Για ένα εντελώς μαύρο σώμα η έκφραση είναι αληθινή. Απόλυτα μαύρο σώμα - ένα πρόβλημα της Νευτώνειας φυσικής

Απολύτως μαύρο σώμαείναι ένα νοητικό σωματικό εξιδανικευμένο αντικείμενο. Είναι ενδιαφέρον ότι δεν χρειάζεται να είναι στην πραγματικότητα μαύρο. Εδώ το θέμα είναι διαφορετικό.

Albedo

Όλοι θυμόμαστε (ή τουλάχιστον πρέπει να θυμόμαστε) από σχολικό μάθημαφυσικοί ότι η έννοια του «albedo» υποδηλώνει την ικανότητα της επιφάνειας ενός σώματος να αντανακλά το φως. Για παράδειγμα, τα καλύμματα χιονιού των παγοκάλυψης του πλανήτη μας είναι ικανά να αντανακλούν έως και το 90% αυτού που πέφτει πάνω τους. ηλιακό φως. Αυτό σημαίνει ότι χαρακτηρίζονται από υψηλό albedo. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι οι εργαζόμενοι πολικοί σταθμοίΣυχνά αναγκάζεται να εργάζεται με γυαλιά ηλίου. Εξάλλου, το να κοιτάς το καθαρό χιόνι είναι σχεδόν το ίδιο με το να κοιτάς τον Ήλιο με γυμνό μάτι. Από αυτή την άποψη, ο δορυφόρος Εγκέλαδος του Κρόνου, ο οποίος αποτελείται σχεδόν εξ ολοκλήρου από πάγο νερού, έχει την ανακλαστικότητα ρεκόρ σε ολόκληρο το ηλιακό σύστημα. άσπρο χρώμακαι αντανακλά σχεδόν όλη την ακτινοβολία που προσπίπτει στην επιφάνειά του. Από την άλλη πλευρά, μια ουσία όπως η αιθάλη έχει albedo λιγότερο από 1%. Δηλαδή απορροφά περίπου το 99% ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.

Απόλυτα μαύρο σώμα: περιγραφή

Εδώ φτάνουμε στο πιο σημαντικό πράγμα. Σίγουρα ο αναγνώστης μάντεψε ότι ένα εντελώς μαύρο σώμα είναι ένα αντικείμενο του οποίου η επιφάνεια είναι ικανή να απορροφήσει απολύτως όλη την ακτινοβολία που προσπίπτει σε αυτό. Ωστόσο, αυτό δεν σημαίνει καθόλου ότι ένα τέτοιο αντικείμενο θα είναι αόρατο και δεν μπορεί, καταρχήν, να εκπέμπει φως. Όχι, δεν πρέπει να συγχέεται με μια μαύρη τρύπα. Μπορεί να έχει χρώμα και μάλιστα να είναι αρκετά ορατό, αλλά η ακτινοβολία ενός εντελώς μαύρου σώματος θα καθορίζεται πάντα από τη δική του θερμοκρασία, αλλά όχι από το ανακλώμενο φως. Παρεμπιπτόντως, αυτό λαμβάνει υπόψη όχι μόνο το φάσμα που είναι ορατό στο ανθρώπινο μάτι, αλλά και την υπεριώδη, την υπέρυθρη ακτινοβολία, τα ραδιοκύματα, τις ακτίνες Χ, την ακτινοβολία γάμμα και ούτω καθεξής. Όπως ήδη αναφέρθηκε, ένα απολύτως μαύρο σώμα δεν υπάρχει στη φύση. Ωστόσο, τα χαρακτηριστικά του στο αστρικό μας σύστημα πληρούνται πλήρως από τον Ήλιο, ο οποίος εκπέμπει αλλά σχεδόν δεν αντανακλά φως (που προέρχεται από άλλα αστέρια).

Εργαστηριακή εξιδανίκευση

Από τα τέλη του 19ου αιώνα έχουν γίνει προσπάθειες δημιουργίας αντικειμένων που δεν αντανακλούν καθόλου το φως. Στην πραγματικότητα, αυτό το έργο έγινε ένα από τα προαπαιτούμενα για την ανάδυση κβαντική μηχανική. Πρώτα απ 'όλα, είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι οποιοδήποτε φωτόνιο (ή οποιοδήποτε άλλο σωματίδιο ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας) που απορροφάται από ένα άτομο εκπέμπεται αμέσως από αυτό και απορροφάται από ένα γειτονικό άτομο και εκπέμπεται ξανά. Αυτή η διαδικασία θα συνεχιστεί μέχρι να επιτευχθεί μια κατάσταση κορεσμού ισορροπίας στο σώμα. Ωστόσο, όταν ένα μαύρο σώμα θερμαίνεται σε παρόμοια κατάσταση ισορροπίας, η ένταση του φωτός που εκπέμπει γίνεται ίση με την ένταση του φωτός που απορροφά.

ΣΕ επιστημονική κοινότηταΓια τους φυσικούς, το πρόβλημα προκύπτει όταν προσπαθούν να υπολογίσουν ποια θα πρέπει να είναι αυτή η ενέργεια ακτινοβολίας, η οποία αποθηκεύεται μέσα σε ένα μαύρο σώμα σε ισορροπία. Και έρχεται μια καταπληκτική στιγμή. Η κατανομή της ενέργειας στο φάσμα ενός απολύτως μαύρου σώματος σε κατάσταση ισορροπίας σημαίνει το κυριολεκτικό άπειρο της ενέργειας της ακτινοβολίας μέσα σε αυτό. Αυτό το πρόβλημα έχει ονομαστεί η υπεριώδης καταστροφή.

Η λύση του Πλανκ

Ο πρώτος που κατάφερε να βρει μια αποδεκτή λύση σε αυτό το πρόβλημα ήταν ο Γερμανός φυσικός Max Planck. Πρότεινε ότι οποιαδήποτε ακτινοβολία απορροφάται από τα άτομα όχι συνεχώς, αλλά διακριτά. Σε μερίδες δηλαδή. Αργότερα, τέτοια τμήματα ονομάστηκαν φωτόνια. Επιπλέον, τα ραδιομαγνητικά κύματα μπορούν να απορροφηθούν μόνο από άτομα σε ορισμένες συχνότητες. Απλώς περνούν ακατάλληλες συχνότητες, πράγμα που λύνει το πρόβλημα της άπειρης ενέργειας της απαραίτητης εξίσωσης.

Καθαρό μαύρο σώμα

Ακτινοβολία από ένα θερμαινόμενο μαύρο σώμα στο ορατό εύρος

Απόλυτα μαύρο σώμα- μια φυσική αφαίρεση που χρησιμοποιείται στη θερμοδυναμική, ένα σώμα που απορροφά όλη την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που προσπίπτει σε αυτό σε όλες τις περιοχές και δεν αντανακλά τίποτα. Παρά το όνομα, ένα εντελώς μαύρο σώμα μπορεί να εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία οποιασδήποτε συχνότητας και οπτικά να έχει . Το φάσμα ακτινοβολίας ενός απόλυτα μαύρου σώματος καθορίζεται μόνο από τη θερμοκρασία του.

Οι πιο μαύρες πραγματικές ουσίες, για παράδειγμα, η αιθάλη, απορροφούν έως και το 99% της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (δηλαδή έχουν άλμπεντο 0,01) στο ορατό εύρος μήκους κύματος, ωστόσο υπέρυθρη ακτινοβολίααπορροφάται από αυτούς πολύ χειρότερα. Μεταξύ των σωμάτων του Ηλιακού Συστήματος, ο Ήλιος έχει τις ιδιότητες ενός απολύτως μαύρου σώματος στο μεγαλύτερο βαθμό. Ο όρος εισήχθη από τον Gustav Kirchhoff στο.

Πρακτικό μοντέλο

Μαύρο μοντέλο σώματος

Απόλυτα μαύρα σώματα δεν υπάρχουν στη φύση, επομένως στη φυσική χρησιμοποιείται ένα μοντέλο για πειράματα. Είναι μια κλειστή κοιλότητα με μια μικρή τρύπα. Το φως που εισέρχεται από αυτήν την τρύπα θα απορροφηθεί πλήρως μετά από επαναλαμβανόμενες αντανακλάσεις και η τρύπα θα φαίνεται εντελώς μαύρη από έξω. Αλλά όταν αυτή η κοιλότητα θερμαίνεται, θα αναπτύξει τη δική της ορατή ακτινοβολία.

Νόμοι της ακτινοβολίας μαύρου σώματος

Κλασική προσέγγιση

Η μελέτη των νόμων της ακτινοβολίας του μαύρου σώματος ήταν μία από τις προϋποθέσεις για την εμφάνιση της κβαντικής μηχανικής.

Ο πρώτος νόμος της Βιέννης για την ακτινοβολία

Ωστόσο, ο νόμος της ακτινοβολίας Rayleigh-Jeans ισχύει για την περιοχή μακρών κυμάτων του φάσματος και περιγράφει επαρκώς τη φύση της ακτινοβολίας. Το γεγονός μιας τέτοιας αντιστοιχίας μπορεί να εξηγηθεί μόνο χρησιμοποιώντας μια κβαντομηχανική προσέγγιση, σύμφωνα με την οποία η ακτινοβολία εμφανίζεται διακριτά. Με βάση κβαντικοί νόμοιμπορείτε να λάβετε τον τύπο του Planck, ο οποίος θα συμπίπτει με τον τύπο Rayleigh-Jeans για .

Αυτό το γεγονός είναι μια εξαιρετική απεικόνιση της αρχής της αντιστοιχίας, σύμφωνα με την οποία μια νέα φυσική θεωρία πρέπει να εξηγήσει όλα όσα μπορούσε να εξηγήσει η παλιά.

ο νόμος του Πλανκ

Εξάρτηση της ισχύος ακτινοβολίας του μαύρου σώματος από το μήκος κύματος

Η ένταση της ακτινοβολίας ενός απόλυτα μαύρου σώματος, ανάλογα με τη θερμοκρασία και τη συχνότητα, καθορίζεται από ο νόμος του Πλανκ:

Οπου Εγώ(ν) ρεν - ισχύς ακτινοβολίας ανά μονάδα επιφάνειας της επιφάνειας ακτινοβολίας στην περιοχή συχνοτήτων από ν έως ν + ρεν .

Ισοδύναμα,

,

Οπου u(λ) ρελ - ισχύς ακτινοβολίας ανά μονάδα επιφάνειας της επιφάνειας εκπομπής στην περιοχή μήκους κύματος από λ έως λ + ρελ .

Νόμος Stefan-Boltzmann

Προσδιορίζεται η συνολική ενέργεια της θερμικής ακτινοβολίας Νόμος Stefan-Boltzmann:

,

Οπου ιείναι η ισχύς ανά μονάδα επιφάνειας της ακτινοβολούμενης επιφάνειας και

W/(m²·K 4) ​​- Σταθερά Stefan-Boltzmann.

Έτσι, ένα απολύτως μαύρο σώμα στο Τ= 100 K εκπέμπει 5,67 watt τετραγωνικό μέτροτην επιφάνειά του. Σε θερμοκρασία 1000 K, η ισχύς ακτινοβολίας αυξάνεται στα 56,7 κιλοβάτ ανά τετραγωνικό μέτρο.

Ο νόμος της μετατόπισης της Βιέννης

Το μήκος κύματος στο οποίο είναι μέγιστη η ενέργεια ακτινοβολίας ενός εντελώς μαύρου σώματος καθορίζεται από Ο νόμος της μετατόπισης της Βιέννης:

Έτσι, αν υποθέσουμε ως πρώτη προσέγγιση ότι το ανθρώπινο δέρμα έχει ιδιότητες κοντά σε ένα απολύτως μαύρο σώμα, τότε το μέγιστο του φάσματος ακτινοβολίας σε θερμοκρασία 36°C (309 K) βρίσκεται σε μήκος κύματος 9400 nm (στο υπέρυθρη περιοχή του φάσματος).

Το φαινομενικό χρώμα των εντελώς μαύρων σωμάτων με διαφορετικές θερμοκρασίεςπαρουσιάζεται στο διάγραμμα.

Ακτινοβολία μαύρου σώματος

Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που βρίσκεται σε θερμοδυναμική ισορροπία με ένα μαύρο σώμα σε μια δεδομένη θερμοκρασία (για παράδειγμα, ακτινοβολία μέσα σε μια κοιλότητα σε ένα μαύρο σώμα) ονομάζεται ακτινοβολία μαύρου σώματος (ή θερμικής ισορροπίας). Ισορροπία θερμική ακτινοβολίαομοιογενές, ισότροπο και μη πολωμένο, δεν υπάρχει μεταφορά ενέργειας σε αυτό, όλα τα χαρακτηριστικά του εξαρτώνται μόνο από τη θερμοκρασία του εκπομπού απολύτως μαύρου σώματος (και, δεδομένου ότι η ακτινοβολία του μαύρου σώματος βρίσκεται σε θερμική ισορροπίαμε ένα δεδομένο σώμα, αυτή η θερμοκρασία μπορεί να αποδοθεί στην ακτινοβολία). Χύδην πυκνότηταενέργεια της ακτινοβολίας του μαύρου σώματος είναι ίση με

Υπουργείο Παιδείας της περιοχής Kirov. Υπουργείο Γενικής και Δευτεροβάθμιας Εκπαίδευσης

Δημοτικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Νο 204

"Elite School"

Επιστημονική και τεχνική κατεύθυνση.

Θέμα φυσικής.

Καθαρό μαύρο σώμα

Ερμηνευτής: μαθητής της 11ης τάξης Maxim Karpov

Επικεφαλής: Bondina Marina Yurievna

Ekaterinburg 2007

Εισαγωγή σελίδα 2

Θεωρία μαύρου σώματος σελ.5

Πρακτικό μέρος σελ.15

Συμπέρασμα σελ.17

Λογοτεχνία σελ.18

Εισαγωγή

Στα τέλη του 19ου αιώνα. Πολλοί επιστήμονες πίστευαν ότι η ανάπτυξη της φυσικής ολοκληρώθηκε για τους ακόλουθους λόγους:

1. Οι νόμοι της μηχανικής και της θεωρίας υπάρχουν για περισσότερα από 200 χρόνια καθολική βαρύτητα, νόμοι διατήρησης (ενέργεια, ορμή, γωνιακή ορμή, μάζα και ηλεκτρικό φορτίο).

2. Αναπτύχθηκε το MKT.

3. Έχει μπει γερές βάσεις για τη θερμοδυναμική.

4. Διατυπώθηκε η θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού του Maxwell.

5. Σχετικιστικός νόμος διατήρησης ενέργειας – μάζας.

Στα τέλη του 19ου - αρχές του 20ου αιώνα. ανακαλύφθηκε από τον V. Roentgen - Ακτίνες Χ ( ακτινογραφίες), A. Becquerel - το φαινόμενο της ραδιενέργειας, J. Thomson - ηλεκτρόνιο. Ωστόσο, η κλασική φυσική δεν ήταν σε θέση να εξηγήσει αυτά τα φαινόμενα.

Η θεωρία της σχετικότητας του Α. Αϊνστάιν απαιτούσε μια ριζική αναθεώρηση της έννοιας του χώρου και του χρόνου. Ειδικά πειράματα επιβεβαίωσαν την εγκυρότητα της υπόθεσης του J. Maxwell σχετικά με την ηλεκτρομαγνητική φύση του φωτός. Θα μπορούσε να υποτεθεί ότι η εκπομπή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων από θερμαινόμενα σώματα οφείλεται στην ταλαντωτική κίνηση των ηλεκτρονίων. Αλλά αυτή η υπόθεση έπρεπε να επιβεβαιωθεί με σύγκριση θεωρητικών και πειραματικών δεδομένων. Για να εξετάσουμε θεωρητικά τους νόμους της ακτινοβολίας, χρησιμοποιήσαμε το μοντέλο μαύρου σώματος, δηλ. ένα σώμα που απορροφά πλήρως ηλεκτρομαγνητικά κύματα οποιουδήποτε μήκους και, κατά συνέπεια, εκπέμπει όλα τα μήκη ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.

Συνάντησα το φαινόμενο των σωμάτων να απορροφούν ενέργεια επιστρέφοντας σπίτι ένα φθινοπωρινό βράδυ. Εκείνο το βράδυ είχε υγρασία και μετά βίας έβλεπα τον δρόμο στον οποίο περπατούσα. Και όταν έπεσε χιόνι μια εβδομάδα αργότερα, ο δρόμος φαινόταν καθαρά. Έτσι πρωτοσυνάντησα το φαινόμενο του απόλυτα μαύρου σώματος, ενός σώματος που δεν υπάρχει στη φύση και με ενδιαφέρει. Και μιας και έψαχνα πολύ καιρό για υλικό που με ενδιέφερε, συλλέγοντάς το κομμάτι κομμάτι, αποφάσισα να γράψω ερευνητικό έργο, στο οποίο θα συνδεθούν όλα και θα τακτοποιηθούν με λογική σειρά. Επίσης, για μια πιο εύκολη κατανόηση του θεωρητικού μέρους, έχω δώσει πρακτικά παραδείγματα πειραμάτων στα οποία μπορείτε να παρατηρήσετε το προαναφερθέν φαινόμενο.

Ενώ μελετούσα υλικά για το θέμα της ανάκλασης και της απορρόφησης της φωτεινής ενέργειας, υπέθεσα ότι ένα εντελώς μαύρο σώμα είναι ένα σώμα που απορροφά όλη την ενέργεια. Ωστόσο, είναι αυτό εφικτό στην πράξη; Νομίζω ότι δεν ήμουν ο μόνος που βρήκα ενδιαφέρουσα αυτή την ερώτηση. Επομένως, στόχος της εργασίας μου είναι να αποδείξω ότι η εκπομπή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων από θερμαινόμενα σώματα οφείλεται στην ταλαντωτική κίνηση των ηλεκτρονίων. Αλλά αυτό το πρόβλημα είναι σχετικό επειδή δεν αναφέρεται στα σχολικά μας βιβλία σε λίγα βιβλία αναφοράς που μπορείτε να διαβάσετε για ένα απολύτως μαύρο σώμα. Για να το κάνω αυτό, έθεσα στον εαυτό μου αρκετές εργασίες:

βρείτε όσο το δυνατόν περισσότερες πληροφορίες για αυτό το πρόβλημα.

μελέτη της θεωρίας του μαύρου σώματος.

επιβεβαιώνουν πειραματικά τις θεωρητικές έννοιες και τα φαινόμενα που παρουσιάζονται στην περίληψη.

Η περίληψη αποτελείται από τα ακόλουθα μέρη:

εισαγωγή;

θεωρία μαύρου σώματος?

πρακτικό μέρος?

συμπέρασμα.

Θεωρία μαύρου σώματος

1. Ιστορικό της μελέτης του θέματος.

Η κλασική φυσική δεν μπορούσε να βρει έναν εύλογο τύπο για φασματική πυκνότητα(αυτός ο τύπος μπορεί εύκολα να επαληθευτεί: ένα απολύτως μαύρο σώμα είναι ένας κλίβανος, έχει εγκατασταθεί ένα φασματόμετρο, η ακτινοβολία μετατρέπεται σε φάσμα και για κάθε λωρίδα του φάσματος μπορεί κανείς να βρει την ενέργεια σε αυτό το διάστημα μήκους κύματος). Η κλασική φυσική δεν μπορούσε μόνο να δώσει σωστή τιμήσυνάρτηση, δεν μπορούσε καν να δώσει μια λογική τιμή, δηλαδή, αποδείχθηκε ότι αυτή η συνάρτηση αυξάνεται με τη μείωση του μήκους κύματος, και αυτό είναι απλά χωρίς νόημα, αυτό σημαίνει ότι οποιοδήποτε σώμα στην ορατή περιοχή εκπέμπει, και ακόμη περισσότερο σε χαμηλές συχνότητες, και το Η συνολική ενεργειακή ακτινοβολία τείνει στο άπειρο. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχουν φαινόμενα στη φύση που δεν μπορούν να περιγραφούν από τους νόμους της κλασικής φυσικής.

Στα τέλη του 19ου αιώνα, αποκαλύφθηκε η ασυνέπεια των προσπαθειών δημιουργίας μιας θεωρίας για την ακτινοβολία του μαύρου σώματος με βάση τους νόμους της κλασικής φυσικής. Από τους νόμους κλασική φυσικήακολούθησε ότι η ουσία πρέπει να εκπέμπει ηλεκτρομαγνητικά κύματα σε οποιαδήποτε θερμοκρασία, να χάνει ενέργεια και να χαμηλώνει τη θερμοκρασία στο απόλυτο μηδέν. Με άλλα λόγια. Η θερμική ισορροπία μεταξύ ύλης και ακτινοβολίας ήταν αδύνατη. Αλλά αυτό ήταν σε σύγκρουση με την καθημερινή εμπειρία.

Αυτό μπορεί να εξηγηθεί με περισσότερες λεπτομέρειες ως εξής. Υπάρχει η έννοια ενός απολύτως μαύρου σώματος - ενός σώματος που απορροφά ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία οποιουδήποτε μήκους κύματος. Το φάσμα της ακτινοβολίας του καθορίζεται από τη θερμοκρασία του. Δεν υπάρχουν απολύτως μαύρα σώματα στη φύση. Η πιο ακριβής αντιστοιχία σε ένα απολύτως μαύρο σώμα είναι ένα κλειστό αδιαφανές κοίλο σώμα με μια τρύπα. Οποιοδήποτε κομμάτι μιας ουσίας λάμπει όταν θερμαίνεται και, με περαιτέρω αύξηση της θερμοκρασίας, γίνεται πρώτα κόκκινο και μετά λευκό. Το χρώμα είναι σχεδόν ανεξάρτητο από την ουσία για ένα απολύτως μαύρο σώμα καθορίζεται αποκλειστικά από τη θερμοκρασία του. Ας φανταστούμε μια τόσο κλειστή κοιλότητα, η οποία διατηρείται σε σταθερή θερμοκρασία και η οποία περιέχει υλικά σώματα ικανά να εκπέμπουν και να απορροφούν ακτινοβολία. Εάν η θερμοκρασία αυτών των σωμάτων την αρχική στιγμή διέφερε από τη θερμοκρασία της κοιλότητας, τότε με την πάροδο του χρόνου το σύστημα (κοιλότητα συν σώματα) θα τείνει σε θερμοδυναμική ισορροπία, η οποία χαρακτηρίζεται από την ισορροπία μεταξύ της ενέργειας που απορροφάται και της μετρούμενης ανά μονάδα χρόνου

Ο G. Kirchhoff διαπίστωσε ότι αυτή η κατάσταση ισορροπίας χαρακτηρίζεται από μια ορισμένη φασματική κατανομή της ενεργειακής πυκνότητας της ακτινοβολίας που περιέχεται στην κοιλότητα και επίσης ότι η συνάρτηση που καθορίζει τη φασματική κατανομή (συνάρτηση Kirchhoff) εξαρτάται από τη θερμοκρασία της κοιλότητας και δεν εξαρτώνται από το μέγεθος της κοιλότητας ή το σχήμα της, ούτε από τις ιδιότητες των υλικών σωμάτων που τοποθετούνται σε αυτήν. Εφόσον η συνάρτηση Kirchhoff είναι καθολική, δηλ. είναι το ίδιο για κάθε μαύρο σώμα, τότε προέκυψε η υπόθεση ότι η εμφάνισή του καθορίζεται από ορισμένες διατάξεις της θερμοδυναμικής και της ηλεκτροδυναμικής. Ωστόσο, τέτοιες προσπάθειες αποδείχθηκαν ανεπιτυχείς. Από το νόμο του D. Rayleigh ακολούθησε ότι η φασματική πυκνότητα της ενέργειας ακτινοβολίας θα πρέπει να αυξάνεται μονότονα με την αύξηση της συχνότητας, αλλά το πείραμα έδειξε το αντίθετο: στην αρχή η φασματική πυκνότητα αυξανόταν με την αύξηση της συχνότητας και στη συνέχεια έπεσε.

Η επίλυση του προβλήματος της ακτινοβολίας του μαύρου σώματος απαιτούσε μια θεμελιωδώς νέα προσέγγιση.

Βρέθηκε από τον M. Planck.

Το 1900, ο Planck διατύπωσε ένα αξίωμα σύμφωνα με το οποίο η ύλη μπορεί να εκπέμπει ενέργεια ακτινοβολίας μόνο σε πεπερασμένα τμήματα ανάλογα με τη συχνότητα αυτής της ακτινοβολίας. Αυτή η ιδέα οδήγησε σε μια αλλαγή στις παραδοσιακές αρχές που διέπουν την κλασική φυσική. Η ύπαρξη διακριτής δράσης έδειξε τη σχέση μεταξύ του εντοπισμού ενός αντικειμένου στο χώρο και το χρόνο και τη δυναμική του κατάσταση. Ο L. de Broglie τόνισε ότι «από την άποψη της κλασικής φυσικής, αυτή η σύνδεση φαίνεται εντελώς ανεξήγητη και πολύ πιο ακατανόητη στις συνέπειες στις οποίες οδηγεί από τη σύνδεση μεταξύ χωρικών μεταβλητών και χρόνου που καθιερώνει η θεωρία της σχετικότητας προοριζόταν να παίξει έναν τεράστιο ρόλο στην ανάπτυξη της φυσικής.

Βρέθηκε λοιπόν νέα προσέγγισησε μια εξήγηση της φύσης του μαύρου σώματος (με τη μορφή μιας κβαντικής έννοιας).

2. Απορροφητική ικανότητα του σώματος.

Για να περιγράψουμε τη διαδικασία απορρόφησης της ακτινοβολίας από τα σώματα, εισάγουμε τη φασματική ικανότητα απορρόφησης του σώματος. Για να γίνει αυτό, έχοντας εντοπίσει ένα στενό διάστημα συχνότητας από έως , θα εξετάσουμε τη ροή ακτινοβολίας που πέφτει στην επιφάνεια του σώματος. Εάν ταυτόχρονα μέρος αυτής της ροής απορροφάται από το σώμα, τότε η ικανότητα απορρόφησης του σώματος στη συχνότητα θα οριστεί ως αδιάστατη ποσότητα

που χαρακτηρίζει το κλάσμα της ακτινοβολίας συχνότητας που προσπίπτει σε ένα σώμα που απορροφάται από το σώμα.

Η εμπειρία δείχνει ότι κάθε πραγματικό σώμα απορροφά ακτινοβολία διαφορετικών συχνοτήτων με διαφορετικό τρόπο, ανάλογα με τη θερμοκρασία του. Επομένως, η φασματική ικανότητα απορρόφησης ενός σώματος είναι συνάρτηση της συχνότητας, ο τύπος της οποίας αλλάζει με τις αλλαγές στη θερμοκρασία του σώματος.

Εξ ορισμού, η ικανότητα απορρόφησης ενός σώματος δεν μπορεί να είναι μεγαλύτερη από μία. Στην περίπτωση αυτή, ένα σώμα του οποίου η ικανότητα απορρόφησης είναι μικρότερη από τη μονάδα και είναι ίδια σε όλο το φάσμα συχνοτήτων ονομάζεται γκρίζο σώμα.

Ξεχωριστή θέση στη θεωρία της θερμικής ακτινοβολίας κατέχει το απόλυτα μαύρο σώμα. Αυτό ονόμασε ο G. Kirchhoff ένα σώμα του οποίου η ικανότητα απορρόφησης είναι ίση με τη μονάδα σε όλες τις συχνότητες και σε όλες τις θερμοκρασίες. Ένα πραγματικό σώμα αντανακλά πάντα μέρος της ενέργειας της ακτινοβολίας που προσπίπτει πάνω του (Εικ. 1.2). Ακόμη και η αιθάλη προσεγγίζει τις ιδιότητες ενός εντελώς μαύρου σώματος μόνο στο οπτικό εύρος.

1 - απολύτως μαύρο σώμα. 2 - γκρι σώμα. 3 - πραγματικό σώμα

Το μαύρο σώμα είναι το σώμα αναφοράς στη θεωρία της θερμικής ακτινοβολίας. Και, παρόλο που δεν υπάρχει απολύτως μαύρο σώμα στη φύση, είναι πολύ απλό να εφαρμοστεί ένα μοντέλο για το οποίο η ικανότητα απορρόφησης σε όλες τις συχνότητες θα διαφέρει αμελητέα από τη μονάδα. Ένα τέτοιο μοντέλο ενός απολύτως μαύρου σώματος μπορεί να κατασκευαστεί με τη μορφή μιας κλειστής κοιλότητας (Εικ. 1.3), εξοπλισμένη με μια μικρή οπή, η διάμετρος της οποίας είναι σημαντικά μικρότερη από τις εγκάρσιες διαστάσεις της κοιλότητας. Σε αυτή την περίπτωση, η κοιλότητα μπορεί να έχει σχεδόν οποιοδήποτε σχήμα και να είναι κατασκευασμένη από οποιοδήποτε υλικό.

Μια μικρή τρύπα έχει την ιδιότητα να απορροφά σχεδόν πλήρως την ακτινοβολία που προσπίπτει πάνω της και καθώς το μέγεθος της οπής μειώνεται, η ικανότητα απορρόφησής της τείνει προς την ενότητα. Πράγματι, η ακτινοβολία μέσω της οπής προσπίπτει στα τοιχώματα της κοιλότητας, απορροφώντας εν μέρει από αυτά. Με μικρά μεγέθη οπών, η δοκός πρέπει να υποστεί πολλές αντανακλάσεις πριν μπορέσει να βγει από την τρύπα, δηλαδή επίσημα να ανακλαστεί από αυτήν. Με πολλαπλές επαναλαμβανόμενες αντανακλάσεις στα τοιχώματα της κοιλότητας, η ακτινοβολία που εισέρχεται στην κοιλότητα απορροφάται σχεδόν πλήρως.

Σημειώστε ότι εάν τα τοιχώματα της κοιλότητας διατηρούνται σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, τότε η τρύπα θα ακτινοβολεί και αυτή η ακτινοβολία μπορεί να θεωρηθεί με υψηλό βαθμό ακρίβειας ως η ακτινοβολία ενός μαύρου σώματος που έχει θερμοκρασία. Μελετώντας την κατανομή της ενέργειας αυτής της ακτινοβολίας στο φάσμα oC, E. Pringsheim, O. Lümmer, F. Kurlbaum, κ.λπ.), είναι δυνατός ο πειραματικός προσδιορισμός της ικανότητας εκπομπής ενός μαύρου σώματος και . Τα αποτελέσματα τέτοιων πειραμάτων σε διαφορετικές θερμοκρασίες φαίνονται στο Σχ. 1.4.

Από αυτές τις σκέψεις προκύπτει ότι η ικανότητα απορρόφησης και το χρώμα του σώματος είναι αλληλένδετα.

3. Ο νόμος του Kirchhoff.

Ο νόμος του Kirchhoff. Πρέπει να υπάρχει σύνδεση μεταξύ των ιδιοτήτων εκπομπής και απορρόφησης οποιουδήποτε σώματος. Πράγματι, σε ένα πείραμα με θερμική ακτινοβολία ισορροπίας (Εικ. 1.1), η ισορροπία στο σύστημα μπορεί να επιτευχθεί μόνο εάν κάθε σώμα εκπέμπει τόση ενέργεια ανά μονάδα χρόνου όση απορροφά. Αυτό σημαίνει ότι τα σώματα που απορροφούν ακτινοβολία οποιασδήποτε συχνότητας πιο έντονα θα εκπέμπουν αυτή την ακτινοβολία πιο έντονα.

Επομένως, σύμφωνα με αυτήν την αρχή της λεπτομερούς ισορροπίας, η αναλογία των εκπεμπόμενων και απορροφητικών δυνάμεων είναι η ίδια για όλα τα σώματα στη φύση, συμπεριλαμβανομένου ενός μαύρου σώματος, και σε μια δεδομένη θερμοκρασία είναι η ίδια καθολική λειτουργίασυχνότητες (μήκη κύματος).

Αυτός ο νόμος της θερμικής ακτινοβολίας, που θεσπίστηκε το 1859 από τον G. Kirchhoff όταν εξετάζουμε τους θερμοδυναμικούς νόμους των συστημάτων ισορροπίας με την ακτινοβολία, μπορεί να γραφτεί ως η σχέση

όπου οι δείκτες 1, 2, 3... αντιστοιχούν σε διάφορα πραγματικά σώματα.

Από το νόμο του Kirchhoff προκύπτει ότι οι καθολικές συναρτήσεις είναι η φασματική εκπομπή ενός μαύρου σώματος σε μια κλίμακα συχνοτήτων ή μηκών κύματος, αντίστοιχα. Επομένως, η σύνδεση μεταξύ τους καθορίζεται από τον τύπο .

Η ακτινοβολία μαύρου σώματος έχει καθολικό χαρακτήρα στη θεωρία της θερμικής ακτινοβολίας. Ένα πραγματικό σώμα εκπέμπει πάντα λιγότερη ενέργεια σε οποιαδήποτε θερμοκρασία από ένα απολύτως μαύρο σώμα. Γνωρίζοντας την ικανότητα εκπομπής ενός μαύρου σώματος (η καθολική συνάρτηση Kirchhoff) και την απορροφητικότητα ενός πραγματικού σώματος, από το νόμο του Kirchhoff μπορεί κανείς να προσδιορίσει την ενέργεια που εκπέμπεται από αυτό το σώμα σε οποιαδήποτε περιοχή συχνοτήτων ή μήκος κύματος.

Αυτό σημαίνει ότι αυτή η ενέργεια που εκπέμπεται από ένα σώμα ορίζεται ως η διαφορά μεταξύ της ικανότητας εκπομπής ενός μαύρου σώματος και της ικανότητας απορρόφησης ενός πραγματικού σώματος.

4. Νόμος Stefan-Boltzmann

Νόμος Stefan-Boltzmann. Πειραματικές (1879 από τον J. Stefan) και θεωρητικές (1884 από τον L. Boltzmann) μελέτες κατέστησαν δυνατή την απόδειξη του σημαντικού νόμου της θερμικής ακτινοβολίας ενός απολύτως μαύρου σώματος. Αυτός ο νόμος λέει ότι η ενεργειακή φωτεινότητα ενός μαύρου σώματος είναι ανάλογη με την τέταρτη δύναμη της απόλυτης θερμοκρασίας του, δηλαδή

Αυτός ο νόμος χρησιμοποιείται συχνά στην αστρονομία για τον προσδιορισμό της φωτεινότητας ενός άστρου με βάση τη θερμοκρασία του. Για να γίνει αυτό, είναι απαραίτητο να μετακινηθείτε από την πυκνότητα ακτινοβολίας σε μια παρατηρήσιμη ποσότητα - ροή. Ο τύπος για τη ροή ακτινοβολίας ενσωματωμένη στο φάσμα θα προκύψει στο τρίτο κεφάλαιο.

Σύμφωνα με σύγχρονες μετρήσεις, η σταθερά Stefan-Boltzmann W/(m2 (K4).

Για αληθινά σώματαΟ νόμος Stefan-Boltzmann ικανοποιείται μόνο ποιοτικά, δηλαδή, με την αύξηση της θερμοκρασίας, οι ενεργειακές φωτεινότητες όλων των σωμάτων αυξάνονται. Ωστόσο, για πραγματικά σώματα η εξάρτηση της ενεργειακής φωτεινότητας από τη θερμοκρασία δεν περιγράφεται πλέον με την απλή σχέση (1.7), αλλά έχει τη μορφή

Ο συντελεστής στο (1,8), πάντα μικρότερος από τη μονάδα, μπορεί να ονομαστεί ολοκληρωμένη απορροφητική ικανότητα του σώματος. Αξίες, σε γενική περίπτωσηεξαρτώμενα από τη θερμοκρασία είναι γνωστά για πολλά τεχνικά σημαντικά υλικά. Έτσι, σε ένα αρκετά μεγάλο εύρος θερμοκρασίας για τα μέταλλα, και για τον άνθρακα και τα οξείδια μετάλλων .

Για πραγματικά μη μαύρα σώματα, μπορεί κανείς να εισαγάγει την έννοια της αποτελεσματικής θερμοκρασίας ακτινοβολίας, η οποία ορίζεται ως η θερμοκρασία ενός εντελώς μαύρου σώματος που έχει την ίδια ενεργειακή φωτεινότητα με το πραγματικό σώμα. Η θερμοκρασία σώματος ακτινοβολίας είναι πάντα μικρότερη από την πραγματική θερμοκρασία σώματος. Πράγματι, για ένα πραγματικό σώμα . Από εδώ βρίσκουμε ότι , δηλαδή, αφού για πραγματικά σώματα.

Η θερμοκρασία ακτινοβολίας θερμών σωμάτων με υψηλή θέρμανση μπορεί να προσδιοριστεί χρησιμοποιώντας ένα πυρόμετρο ακτινοβολίας (Εικ. 1.5), στο οποίο η εικόνα μιας αρκετά απομακρυσμένης θερμαινόμενης πηγής I προβάλλεται χρησιμοποιώντας έναν φακό στον δέκτη P, έτσι ώστε η εικόνα του πομπού να επικαλύπτεται πλήρως ο λαβων. Τα μεταλλικά ή ημιαγωγικά βολόμετρα ή θερμοστοιχεία χρησιμοποιούνται συνήθως για την εκτίμηση της ενέργειας της ακτινοβολίας που προσπίπτει στον δέκτη. Η δράση των βολομέτρων βασίζεται σε μια αλλαγή στην ηλεκτρική αντίσταση ενός μετάλλου ή ενός ημιαγωγού με μια αλλαγή στη θερμοκρασία που προκαλείται από την απορρόφηση μιας προσπίπτουσας ροής ακτινοβολίας. Μια αλλαγή στη θερμοκρασία της απορροφητικής επιφάνειας των θερμοστοιχείων οδηγεί στην εμφάνιση θερμο-EMF σε αυτά.

Η ένδειξη μιας συσκευής συνδεδεμένης σε ένα βολόμετρο ή θερμοστοιχείο αποδεικνύεται ότι είναι ανάλογη με την ενέργεια ακτινοβολίας που προσπίπτει στον δέκτη πυρόμετρου. Έχοντας προηγουμένως βαθμονομήσει το πυρόμετρο σύμφωνα με την ακτινοβολία ενός προτύπου μαύρου σώματος σε διαφορετικές θερμοκρασίες, είναι δυνατό να μετρηθούν οι θερμοκρασίες ακτινοβολίας διαφόρων θερμαινόμενων σωμάτων χρησιμοποιώντας την κλίμακα του οργάνου.

Γνωρίζοντας την ολοκληρωμένη ικανότητα απορρόφησης του υλικού εκπομπού, είναι δυνατό να μετατραπεί η μετρούμενη θερμοκρασία ακτινοβολίας του εκπομπού στην πραγματική του θερμοκρασία χρησιμοποιώντας τον τύπο

Συγκεκριμένα, εάν ένα πυρόμετρο ακτινοβολίας δείχνει θερμοκρασία Κ όταν παρατηρεί την καυτή επιφάνεια ενός πομπού βολφραμίου (), τότε η πραγματική του θερμοκρασία είναι Κ.

Από αυτό μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η φωτεινότητα οποιουδήποτε σώματος μπορεί να προσδιοριστεί από τη θερμοκρασία του.

5. Ο νόμος της μετατόπισης της Wien

Το 1893, ο Γερμανός φυσικός W. Wien εξέτασε θεωρητικά τη θερμοδυναμική διαδικασία συμπίεσης της ακτινοβολίας που περιορίζεται σε μια κοιλότητα με τέλεια κατοπτρικά τοιχώματα. Λαμβάνοντας υπόψη την αλλαγή στη συχνότητα της ακτινοβολίας λόγω του φαινομένου Doppler κατά την ανάκλαση από έναν κινούμενο καθρέφτη, ο Wien κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η εκπομπή ενός εντελώς μαύρου σώματος θα έπρεπε να έχει τη μορφή

(1.9)

Εδώ υπάρχει μια συγκεκριμένη συνάρτηση, η συγκεκριμένη μορφή της οποίας δεν μπορεί να προσδιοριστεί με θερμοδυναμικές μεθόδους.

Περνώντας σε αυτόν τον τύπο Wien από τη συχνότητα στο μήκος κύματος, σύμφωνα με τον κανόνα μετάβασης (1.3), λαμβάνουμε

(1.10)

Όπως φαίνεται, η έκφραση για την εκπομπή περιλαμβάνει τη θερμοκρασία μόνο με τη μορφή προϊόντος. Αυτή η περίσταση από μόνη της καθιστά δυνατή την πρόβλεψη ορισμένων χαρακτηριστικών της συνάρτησης. Συγκεκριμένα, αυτή η συνάρτηση φτάνει στο μέγιστο στο ορισμένο μήκοςκύμα, το οποίο αλλάζει όταν η θερμοκρασία του σώματος αλλάζει έτσι ώστε να ικανοποιείται η κατάσταση: .

Έτσι, ο V. Vin διατύπωσε τον νόμο της θερμικής ακτινοβολίας, σύμφωνα με τον οποίο το μήκος κύματος στο οποίο εμφανίζεται η μέγιστη εκπομπή ενός απολύτως μαύρου σώματος είναι αντιστρόφως ανάλογο της απόλυτης θερμοκρασίας του. Αυτός ο νόμος μπορεί να γραφτεί με τη μορφή

Η τιμή της σταθεράς σε αυτόν τον νόμο, που λήφθηκε από πειράματα, αποδείχθηκε ίση με m mK.

Ο νόμος του Wien ονομάζεται νόμος μετατόπισης, τονίζοντας έτσι ότι καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία ενός απόλυτα μαύρου σώματος, η θέση του μέγιστου της εκπεμπόμενης του ικανότητας μετατοπίζεται στην περιοχή των βραχέων μηκών κύματος. Τα πειραματικά αποτελέσματα που φαίνονται στο Σχ. 1.4 επιβεβαιώνουν αυτό το συμπέρασμα όχι μόνο ποιοτικά, αλλά και ποσοτικά, αυστηρά σύμφωνα με τον τύπο (1.11).

Για τα πραγματικά σώματα, ο νόμος του Wien ικανοποιείται μόνο ποιοτικά. Καθώς η θερμοκρασία οποιουδήποτε σώματος αυξάνεται, το μήκος κύματος κοντά στο οποίο το σώμα εκπέμπει την περισσότερη ενέργεια μετατοπίζεται επίσης προς μικρότερα μήκη κύματος. Αυτή η μετατόπιση όμως δεν περιγράφεται πλέον με τον απλό τύπο (1.11), ο οποίος για την ακτινοβολία πραγματικών σωμάτων μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο ως εκτίμηση.

Από τον νόμο μετατόπισης του Wien, προκύπτει ότι η θερμοκρασία ενός σώματος και το μήκος κύματος της εκπεμπτικότητάς του είναι αλληλένδετα.

6. Φόρμουλα Rayleigh-Jeans

Στο εύρος των εξαιρετικά χαμηλών συχνοτήτων,

που ονομάζεται περιοχή Rayleigh–Jeans, η ενεργειακή πυκνότητα είναι ανάλογη με τη θερμοκρασία T και το τετράγωνο της συχνότητας ω:

Στο Σχ. 2.1.1 αυτή η περιοχή φέρει την ένδειξη RD. Ο τύπος Rayleigh-Jeans μπορεί να προκύψει καθαρά

κλασικά, χωρίς να περιλαμβάνει κβαντικές έννοιες. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του μαύρου σώματος, τόσο μεγαλύτερο είναι το εύρος συχνοτήτων στο οποίο ισχύει αυτός ο τύπος. Εξηγείται στο κλασική θεωρία, αλλά δεν μπορεί να επεκταθεί σε υψηλές συχνότητες (διακεκομμένη γραμμή στο Σχ. 2.1.1), καθώς η ενεργειακή πυκνότητα που αθροίζεται στο φάσμα σε αυτή την περίπτωση είναι απείρως μεγάλη:

Αυτό το χαρακτηριστικό του νόμου Rayleigh-Jeans ονομάζεται «υπεριώδης καταστροφή».

Από τη φόρμουλα Rayleigh-Jeans είναι σαφές ότι η θερμοκρασία του σώματος δεν επεκτείνεται σε υψηλές συχνότητες.

7. Φόρμουλα κρασιού

Στην περιοχή υψηλών συχνοτήτων (περιοχή Β στην Εικ. 2.1.1), ισχύει ο τύπος της Wien:

Είναι ξεκάθαρα ορατό ότι δεξί μέροςαλλάζει μη μονοτονικά. Εάν η συχνότητα δεν είναι πολύ υψηλή, τότε υπερισχύει ο παράγοντας ω3 και η συνάρτηση Uω αυξάνεται. Καθώς η συχνότητα αυξάνεται, η ανάπτυξη του Uω επιβραδύνεται, διέρχεται από ένα μέγιστο και στη συνέχεια μειώνεται λόγω του εκθετικού παράγοντα. Η παρουσία ενός μέγιστου στο φάσμα εκπομπών διακρίνει την περιοχή της Βιέννης από την περιοχή Rayleigh-Jeans.

Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του σώματος, τόσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα αποκοπής, από την οποία εκτελείται ο τύπος Wien. Η τιμή της παραμέτρου a στον εκθέτη στη δεξιά πλευρά εξαρτάται από την επιλογή των μονάδων στις οποίες μετρώνται η θερμοκρασία και η συχνότητα.

Αυτό σημαίνει ότι ο τύπος του Wien απαιτεί τη χρήση κβαντικών ιδεών για τη φύση του φωτός.

Έτσι σκέφτηκα τις ερωτήσεις που μου τέθηκαν. Είναι εύκολο να δει κανείς ότι οι υπάρχοντες νόμοι της φυσικής του 19ου αιώνα. ήταν επιφανειακά, δεν συνέδεαν όλα τα χαρακτηριστικά (μήκος κύματος, θερμοκρασία, συχνότητα κ.λπ.) των φυσικών σωμάτων. Όλοι οι παραπάνω νόμοι αλληλοσυμπληρώνονταν, αλλά για πλήρη κατανόηση Αυτό το θέμαήταν απαραίτητο να συμπεριληφθούν κβαντικές ιδέες για τη φύση του φωτός.

Πρακτικό μέρος

Όπως έχω ήδη πει πολλές φορές, το φαινόμενο του απόλυτα μαύρου σώματος δεν υπάρχει σε καμία περίπτωση στην πράξη, δεν μπορούμε να το δημιουργήσουμε και να το δούμε. Ωστόσο, μπορούμε να πραγματοποιήσουμε μια σειρά από πειράματα που αποδεικνύουν τους παραπάνω θεωρητικούς υπολογισμούς.

Μπορεί το λευκό να είναι πιο μαύρο από το μαύρο; Ας ξεκινήσουμε με μια πολύ απλή παρατήρηση. Αν βάλετε κομμάτια από λευκό και μαύρο χαρτί δίπλα δίπλα και δημιουργήσετε σκοτάδι στο δωμάτιο. Είναι σαφές ότι τότε δεν θα δείτε ούτε ένα φύλλο, δηλαδή και τα δύο θα είναι εξίσου μαύρα. Φαίνεται ότι σε καμία περίπτωση το λευκό χαρτί δεν μπορεί να είναι πιο μαύρο από το μαύρο. Κι όμως αυτό δεν είναι έτσι. Ένα σώμα που, σε οποιαδήποτε θερμοκρασία, απορροφά πλήρως την ακτινοβολία οποιασδήποτε συχνότητας που προσπίπτει σε αυτό ονομάζεται απολύτως μαύρο. Είναι σαφές ότι πρόκειται για εξιδανίκευση: δεν υπάρχουν απολύτως μαύρα σώματα στη φύση. Τα σώματα που συνήθως ονομάζουμε μαύρα (αιθάλη, αιθάλη, μαύρο βελούδο και χαρτί κ.λπ.) είναι στην πραγματικότητα γκρίζα, δηλ. απορροφούν εν μέρει και μερικώς σκορπίζουν το φως που πέφτει πάνω τους.

Αποδεικνύεται ότι μια σφαιρική κοιλότητα με μια μικρή τρύπα μπορεί να χρησιμεύσει ως ένα εντελώς καλό μοντέλο ενός απολύτως μαύρου σώματος. Εάν η διάμετρος της οπής δεν υπερβαίνει το 1/10 της διαμέτρου της κοιλότητας, τότε (όπως δείχνει ο αντίστοιχος υπολογισμός) η δέσμη φωτός που εισέρχεται στην οπή μπορεί να βγει πίσω μόνο μετά από πολλαπλές διασπορές ή αντανακλάσεις από διαφορετικά σημείατοιχώματα κοιλότητας. Αλλά με κάθε «επαφή» της δέσμης με τον τοίχο, η φωτεινή ενέργεια απορροφάται εν μέρει, έτσι ώστε το κλάσμα αυτής που επιστρέφει από το Η τρύπα ακτινοβολίας είναι αμελητέα μικρή. Επομένως, μπορούμε να υποθέσουμε ότι το άνοιγμα της κοιλότητας απορροφά σχεδόν πλήρως το φως οποιουδήποτε μήκους κύματος, ακριβώς όπως ένα εντελώς μαύρο σώμα. Και η ίδια η πειραματική συσκευή μπορεί να κατασκευαστεί, για παράδειγμα, έτσι. Το χαρτόνι πρέπει να κολληθεί ένα κουτί διαστάσεων περίπου 100x100x100 mm με ανοιγόμενο καπάκι. Το εσωτερικό του κουτιού πρέπει να είναι καλυμμένο με λευκό χαρτί και το εξωτερικό να είναι βαμμένο με μαύρο μελάνι, γκουάς ή, ακόμα καλύτερα, να καλύπτεται με χαρτί από φωτογραφικές συσκευασίες. Πρέπει να γίνει μια τρύπα με διάμετρο όχι μεγαλύτερη από 10 mm στο καπάκι. Ως επίδειξη, πρέπει να φωτίσετε το καπάκι του κουτιού με ένα επιτραπέζιο φωτιστικό, τότε η τρύπα θα φαίνεται πιο μαύρη από το μαύρο καπάκι.

Για να παρατηρήσετε απλά ένα φαινόμενο, μπορείτε να το κάνετε ακόμα πιο απλό (αλλά λιγότερο ενδιαφέρον). Πρέπει να πάρετε ένα λευκό κύπελλο από πορσελάνη και να το καλύψετε με ένα μαύρο χάρτινο καπάκι με μια μικρή τρύπα - το αποτέλεσμα θα είναι σχεδόν το ίδιο.

Λάβετε υπόψη ότι αν κοιτάξετε τα παράθυρα από το δρόμο μια φωτεινή ηλιόλουστη μέρα, μας φαίνονται σκοτεινά.

Παρεμπιπτόντως, ο καθηγητής του Πανεπιστημίου Πρίνστον Έρικ Ρότζερς, ο οποίος έγραψε το «Φυσική για τους περίεργους», που δημοσιεύτηκε όχι μόνο εδώ, έδωσε μια μοναδική «περιγραφή» ενός απόλυτα μαύρου σώματος: «Καμία μαύρη μπογιά σε ένα ρείθρο σκύλου δεν φαίνεται πιο μαύρη από την ανοιχτή πόρτα για έναν σκύλο."

Αφαιρώντας τα αυτοκόλλητα από δύο πανομοιότυπα άδεια δοχεία και καπνίζοντας ή βάφοντας το ένα κουτί με μαύρη μπογιά, αφήνοντας το άλλο φως, ρίχνοντας ζεστό νερό και στα δύο δοχεία και βλέποντας σε ποιο από αυτά το νερό κρυώνει πιο γρήγορα (το πείραμα μπορεί να πραγματοποιηθεί στο σκοτάδι); Θα παρατηρήσετε το φαινόμενο της θερμικής ακτινοβολίας.

Μπορείτε επίσης να παρατηρήσετε το φαινόμενο της θερμικής ακτινοβολίας παρακολουθώντας τη λειτουργία ενός ηλεκτρικού θερμαντήρα δωματίου, που αποτελείται από ένα πυρακτωμένο πηνίο και μια καλά γυαλισμένη κοίλη μεταλλική επιφάνεια.

Είναι ενδιαφέρον ότι:

Η σύνδεση μεταξύ των ακτίνων φωτός και θερμότητας ήταν γνωστή από την αρχαιότητα. Επιπλέον, η λέξη «εστίαση» σημαίνει λατινικά«φωτιά», «εστία», η οποία όταν εφαρμόζεται σε κοίλους καθρέφτες και φακούς δείχνει πρωταρχική προσοχή στη συγκέντρωση της θερμότητας και όχι στις ακτίνες φωτός. Ανάμεσα στα πολλά πειράματα του 16ου-18ου αιώνα ξεχωρίζει το πείραμα που πραγματοποίησε ο Edme Marriott, στο οποίο η πυρίτιδα αναφλεγόταν από ακτίνες θερμότητας που αντανακλώνται από έναν κοίλο καθρέφτη από... πάγο.

William Herschel, διάσημος για την ανακάλυψη πλανήτη ΟυρανόςΈχοντας ανακαλύψει αόρατες -υπέρυθρες- ακτίνες στο φάσμα του Ήλιου, έμεινε τόσο έκπληκτος που έμεινε σιωπηλός γι' αυτό για είκοσι χρόνια. Αλλά δεν είχε καμία αμφιβολία ότι ο Άρης κατοικείται και κατοικείται...

μετά φασματική ανάλυσηέδειξε την παρουσία πολλών χημικών στοιχείων στην ατμόσφαιρα του Ήλιου, συμπεριλαμβανομένου του χρυσού, ένας τραπεζίτης είπε στον Kirchhoff: «Λοιπόν, σε τι χρησιμεύει ο ηλιακός σας χρυσός, έτσι κι αλλιώς δεν μπορεί να παραδοθεί στη Γη;» Πέρασαν αρκετά χρόνια και ο Kirchhoff έλαβε από την Αγγλία χρυσό μετάλλιοκαι χρηματικό έπαθλο για την αξιόλογη έρευνά του. Δείχνοντας αυτά τα χρήματα στον τραπεζίτη, είπε: «Κοίτα, τα κατάφερα ακόμα Τελικά, πάρε λίγο χρυσό από τον Ήλιο».

Στον τάφο του Fraunhofer, ο οποίος ανακάλυψε σκοτεινές γραμμές στο φάσμα του Ήλιου και μελέτησε τα φάσματα των πλανητών και των αστεριών, ευγνώμονες συμπατριώτες έστησαν ένα μνημείο με την επιγραφή «Έφερε τα αστέρια πιο κοντά».

Έφερα από εμένα πρακτικά παραδείγματαεπιβεβαιώστε τους υπολογισμούς του θεωρητικού μέρους.

συμπέρασμα

Σκέφτηκα τις ερωτήσεις που μου τέθηκαν. Είναι εύκολο να δει κανείς ότι οι υπάρχοντες νόμοι της φυσικής του 19ου αιώνα. ήταν επιφανειακά, δεν συνέδεαν όλα τα χαρακτηριστικά (μήκος κύματος, θερμοκρασία, συχνότητα κ.λπ.) των φυσικών σωμάτων. Όλοι οι παραπάνω νόμοι αλληλοσυμπληρώνονταν, αλλά για την πλήρη κατανόηση αυτού του ζητήματος ήταν απαραίτητο να συμπεριληφθούν κβαντικές έννοιες για τη φύση του φωτός. Η δημιουργία της κβαντικής θεωρίας κατέστησε δυνατή την εξήγηση πολλών φαινομένων, όπως το φαινόμενο ενός απολύτως μαύρου σώματος, δηλ. ένα σώμα που απορροφά πλήρως ηλεκτρομαγνητικά κύματα οποιουδήποτε μήκους και, κατά συνέπεια, εκπέμπει όλα τα μήκη ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Κατέστησε επίσης δυνατή την εξήγηση της σχέσης μεταξύ της απορροφητικότητας και του χρώματος του σώματος και της εξάρτησης της φωτεινότητας ενός σώματος από τη θερμοκρασία του. Στη συνέχεια, αυτά τα φαινόμενα εξηγήθηκαν από την κλασική φυσική. Εκπλήρωσα τον στόχο της δουλειάς μου - έγραψα σε όλους το πρόβλημα ενός εντελώς μαύρου σώματος. Για να το κάνω αυτό ολοκλήρωσα τις παρακάτω εργασίες:

βρήκε όσο το δυνατόν περισσότερες πληροφορίες για αυτό το πρόβλημα.

Σπούδασε τη θεωρία του μαύρου σώματος.

επιβεβαίωσε πειραματικά τις θεωρητικές έννοιες και τα φαινόμενα που παρουσιάζονται στην περίληψη.

Για να εξετάσουμε θεωρητικά τους νόμους της ακτινοβολίας, χρησιμοποιήσαμε το μοντέλο μαύρου σώματος, δηλ. ένα σώμα που απορροφά πλήρως ηλεκτρομαγνητικά κύματα οποιουδήποτε μήκους και, κατά συνέπεια, εκπέμπει όλα τα μήκη ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.

Λίστα χρησιμοποιημένης βιβλιογραφίας:

Myakishev G. Ya., Physics 11, M., 2000.

Kasyanov V. A., Physics 11, M., 2004.

Landsberg G.S., Δημοτικό εγχειρίδιο φυσικής, τόμος III, Μ., 1986.

http://ru.wikipedia.org/wiki/Absolutely_black_body.

Παράδοξος. Μαύροςη τρύπα συμπεριφέρεται σαν σώμαμε θερμοκρασία ίση με απόλυτοςμηδέν... γιατί με τη βοήθεια μαύροςτρύπες... Έτσι, μαύροςη τρύπα ακτινοβολεί ως τέλεια μαύρος σώμα(απροσδόκητα συνειδητοποιήθηκε...

ΟΜΟΣΠΟΝΔΙΑΚΟΣ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗ

κατάσταση εκπαιδευτικό ίδρυμαανώτερη επαγγελματική εκπαίδευση

"ΚΡΑΤΙΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ΚΑΙ ΑΕΡΙΟΥ TYUMEN"

Περίληψη για την πειθαρχία

"Τεχνική Οπτική"

Θέμα: "Απολύτως μαύρο σώμα"

Συμπλήρωσε: μαθητής γρ. OBDzs-07

Kobasnyan Stepan Sergeevich Έλεγχος από: δάσκαλος της πειθαρχίας

Σιντόροβα Αναστασία Εντουάρντοβνα

Tyumen 2009

Απόλυτα μαύρο σώμα- μια φυσική αφαίρεση που χρησιμοποιείται στη θερμοδυναμική, ένα σώμα που απορροφά όλη την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που προσπίπτει σε αυτό σε όλες τις περιοχές και δεν αντανακλά τίποτα. Παρά το όνομα, ένα εντελώς μαύρο σώμα μπορεί να εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία οποιασδήποτε συχνότητας και οπτικά να έχει χρώμα. Το φάσμα ακτινοβολίας ενός απόλυτα μαύρου σώματος καθορίζεται μόνο από τη θερμοκρασία του.

Οι πιο μαύρες πραγματικές ουσίες, για παράδειγμα, η αιθάλη, απορροφούν έως και το 99% της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (δηλαδή, έχουν albedo 0,01) στην περιοχή ορατού μήκους κύματος, αλλά απορροφούν την υπέρυθρη ακτινοβολία πολύ λιγότερο καλά. Ανάμεσα στα σώματα ηλιακό σύστημαΟ Ήλιος έχει στο μεγαλύτερο βαθμό τις ιδιότητες ενός απόλυτα μαύρου σώματος. Ο όρος εισήχθη από τον Gustav Kirchhoff το 1862.

Μαύρο μοντέλο σώματος

Απόλυτα μαύρα σώματα δεν υπάρχουν στη φύση, επομένως στη φυσική χρησιμοποιείται ένα μοντέλο για πειράματα. Είναι μια κλειστή κοιλότητα με μια μικρή τρύπα. Το φως που εισέρχεται από αυτήν την τρύπα θα απορροφηθεί πλήρως μετά από επαναλαμβανόμενες αντανακλάσεις και η τρύπα θα φαίνεται εντελώς μαύρη από έξω. Αλλά όταν αυτή η κοιλότητα θερμαίνεται, θα αναπτύξει τη δική της ορατή ακτινοβολία.

Νόμοι της ακτινοβολίας μαύρου σώματος

Κλασική προσέγγιση

Η μελέτη των νόμων της ακτινοβολίας του μαύρου σώματος ήταν μία από τις προϋποθέσεις για την εμφάνιση της κβαντικής μηχανικής.

Ο πρώτος νόμος της Βιέννης για την ακτινοβολία

Το 1893, ο Wilhelm Wien, βασισμένος στις έννοιες της κλασικής θερμοδυναμικής, εξήγαγε τον ακόλουθο τύπο:

Ο πρώτος τύπος της Wien ισχύει για όλες τις συχνότητες. Οποιοσδήποτε πιο συγκεκριμένος τύπος (για παράδειγμα, ο νόμος του Planck) πρέπει να ικανοποιεί τον πρώτο τύπο του Wien.

Από τον πρώτο τύπο Wien μπορεί κανείς να εξαγάγει τον νόμο μετατόπισης Wien (μέγιστος νόμος) και τον νόμο Stefan-Boltzmann, αλλά δεν μπορεί κανείς να βρει τις τιμές των σταθερών που περιλαμβάνονται σε αυτούς τους νόμους.

Ιστορικά, ήταν ο πρώτος νόμος της Βιέννης που ονομάστηκε νόμος μετατόπισης, αλλά επί του παρόντος ο όρος «νόμος μετατόπισης της Wien» αναφέρεται στον μέγιστο νόμο.

Ο δεύτερος νόμος της Βιέννης για την ακτινοβολία

Το 1896, η Wien εξήγαγε τον δεύτερο νόμο με βάση πρόσθετες υποθέσεις:

Η εμπειρία δείχνει ότι ο δεύτερος τύπος της Wien ισχύει μόνο στο όριο υψηλές συχνότητες(μικρά μήκη κύματος). Είναι μια ειδική περίπτωση του πρώτου νόμου της Βιέννης.

Αργότερα, ο Max Planck έδειξε ότι ο δεύτερος νόμος της Wien απορρέει από τον νόμο του Planck για τις υψηλές κβαντικές ενέργειες και επίσης βρήκε τις σταθερές ντο 1 και ντο 2. Λαμβάνοντας αυτό υπόψη, ο δεύτερος νόμος του Wien μπορεί να γραφτεί ως:

Νόμος Rayleigh-Jeans

Μια προσπάθεια να περιγραφεί η ακτινοβολία ενός εντελώς μαύρου σώματος με βάση τις κλασικές αρχές της θερμοδυναμικής και της ηλεκτροδυναμικής οδηγεί στον νόμο Rayleigh-Jeans:

Αυτός ο τύπος υποθέτει μια τετραγωνική αύξηση της φασματικής πυκνότητας της ακτινοβολίας ανάλογα με τη συχνότητά της. Στην πράξη, ένας τέτοιος νόμος θα σήμαινε την αδυναμία της θερμοδυναμικής ισορροπίας μεταξύ ύλης και ακτινοβολίας, αφού σύμφωνα με όλα θερμική ενέργειαθα έπρεπε να μετατραπεί σε ενέργεια ακτινοβολίας στην περιοχή βραχέων κυμάτων του φάσματος. Αυτό το υποθετικό φαινόμενο ονομάστηκε υπεριώδης καταστροφή.

Ωστόσο, ο νόμος της ακτινοβολίας Rayleigh-Jeans ισχύει για την περιοχή μακρών κυμάτων του φάσματος και περιγράφει επαρκώς τη φύση της ακτινοβολίας. Το γεγονός μιας τέτοιας αντιστοιχίας μπορεί να εξηγηθεί μόνο χρησιμοποιώντας μια κβαντομηχανική προσέγγιση, σύμφωνα με την οποία η ακτινοβολία εμφανίζεται διακριτά. Με βάση τους κβαντικούς νόμους, μπορούμε να λάβουμε τον τύπο του Planck, ο οποίος θα συμπίπτει με τον τύπο Rayleigh-Jeans για

.

Το γεγονός αυτό αποτελεί εξαιρετική απεικόνιση της αρχής της αντιστοιχίας, σύμφωνα με την οποία το νέο φυσική θεωρίαπρέπει να εξηγήσει όλα όσα μπορούσε να εξηγήσει ο παλιός.

ο νόμος του Πλανκ

Εξάρτηση της ισχύος ακτινοβολίας του μαύρου σώματος από το μήκος κύματος

Η ένταση της ακτινοβολίας ενός απόλυτα μαύρου σώματος, ανάλογα με τη θερμοκρασία και τη συχνότητα, καθορίζεται από ο νόμος του Πλανκ :

Οπου Εγώ (ν) ρεν - ισχύς ακτινοβολίας ανά μονάδα επιφάνειας της επιφάνειας ακτινοβολίας στην περιοχή συχνοτήτων από ν έως ν + ρε ν.

Ισοδύναμα,

,

Οπου u (λ) ρελ - ισχύς ακτινοβολίας ανά μονάδα επιφάνειας της επιφάνειας εκπομπής στην περιοχή μήκους κύματος από λ έως λ + ρε λ.

Νόμος Stefan-Boltzmann

Προσδιορίζεται η συνολική ενέργεια της θερμικής ακτινοβολίας Νόμος Stefan-Boltzmann :

,

Οπου ιείναι η ισχύς ανά μονάδα επιφάνειας της ακτινοβολούμενης επιφάνειας και

W/(m²·K 4) ​​- Σταθερά Stefan-Boltzmann .

Έτσι, ένα απολύτως μαύρο σώμα στο Τ= 100 K εκπέμπει 5,67 watt ανά τετραγωνικό μέτρο της επιφάνειάς του. Σε θερμοκρασία 1000 K, η ισχύς ακτινοβολίας αυξάνεται στα 56,7 κιλοβάτ ανά τετραγωνικό μέτρο.

Ο νόμος της μετατόπισης της Βιέννης

Το μήκος κύματος στο οποίο είναι μέγιστη η ενέργεια ακτινοβολίας ενός εντελώς μαύρου σώματος καθορίζεται από Ο νόμος της μετατόπισης της Βιέννης :

Οπου Τείναι η θερμοκρασία σε Kelvin, και λ max είναι το μήκος κύματος με τη μέγιστη ένταση σε μέτρα.

Έτσι, αν υποθέσουμε ως πρώτη προσέγγιση ότι το ανθρώπινο δέρμα έχει ιδιότητες κοντά σε ένα απολύτως μαύρο σώμα, τότε το μέγιστο του φάσματος εκπομπής σε θερμοκρασία 36°C (309 K) βρίσκεται σε μήκος κύματος 9400 nm (στο υπέρυθρη περιοχήφάσμα).

Το φαινομενικό χρώμα εντελώς μαύρων σωμάτων σε διαφορετικές θερμοκρασίες φαίνεται στο διάγραμμα.

Ακτινοβολία μαύρου σώματος

Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που βρίσκεται σε θερμοδυναμική ισορροπία με ένα μαύρο σώμα σε μια δεδομένη θερμοκρασία (για παράδειγμα, ακτινοβολία μέσα σε μια κοιλότητα σε ένα μαύρο σώμα) ονομάζεται ακτινοβολία μαύρου σώματος (ή θερμικής ισορροπίας). Η θερμική ακτινοβολία ισορροπίας είναι ομοιογενής, ισότροπη και μη πολωμένη, δεν υπάρχει μεταφορά ενέργειας σε αυτήν, όλα τα χαρακτηριστικά της εξαρτώνται μόνο από τη θερμοκρασία του εκπομπού απολύτως μαύρου σώματος (και, καθώς η ακτινοβολία του μαύρου σώματος βρίσκεται σε θερμική ισορροπία με αυτό το σώμα, αυτή η θερμοκρασία μπορεί να αποδοθεί σε ακτινοβολία). Η ογκομετρική ενεργειακή πυκνότητα της ακτινοβολίας του μαύρου σώματος είναι ίση με

, η πίεσή του είναι ίση . Το λεγόμενο μαύρο σώμα είναι πολύ κοντά στις ιδιότητές του κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου, ή κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων - ακτινοβολία που γεμίζει το Σύμπαν με θερμοκρασία περίπου 3 Κ.

Χρωματισμός μαύρου σώματος

Σημείωση:Τα χρώματα δίνονται σε σύγκριση με το διάχυτο φως της ημέρας (D 65). Το πραγματικό αντιληπτό χρώμα μπορεί να παραμορφωθεί από την προσαρμογή του ματιού στις συνθήκες φωτισμού.

Ένα απολύτως μαύρο σώμα που απορροφά πλήρως την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία οποιασδήποτε συχνότητας, όταν θερμαίνεται, εκπέμπει ενέργεια με τη μορφή κυμάτων ομοιόμορφα κατανεμημένα σε ολόκληρο το φάσμα συχνοτήτων

ΠΡΟΣ ΤΗΝ τέλος του 19ου αιώναΓια αιώνες, οι επιστήμονες, μελετώντας την αλληλεπίδραση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (ιδίως του φωτός) με άτομα ύλης, αντιμετώπισαν σοβαρά προβλήματα που μπορούσαν να λυθούν μόνο στο πλαίσιο της κβαντικής μηχανικής, τα οποία, από πολλές απόψεις, προέκυψαν λόγω του γεγονότος ότι αυτά τα προβλήματα προέκυψε. Για να κατανοήσετε το πρώτο και ίσως το πιο σοβαρό από αυτά τα προβλήματα, φανταστείτε ένα μεγάλο μαύρο κουτί με έναν καθρέφτη εσωτερική επιφάνεια, σε έναν από τους τοίχους του οποίου γίνεται μια μικρή τρύπα. Μια ακτίνα φωτός που διεισδύει σε ένα κουτί μέσα από μια μικροσκοπική τρύπα παραμένει για πάντα μέσα, αντανακλώντας ατελείωτα από τους τοίχους. Ένα αντικείμενο που δεν αντανακλά το φως, αλλά το απορροφά εντελώς, φαίνεται μαύρο, γι' αυτό και συνήθως ονομάζεται μαύρο σώμα. (Απολύτως μαύρο σώμα - όπως πολλά άλλα εννοιολογικά φυσικά φαινόμενα- το αντικείμενο είναι καθαρά υποθετικό, αν και, για παράδειγμα, μια κούφια, ομοιόμορφα θερμαινόμενη σφαίρα που καθρεφτίζεται από το εσωτερικό, στην οποία το φως διεισδύει μέσω μιας μόνο μικροσκοπικής οπής, είναι μια καλή προσέγγιση.)

Απόλυτα μαύρα σώματα δεν υπάρχουν στη φύση, επομένως στη φυσική χρησιμοποιείται ένα μοντέλο για πειράματα. Είναι μια αδιαφανής κλειστή κοιλότητα με μια μικρή τρύπα, τα τοιχώματα της οποίας έχουν την ίδια θερμοκρασία. Το φως που εισέρχεται από αυτήν την τρύπα θα απορροφηθεί πλήρως μετά από επαναλαμβανόμενες αντανακλάσεις και η τρύπα θα φαίνεται εντελώς μαύρη από έξω. Αλλά όταν αυτή η κοιλότητα θερμαίνεται, θα αναπτύξει τη δική της ορατή ακτινοβολία. Δεδομένου ότι η ακτινοβολία που εκπέμπεται από τα εσωτερικά τοιχώματα της κοιλότητας, πριν βγει (εξάλλου, η τρύπα είναι πολύ μικρή), στη συντριπτική πλειοψηφία των περιπτώσεων θα υποστεί μεγάλο ποσόνέες απορροφήσεις και εκπομπές, τότε μπορούμε να πούμε με σιγουριά ότι η ακτινοβολία στο εσωτερικό της κοιλότητας βρίσκεται σε θερμοδυναμική ισορροπία με τα τοιχώματα. (Στην πραγματικότητα, η τρύπα δεν είναι καθόλου σημαντική για αυτό το μοντέλο, χρειάζεται μόνο για να τονιστεί η θεμελιώδης παρατηρησιμότητα της ακτινοβολίας στο εσωτερικό· η τρύπα μπορεί, για παράδειγμα, να κλείσει τελείως και να ανοίξει γρήγορα μόνο όταν έχει ήδη δημιουργηθεί ισορροπία και η μέτρηση πραγματοποιείται).

Ωστόσο, πιθανότατα έχετε δει αρκετά κοντινά ανάλογα ενός μαύρου σώματος στην πραγματικότητα. Σε ένα τζάκι, για παράδειγμα, συμβαίνει πολλά κούτσουρα να στοιβάζονται σχεδόν σφιχτά μεταξύ τους και μια αρκετά μεγάλη κοιλότητα καίγεται μέσα τους. Το εξωτερικό των κορμών παραμένει σκοτεινό και δεν λάμπει, ενώ στο εσωτερικό της καμένης κοιλότητας συσσωρεύεται θερμότητα (υπέρυθρη ακτινοβολία) και φως, και αυτές οι ακτίνες αντανακλώνται επανειλημμένα από τα τοιχώματα της κοιλότητας πριν διαφύγουν έξω. Αν κοιτάξετε το κενό μεταξύ τέτοιων κορμών, θα δείτε μια λαμπερή κίτρινη-πορτοκαλί λάμψη υψηλής θερμοκρασίας και από εκεί κυριολεκτικά θα φλέγετε από ζέστη. Οι ακτίνες απλώς παγιδεύτηκαν για κάποιο χρονικό διάστημα μεταξύ των κορμών, όπως ακριβώς το φως παγιδεύεται και απορροφάται πλήρως από το μαύρο κουτί που περιγράφεται παραπάνω.

Το μοντέλο ενός τέτοιου μαύρου κουτιού μας βοηθά να κατανοήσουμε πώς συμπεριφέρεται το φως που απορροφάται από ένα μαύρο σώμα, αλληλεπιδρώντας με τα άτομα της ουσίας του. Εδώ είναι σημαντικό να καταλάβουμε ότι το φως απορροφάται από ένα άτομο, εκπέμπεται αμέσως από αυτό και απορροφάται από άλλο άτομο, εκπέμπεται και απορροφάται ξανά, και αυτό θα συμβεί μέχρι να επιτευχθεί η κατάσταση κορεσμού ισορροπίας. Όταν ένα μαύρο σώμα θερμαίνεται σε κατάσταση ισορροπίας, οι εντάσεις εκπομπής και απορρόφησης των ακτίνων μέσα στο μαύρο σώμα εξισώνονται: όταν μια ορισμένη ποσότητα φωτός ορισμένης συχνότητας απορροφάται από ένα άτομο, ένα άλλο άτομο κάπου μέσα εκπέμπει ταυτόχρονα το ίδιο ποσότητα φωτός της ίδιας συχνότητας. Έτσι, η ποσότητα του απορροφούμενου φωτός κάθε συχνότητας μέσα σε ένα μαύρο σώμα παραμένει η ίδια, αν και διαφορετικά άτομα του σώματος το απορροφούν και το εκπέμπουν.

Μέχρι αυτή τη στιγμή, η συμπεριφορά του μαύρου σώματος παραμένει αρκετά κατανοητή. Τα προβλήματα στο πλαίσιο της κλασικής φυσικής (με τον όρο «κλασική» εδώ εννοούμε τη φυσική πριν από την εμφάνιση της κβαντικής μηχανικής) ξεκίνησαν όταν προσπαθούσαμε να υπολογίσουμε την ενέργεια ακτινοβολίας που αποθηκεύτηκε μέσα σε ένα μαύρο σώμα σε κατάσταση ισορροπίας. Και δύο πράγματα έγιναν σύντομα ξεκάθαρα:

1. όσο πιο ψηλά συχνότητα κύματοςακτίνες, όσο περισσότερο συσσωρεύονται μέσα στο μαύρο σώμα (δηλαδή, όσο μικρότερα είναι τα μήκη κύματος του μελετημένου τμήματος του φάσματος των κυμάτων ακτινοβολίας, τόσο περισσότερες ακτίνες αυτού του τμήματος του φάσματος μέσα στο μαύρο σώμα προβλέπει η κλασική θεωρία).
2. Όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα του κύματος, τόσο περισσότερη ενέργεια μεταφέρει και, κατά συνέπεια, τόσο περισσότερη από αυτήν αποθηκεύεται μέσα στο μαύρο σώμα.

Συνολικά, αυτά τα δύο συμπεράσματα οδήγησαν σε ένα αδιανόητο αποτέλεσμα: η ενέργεια της ακτινοβολίας μέσα σε ένα μαύρο σώμα πρέπει να είναι άπειρη! Αυτή η κακή κοροϊδία των νόμων της κλασικής φυσικής ονομάστηκε η υπεριώδης καταστροφή, καθώς η ακτινοβολία υψηλής συχνότητας βρίσκεται στο υπεριώδες τμήμα του φάσματος.

Ο Γερμανός φυσικός Μαξ Πλανκ κατάφερε να αποκαταστήσει την τάξη (βλ. τη σταθερά του Πλανκ) - έδειξε ότι το πρόβλημα αφαιρείται αν υποθέσουμε ότι τα άτομα μπορούν να απορροφήσουν και να εκπέμψουν φως μόνο σε τμήματα και μόνο σε ορισμένες συχνότητες. (Αργότερα, ο Albert Einstein γενίκευσε αυτή την ιδέα εισάγοντας την έννοια των φωτονίων - αυστηρά καθορισμένα τμήματα της ακτινοβολίας φωτός.) Σύμφωνα με αυτό το σχήμα, πολλές συχνότητες ακτινοβολίας προέβλεπαν κλασική φυσική, απλά δεν μπορεί να υπάρχει μέσα σε ένα μαύρο σώμα, αφού τα άτομα δεν είναι σε θέση ούτε να τα απορροφήσουν ούτε να τα εκπέμψουν. Συνεπώς, αυτές οι συχνότητες αποκλείονται από την εξέταση κατά τον υπολογισμό της ακτινοβολίας ισορροπίας μέσα σε ένα μαύρο σώμα. Αφήνοντας μόνο επιτρεπόμενες συχνότητες, ο Planck απέτρεψε την υπεριώδη καταστροφή και έθεσε την επιστήμη στο δρόμο για μια σωστή κατανόηση της δομής του κόσμου σε υποατομικό επίπεδο. Επιπλέον, υπολόγισε τη χαρακτηριστική κατανομή συχνότητας της ακτινοβολίας του μαύρου σώματος ισορροπίας.

Αυτή η κατανομή απέκτησε παγκόσμια φήμη πολλές δεκαετίες μετά τη δημοσίευσή της από τον ίδιο τον Planck, όταν οι κοσμολόγοι ανακάλυψαν ότι η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου μικροκυμάτων που ανακάλυψαν υπακούει ακριβώς στην κατανομή Planck στα φασματικά χαρακτηριστικά της και αντιστοιχεί στην ακτινοβολία ενός εντελώς μαύρου σώματος σε θερμοκρασία περίπου τριών βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν.

Εγκυκλοπαίδεια του James Trefil «Η Φύση της Επιστήμης. 200 νόμοι του σύμπαντος».
Ο James Trefil είναι καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο George Mason (ΗΠΑ), ένας από τους πιο διάσημους δυτικούς συγγραφείς δημοφιλών επιστημονικών βιβλίων.

Σχόλια: 0

Ένα από τα γεγονότα του υποατομικού κόσμου είναι ότι τα αντικείμενά του - όπως τα ηλεκτρόνια ή τα φωτόνια - δεν είναι καθόλου παρόμοια με τα συνηθισμένα αντικείμενα του μακρόκοσμου. Δεν συμπεριφέρονται ούτε σαν σωματίδια ούτε σαν κύματα, αλλά σαν εντελώς ειδική εκπαίδευση, παρουσιάζοντας τόσο κύμα όσο και σωματικές ιδιότητεςανάλογα με τις περιστάσεις. Είναι άλλο πράγμα να κάνεις μια δήλωση, αλλά εντελώς άλλο να συνδέεις τις πτυχές κυμάτων και σωματιδίων της συμπεριφοράς των κβαντικών σωματιδίων, περιγράφοντάς τα με μια ακριβή εξίσωση. Αυτό ακριβώς έγινε στη σχέση de Broglie.

ΣΕ Καθημερινή ζωήΥπάρχουν δύο τρόποι μεταφοράς ενέργειας στο διάστημα - μέσω σωματιδίων ή κυμάτων. ΣΕ καθημερινή ζωήΔεν υπάρχουν ορατές αντιφάσεις μεταξύ των δύο μηχανισμών μεταφοράς ενέργειας. Έτσι, μια μπάλα του μπάσκετ είναι ένα σωματίδιο, και ο ήχος είναι ένα κύμα, και όλα είναι ξεκάθαρα. Ωστόσο, στην κβαντική μηχανική τα πράγματα δεν είναι τόσο απλά. Ακόμη και από τα πιο απλά πειράματα με κβαντικά αντικείμενα, πολύ σύντομα γίνεται σαφές ότι στον μικρόκοσμο δεν ισχύουν οι αρχές και οι νόμοι του μακρόκοσμου που γνωρίζουμε. Το φως, το οποίο έχουμε συνηθίσει να θεωρούμε ως κύμα, μερικές φορές συμπεριφέρεται σαν να αποτελείται από ένα ρεύμα σωματιδίων (φωτόνια) και στοιχειώδη σωματίδια, όπως ένα ηλεκτρόνιο ή ακόμα και ένα τεράστιο πρωτόνιο, συχνά εμφανίζουν τις ιδιότητες ενός κύματος.

Διαθέσιμος ολόκληρη γραμμήείδη ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, που κυμαίνονται από ραδιοκύματα έως ακτίνες γάμμα. Οι ηλεκτρομαγνητικές ακτίνες όλων των τύπων διαδίδονται στο κενό με την ταχύτητα του φωτός και διαφέρουν μεταξύ τους μόνο σε μήκη κύματος.

Η φύση διπλού σωματιδίου-κύματος των κβαντικών σωματιδίων περιγράφεται με μια διαφορική εξίσωση.

Ο Max Planck, ένας από τους ιδρυτές της κβαντικής μηχανικής, κατέληξε στις ιδέες της κβαντοποίησης ενέργειας, προσπαθώντας να εξηγήσει θεωρητικά τη διαδικασία αλληλεπίδρασης μεταξύ των πρόσφατα ανακαλυφθέντων Ηλεκτρομαγνητικά κύματακαι τα άτομα και έτσι λύνουν το πρόβλημα της ακτινοβολίας του μαύρου σώματος. Συνειδητοποίησε ότι για να εξηγήσει το παρατηρούμενο φάσμα εκπομπής των ατόμων, είναι απαραίτητο να θεωρηθεί δεδομένο ότι τα άτομα εκπέμπουν και απορροφούν ενέργεια σε μέρη (που ο επιστήμονας ονόμασε κβάντα) και μόνο σε μεμονωμένες συχνότητες κυμάτων.

Η λέξη "quantum" προέρχεται από το λατινικό quantum ("πόσο, πόσο") και το αγγλικό quantum ("ποσότητα, μερίδα, κβαντικό"). «Μηχανική» ήταν από καιρό το όνομα που δόθηκε στην επιστήμη της κίνησης της ύλης. Κατά συνέπεια, ο όρος «κβαντική μηχανική» σημαίνει την επιστήμη της κίνησης της ύλης σε μέρη (ή, με σύγχρονους όρους επιστημονική γλώσσαεπιστήμη της κίνησης της κβαντισμένης ύλης). Ο όρος «κβάντο» επινοήθηκε από τον Γερμανό φυσικό Μαξ Πλανκ για να περιγράψει την αλληλεπίδραση του φωτός με τα άτομα.

Κυρίως, ο Αϊνστάιν διαμαρτυρήθηκε για την ανάγκη να περιγραφούν τα φαινόμενα του μικροκόσμου με όρους πιθανοτήτων και κυματικές συναρτήσεις, και όχι από τη συνήθη θέση των συντεταγμένων και των ταχυτήτων των σωματιδίων. Αυτό εννοούσε με το «ρίχνοντας τα ζάρια». Αναγνώρισε ότι η περιγραφή της κίνησης των ηλεκτρονίων ως προς τις ταχύτητες και τις συντεταγμένες τους έρχεται σε αντίθεση με την αρχή της αβεβαιότητας. Όμως, υποστήριξε ο Αϊνστάιν, πρέπει να υπάρχουν κάποιες άλλες μεταβλητές ή παράμετροι, λαμβάνοντας υπόψη τις οποίες η κβαντομηχανική εικόνα του μικροκόσμου θα επιστρέψει στο μονοπάτι της ακεραιότητας και του ντετερμινισμού. Δηλαδή, επέμεινε, μας φαίνεται μόνο ότι ο Θεός μας παίζει ζάρια, γιατί δεν τα καταλαβαίνουμε όλα. Έτσι, ήταν ο πρώτος που διατύπωσε την υπόθεση της κρυφής μεταβλητής στις εξισώσεις της κβαντομηχανικής. Βρίσκεται στο γεγονός ότι στην πραγματικότητα τα ηλεκτρόνια έχουν σταθερές συντεταγμένες και ταχύτητα, όπως οι μπάλες του μπιλιάρδου του Νεύτωνα, και η αρχή της αβεβαιότητας και η πιθανολογική προσέγγιση για τον προσδιορισμό τους στο πλαίσιο της κβαντικής μηχανικής είναι το αποτέλεσμα της ατελείας της ίδιας της θεωρίας, η οποία είναι γιατί δεν τους επιτρέπει για ορισμένους ορίζουν.

Το φως είναι η βάση της ζωής στον πλανήτη μας. Απαντώντας στις ερωτήσεις "Γιατί ο ουρανός είναι μπλε;" και "Γιατί το γρασίδι είναι πράσινο;" μπορείτε να δώσετε μια σαφή απάντηση - "Χάρη στο φως." Αυτό είναι αναπόσπαστο μέρος της ζωής μας, αλλά ακόμα προσπαθούμε να κατανοήσουμε το φαινόμενο του φωτός...

Τα κύματα είναι ένας από τους δύο τρόπους μεταφοράς ενέργειας στο διάστημα (ο άλλος τρόπος είναι σωματιδιακός, χρησιμοποιώντας σωματίδια). Τα κύματα συνήθως διαδίδονται σε κάποιο μέσο (για παράδειγμα, τα κύματα στην επιφάνεια μιας λίμνης διαδίδονται στο νερό), αλλά η κατεύθυνση κίνησης του ίδιου του μέσου δεν συμπίπτει με την κατεύθυνση κίνησης των κυμάτων. Φανταστείτε έναν πλωτήρα να χτυπά στα κύματα. Ανεβοκατεβαίνει, ο πλωτήρας ακολουθεί τις κινήσεις του νερού καθώς τα κύματα περνούν από δίπλα του. Το φαινόμενο της παρεμβολής συμβαίνει όταν δύο ή περισσότερα κύματα της ίδιας συχνότητας, που διαδίδονται σε διαφορετικές κατευθύνσεις, αλληλεπιδρούν.

Τα βασικά του φαινομένου της περίθλασης μπορούν να γίνουν κατανοητά με αναφορά στην αρχή του Huygens, σύμφωνα με την οποία κάθε σημείο κατά μήκος της διαδρομής διάδοσης μιας δέσμης φωτός μπορεί να θεωρηθεί ως ένα νέο ανεξάρτητη πηγήδευτερεύοντα κύματα, και το περαιτέρω μοτίβο περίθλασης αποδεικνύεται ότι οφείλεται στην παρεμβολή αυτών των δευτερευόντων κυμάτων. Όταν ένα φωτεινό κύμα αλληλεπιδρά με ένα εμπόδιο, μερικά από τα δευτερεύοντα κύματα Huygens μπλοκάρονται.