofa, budući da visokofrekventno zračenje leži u ultraljubičastom dijelu spektra.

Red je uspostavio njemački fizičar Max Planck ( cm. Planckova konstanta) - pokazao je da je problem otklonjen ako pretpostavimo da atomi mogu apsorbirati i emitovati svjetlost samo u dijelovima i samo na određenim frekvencijama. (Kasnije je Albert Ajnštajn generalizovao ovu ideju uvodeći koncept fotoni- strogo definisani delovi svetlosnog zračenja.) Prema ovoj šemi, mnoge frekvencije zračenja koje predviđa klasična fizika jednostavno ne mogu postojati unutar crnog tela, pošto atomi nisu u stanju da ih apsorbuju ili emituju; Shodno tome, ove frekvencije su isključene iz razmatranja pri izračunavanju ravnotežnog zračenja unutar crnog tijela. Ostavljajući samo dozvoljene frekvencije, Planck je spriječio ultraljubičastu katastrofu i postavio nauku na put ispravnog razumijevanja strukture svijeta na subatomskom nivou. Osim toga, izračunao je karakterističnu raspodjelu frekvencija ravnotežnog zračenja crnog tijela.

Ova distribucija je stekla svetsku slavu mnogo decenija nakon što ju je objavio sam Planck, kada su kosmolozi otkrili da kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje koje su otkrili ( cm. Veliki prasak) u svojim spektralnim karakteristikama slijedi tačno Planckovu raspodjelu i odgovara zračenju crnog tijela na temperaturi od oko tri stepena iznad apsolutne nule.

Apsolutno crno tijelo je mentalni, fizički, idealizirani objekt. Zanimljivo, ne mora zapravo biti crna. Ovdje je stvar drugačija.

Albedo

Svi se sjećamo (ili smo barem trebali zapamtiti) iz školskog kursa fizike da koncept “albedo” podrazumijeva sposobnost površine tijela da reflektira svjetlost. Na primjer, snježni pokrivači ledenih kapa naše planete sposobni su reflektirati do 90% sunčeve svjetlosti koja pada na njih. To znači da ih karakteriše visok albedo. Nije iznenađujuće da su zaposlenici polarnih stanica često primorani da rade sa sunčanim naočalama. Na kraju krajeva, gledanje u čisti snijeg je skoro isto kao i gledanje u Sunce golim okom. S tim u vezi, Saturnov mjesec Enceladus ima rekordnu reflektivnost u cijelom Sunčevom sistemu, koji se gotovo u potpunosti sastoji od vodenog leda, bijele je boje i reflektira gotovo svu radijaciju koja upada na svoju površinu. S druge strane, supstanca kao što je čađ ima albedo manji od 1%. Odnosno, apsorbira oko 99% elektromagnetnog zračenja.

Apsolutno crno tijelo: opis

Ovdje dolazimo do najvažnije stvari. Čitalac je sigurno pogodio da je potpuno crno tijelo objekt čija je površina sposobna apsorbirati apsolutno svu radijaciju koja pada na njega. Međutim, to uopće ne znači da će takav objekt biti nevidljiv i da u principu ne može emitirati svjetlost. Ne, ne treba je brkati sa crnom rupom. Može imati boju, pa čak i biti prilično vidljiv, ali zračenje potpuno crnog tijela uvijek će biti određeno njegovom vlastitom temperaturom, ali ne reflektiranom svjetlošću. Uzgred, ovo uzima u obzir ne samo spektar vidljiv ljudskom oku, već i ultraljubičasto, infracrveno zračenje, radio talase, rendgenske zrake, gama zračenje i tako dalje. Kao što je već spomenuto, apsolutno crno tijelo ne postoji u prirodi. Međutim, njegove karakteristike u našem zvjezdanom sistemu najpotpunije ispunjava Sunce, koje emituje, ali gotovo ne reflektira svjetlost (koja potiče od drugih zvijezda).

Laboratorijska idealizacija

Pokušaji da se naprave objekti koji uopšte ne reflektuju svetlost vršeni su od kraja 19. veka. Zapravo, ovaj problem je postao jedan od preduslova za nastanak kvantne mehanike. Prije svega, važno je napomenuti da bilo koji foton (ili bilo koja druga čestica elektromagnetnog zračenja) koju apsorbira atom on odmah emituje i apsorbira susjedni atom i ponovo emituje. Ovaj proces će se nastaviti sve dok se u tijelu ne postigne stanje ravnoteže. Međutim, kada se crno tijelo zagrije do sličnog ravnotežnog stanja, intenzitet svjetlosti koju emituje postaje jednak intenzitetu svjetlosti koju apsorbira.

U naučnoj zajednici fizičara, problem nastaje kada se pokušava izračunati kolika bi trebala biti ta energija zračenja, koja je uskladištena unutar crnog tijela u ravnoteži. I evo dolazi nevjerovatan trenutak. Raspodjela energije u spektru apsolutno crnog tijela u stanju ravnoteže znači doslovno beskonačnost energije zračenja unutar njega. Ovaj problem je nazvan ultraljubičastom katastrofom.

Plankovo ​​rešenje

Prvi koji je uspio pronaći prihvatljivo rješenje za ovaj problem bio je njemački fizičar Max Planck. On je sugerirao da atomi apsorbiraju svako zračenje ne kontinuirano, već diskretno. Odnosno u porcijama. Kasnije su takvi dijelovi nazvani fotoni. Štaviše, radiomagnetne talase mogu apsorbovati samo atomi na određenim frekvencijama. Neprikladne frekvencije jednostavno prolaze, što rješava problem beskonačne energije potrebne jednačine.