Τι χρώμα έχει ένα εντελώς μαύρο σώμα. Εντελώς μαύρο σώμα

- μια φυσική αφαίρεση που χρησιμοποιείται στη θερμοδυναμική, ένα σώμα που απορροφά πλήρως την ακτινοβολία σε όλες τις περιοχές που προσπίπτουν σε αυτό. Παρά το όνομα, ένα μαύρο σώμα μπορεί να εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Το φάσμα ακτινοβολίας ενός μαύρου σώματος καθορίζεται μόνο από τη θερμοκρασία του. Ένα πρακτικό μοντέλο ενός μαύρου σώματος μπορεί να είναι μια κοιλότητα με μια μικρή τρύπα και μαυρισμένα τοιχώματα, καθώς το φως που εισέρχεται στην κοιλότητα μέσω της οπής βιώνει πολλαπλές αντανακλάσεις και απορροφάται έντονα. Με τον ίδιο μηχανισμό εξηγείται και το βαθύ μαύρο χρώμα ορισμένων υλικών (κάρβουνο, μαύρο βελούδο) και η κόρη του ανθρώπινου ματιού.
Ο όρος εισήχθη από τον Gustav Kirchhoff το 1862.

Η ένταση της ακτινοβολίας ενός μαύρου σώματος ανάλογα με τη θερμοκρασία και τη συχνότητα καθορίζεται από το νόμο του Planck:

Οπου Εγώ (?) ρε ? είναι η ισχύς ακτινοβολίας ανά μονάδα επιφάνειας της επιφάνειας ακτινοβολίας ανά μονάδα στερεάς γωνίας στο εύρος συχνοτήτων από; πριν? + ρε ?

Ολική Ενέργεια θερμική ακτινοβολίακαθορίζεται από το νόμο Stefan-Boltzmann:

Οπου φά είναι η ισχύς ανά μονάδα επιφάνειας της ακτινοβολούμενης επιφάνειας και

Β / (m 2 K 4) - έγινε ο Stefan-Boltzmann.

Το μήκος κύματος στο οποίο η ενέργεια ακτινοβολίας είναι μέγιστη καθορίζεται από τον νόμο μετατόπισης του Wien:

Οπου Τείναι η θερμοκρασία σε Kelvin, και ? Μέγιστη – μήκος κύματος s με μέγιστη ένταση σε μέτρα.
Ορατό χρώμαεντελώς μαύρα σώματα με διαφορετικές θερμοκρασίες φαίνονται στο διάγραμμα στα δεξιά.
Κίνηση των ακτίνων φωτός σε ένα απολύτως μαύρο σώμα Είναι δυνατό να παραχθεί τεχνητά ένα σχεδόν απολύτως μαύρο σώμα κόβοντας την εσωτερική επιφάνεια ενός αδιαφανούς σώματος που θερμαίνεται σε μια ορισμένη θερμοκρασία με μια κοιλότητα και μια μικρή τρύπα. Οποιαδήποτε δέσμη, που διέρχεται από την οπή Α στην κοιλότητα C, πρακτικά δεν γυρίζει πίσω, επομένως βιώνει πολλαπλές αντανακλάσεις και απορρόφηση. Έτσι, η τρύπα Α απορροφά τις ακτίνες με τον ίδιο τρόπο όπως ένα εντελώς μαύρο σώμα.
πρέπει να σημειωθεί ότι γεωμετρικές διαστάσειςτο απολύτως μαύρο σώμα επιβάλλει φυσικούς περιορισμούς στο μήκος του ηλεκτρομαγνητικού κύματος που μπορεί να διαδοθεί σε αυτό. Πράγματι, εάν το μήκος κύματος είναι μεγαλύτερο από τις διαστάσεις του μαύρου σώματος, τότε απλά δεν μπορεί να αντικατοπτρίζει τους τοίχους σε αυτό. Αυτό το γεγονός είναι ιδιαίτερα σημαντικό στην κοσμολογία, όταν διαμορφώνεται το Σύμπαν με τη μορφή ενός απολύτως μαύρου σώματος. πρώιμα στάδιαανάπτυξη, ειδικά όταν εξετάζεται η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου μικροκυμάτων.
Η έννοια του μαύρου σώματος χρησιμοποιείται ευρέως στην αστροφυσική. Η ακτινοβολία του Ήλιου είναι κοντά στην ακτινοβολία ενός τέτοιου σώματος με θερμοκρασία 6000Κ. Ολόκληρο το σύμπαν είναι διαποτισμένο με το λεγόμενο ακτινοβολία υποβάθρου, κοντά στην ακτινοβολία ενός εντελώς μαύρου σώματος με θερμοκρασία 3Κ. Η σύγκριση της συνολικής ακτινοβολίας των άστρων με την ακτινοβολία ενός τέτοιου σώματος καθιστά δυνατή την κατά προσέγγιση εκτίμηση της πραγματικής θερμοκρασίας του αστεριού. Η απόκλιση της ακτινοβολίας των αστέρων από την ακτινοβολία του μαύρου σώματος είναι συχνά αρκετά αισθητή. Στα βάθη του Ήλιου και των αστεριών που θερμαίνονται σε δεκάδες εκατομμύρια βαθμούς, η ακτινοβολία από υψηλή ακρίβειααντιστοιχεί σε τέτοια ακτινοβολία.
Για την πρακτική εφαρμογή του μοντέλου μαύρου σώματος, είναι απαραίτητο να εξασφαλιστεί η δυνατότητα ομοιόμορφης θέρμανσης των τοιχωμάτων της κοιλότητας και η έξοδος ακτινοβολίας προς τα έξω μέσω μιας μικρής οπής. Ένα από τα πρώτα πειραματικά δείγματα ενός μαύρου σώματος ήταν η συσκευή που κατασκεύασαν οι Lummer και Pringsheim. Ήταν ένα μεταλλικό δοχείο με διπλά τοιχώματα (σαν θερμοστάτη). Ο χώρος μεταξύ των τοίχων χρησιμοποιήθηκε ως «λουτρό θερμοκρασίας» για τη διατήρηση μιας ορισμένης και ομοιόμορφης θερμοκρασίας. Αυτό επιτυγχανόταν περνώντας ατμό βραστό νερό ή για χαμηλές θερμοκρασίες– γεμίζοντας με πάγο, στερεό διοξείδιο του άνθρακα, υγρό αέρα κ.λπ.
Να μελετήσει την ακτινοβολία στο υψηλές θερμοκρασίεςχρησιμοποιήθηκε μαύρο σώμα διαφορετικού σχεδίου. Ένας κύλινδρος από φύλλο πλατίνας μέσω του οποίου ηλεκτρική ενέργεια, απαιτείται για την ομοιόμορφη θέρμανση του εσωτερικού πορσελάνινου κυλίνδρου. Η θερμοκρασία στο εσωτερικό του κυλίνδρου μετρήθηκε με ένα θερμοστοιχείο και τα διαφράγματα εμπόδιζαν την ψύξη μέσω της διείσδυσης του αέρα.
Με τη βοήθεια τέτοιων απλών συσκευών - μοντέλων ενός μαύρου σώματος, διερευνήθηκαν πειραματικά οι νόμοι της ακτινοβολίας, προσδιορίστηκαν με ακρίβεια οι σταθερές της και μελετήθηκε η φασματική κατανομή της φωτεινότητας.

Η φασματική πυκνότητα της ακτινοβολίας του μαύρου σώματος είναι καθολική λειτουργίαμήκος κύματος και θερμοκρασία. Αυτό σημαίνει ότι η φασματική σύνθεση και η ενέργεια ακτινοβολίας ενός μαύρου σώματος δεν εξαρτώνται από τη φύση του σώματος.

Οι τύποι (1.1) και (1.2) δείχνουν ότι γνωρίζοντας τις φασματικές και ολοκληρωτικές πυκνότητες ακτινοβολίας ενός απολύτως μαύρου σώματος, μπορεί κανείς να τις υπολογίσει για οποιοδήποτε μη μαύρο σώμα, εάν είναι γνωστός ο συντελεστής απορρόφησης του τελευταίου, ο οποίος πρέπει να προσδιοριστεί πειραματικά.

Η έρευνα οδήγησε στους ακόλουθους νόμους της ακτινοβολίας του μαύρου σώματος.

1. Νόμος Stefan-Boltzmann: Η ολοκληρωμένη πυκνότητα ακτινοβολίας ενός μελανού σώματος είναι ανάλογη με την τέταρτη δύναμη της απόλυτης θερμοκρασίας του

αξία σ που ονομάζεται Ο Στέφανος είναι σταθερός- Boltzmann:

σ \u003d 5,6687 10 -8 J m - 2 s - 1 K - 4.

Ενέργεια που εκπέμπεται με την πάροδο του χρόνου tαπόλυτα μαύρο σώμα με επιφάνεια που ακτινοβολεί μικρόσε σταθερή θερμοκρασία Τ,

W=σT 4 St

Εάν η θερμοκρασία του σώματος αλλάζει με το χρόνο, π.χ. Τ = Τ(t), έπειτα

Ο νόμος Stefan-Boltzmann υποδεικνύει μια εξαιρετικά γρήγορη αύξηση της ισχύος ακτινοβολίας με την αύξηση της θερμοκρασίας. Για παράδειγμα, όταν η θερμοκρασία αυξάνεται από 800 σε 2400 Κ (δηλαδή από 527 σε 2127 ° C), η ακτινοβολία ενός εντελώς μαύρου σώματος αυξάνεται κατά 81 φορές. Εάν ένα μαύρο σώμα περιβάλλεται από ένα μέσο με θερμοκρασία Τ 0, τότε το μάτι θα απορροφήσει την ενέργεια που εκπέμπεται από το ίδιο το μέσο.

Σε αυτή την περίπτωση, η διαφορά μεταξύ της ισχύος της εκπεμπόμενης και της απορροφούμενης ακτινοβολίας μπορεί να εκφραστεί κατά προσέγγιση με τον τύπο

U=σ(T 4 - T 0 4)

Ο νόμος Stefan-Boltzmann δεν ισχύει για πραγματικά σώματα, καθώς οι παρατηρήσεις δείχνουν περισσότερα σύνθετος εθισμός Rστη θερμοκρασία, καθώς και στο σχήμα του σώματος και την κατάσταση της επιφάνειάς του.

2. Ο νόμος της μετατόπισης της Wien. Μήκος κύματος λ 0, που αντιπροσωπεύει τη μέγιστη φασματική πυκνότητα της ακτινοβολίας του μαύρου σώματος, είναι αντιστρόφως ανάλογη με την απόλυτη θερμοκρασία του σώματος:

λ 0 = ή λ 0 T \u003d β.

Συνεχής σι,που ονομάζεται σταθερός νόμοςΕνοχή,είναι ίσο με b= 0,0028978 m K ( λ εκφράζεται σε μέτρα).

Έτσι, καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, όχι μόνο αυξάνεται η συνολική ακτινοβολία, αλλά, επιπλέον, αλλάζει η κατανομή της ενέργειας στο φάσμα. Για παράδειγμα, σε χαμηλές θερμοκρασίες σώματος, μελετούν κυρίως υπέρυθρες ακτίνες, και καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η ακτινοβολία γίνεται κοκκινωπή, πορτοκαλί και τέλος λευκή. Στο σχ. Το 2.1 δείχνει τις εμπειρικές καμπύλες της κατανομής της ενέργειας ακτινοβολίας ενός εντελώς μαύρου σώματος σε μήκη κύματος σε διαφορετικές θερμοκρασίες: μπορεί να φανεί από αυτά ότι το μέγιστο της φασματικής πυκνότητας της ακτινοβολίας μετατοπίζεται προς μικρά κύματα με την αύξηση της θερμοκρασίας.

3. Νόμος του Πλανκ. Ο νόμος Stefan-Boltzmann και ο νόμος μετατόπισης Wien δεν λύνουν το κύριο πρόβλημα του πόσο μεγάλη είναι η φασματική πυκνότητα της ακτινοβολίας ανά μήκος κύματος στο φάσμα ενός μαύρου σώματος σε θερμοκρασία Τ.Για να γίνει αυτό, πρέπει να δημιουργήσετε μια λειτουργική εξάρτηση καιαπό λ και Τ.

Με βάση την έννοια της συνεχούς φύσης της εκπομπής ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και τον νόμο της ομοιόμορφης κατανομής της ενέργειας σε βαθμούς ελευθερίας (αποδεκτός στην κλασική φυσική), λήφθηκαν δύο τύποι για τη φασματική πυκνότητα και την ακτινοβολία ενός μαύρου σώματος:

1) Ο τύπος του Win

όπου ένακαι σι- σταθερές;

2) Φόρμουλα Rayleigh-Jeans

u λT = 8πkT λ – 4 ,

Οπου κ- Η σταθερά του Boltzmann. Η πειραματική επαλήθευση έδειξε ότι για μια δεδομένη θερμοκρασία, ο τύπος του Wien είναι σωστός για μικρά κύματα (όταν λTπολύ μικρό και δίνει απότομη σύγκλιση εμπειρίας στην περιοχή των μεγάλων κυμάτων. Ο τύπος Rayleigh-Jeans αποδείχθηκε σωστός για μεγάλα κύματα και εντελώς ανεφάρμοστος για κοντά (Εικ. 2.2).

Με αυτόν τον τρόπο κλασική φυσικήαποδείχθηκε ότι δεν ήταν σε θέση να εξηγήσει το νόμο της κατανομής της ενέργειας στο φάσμα ακτινοβολίας ενός εντελώς μαύρου σώματος.

Για τον προσδιορισμό του τύπου της συνάρτησης u λTΧρειάζονταν εντελώς νέες ιδέες για τον μηχανισμό εκπομπής φωτός. Το 1900, ο M. Planck υπέθεσε ότι απορρόφηση και εκπομπή ενέργειας ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολίαάτομα και μόρια είναι δυνατή μόνο σε ξεχωριστά "τμήματα",που ονομάζονται ενεργειακά κβάντα. Η τιμή του κβαντικού της ενέργειας ε ανάλογη με τη συχνότητα ακτινοβολίας v(αντίστροφα ανάλογο με το μήκος κύματος λ ):

ε = hv = hc/λ

Συντελεστής αναλογικότητας h = 6.625 10 -34 J s και καλείται Σταθερά του Planck.Στο ορατό τμήμα του φάσματος για το μήκος κύματος λ = 0,5 μm, η τιμή του ενεργειακού κβαντικού είναι:

ε = hc/λ= 3,79 10 -19 J s = 2,4 eV

Με βάση αυτή την υπόθεση, ο Planck έλαβε έναν τύπο για u λT:

όπου κείναι η σταθερά Boltzmann, Μεείναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό. l Η καμπύλη που αντιστοιχεί στη συνάρτηση (2.1) φαίνεται επίσης στο Σχ. 2.2.

Ο νόμος του Planck (2.11) αποδίδει τον νόμο Stefan-Boltzmann και τον νόμο μετατόπισης του Wien. Πράγματι, για την ολοκληρωμένη πυκνότητα ακτινοβολίας λαμβάνουμε

Ο υπολογισμός σύμφωνα με αυτόν τον τύπο δίνει ένα αποτέλεσμα που συμπίπτει με εμπειρική αξίαΣταθερά Stefan-Boltzmann.

Ο νόμος μετατόπισης του Wien και η σταθερά του μπορούν να ληφθούν από τον τύπο του Planck βρίσκοντας το μέγιστο της συνάρτησης u λT, για την οποία η παράγωγος του u λTεπί λ , και ισούται με μηδέν. Ο υπολογισμός καταλήγει στον τύπο:

Υπολογισμός της σταθεράς σισύμφωνα με αυτόν τον τύπο δίνει επίσης ένα αποτέλεσμα που συμπίπτει με την εμπειρική τιμή της σταθεράς του Wien.

Ας εξετάσουμε τις πιο σημαντικές εφαρμογές των νόμων της θερμικής ακτινοβολίας.

ΑΛΛΑ. Πηγές θερμικού φωτός.Η πλειοψηφία τεχνητές πηγέςτου φωτός είναι θερμικοί εκπομποί (ηλεκτρικοί λαμπτήρες πυρακτώσεως, συμβατικοί λαμπτήρες τόξου κ.λπ.). Ωστόσο, αυτές οι πηγές φωτός δεν είναι αρκετά οικονομικές.

Στην § 1 ειπώθηκε ότι το μάτι είναι ευαίσθητο μόνο σε ένα πολύ στενό τμήμα του φάσματος (από 380 έως 770 nm). όλα τα άλλα κύματα δεν αποδίδονται οπτική αίσθηση. Η μέγιστη ευαισθησία του ματιού αντιστοιχεί στο μήκος κύματος λ = 0,555 μm. Με βάση αυτή την ιδιότητα του ματιού, θα πρέπει κανείς να απαιτεί από τις πηγές φωτός μια τέτοια κατανομή ενέργειας στο φάσμα, στην οποία η μέγιστη φασματική πυκνότητα της ακτινοβολίας θα πέφτει στο μήκος κύματος λ = 0,555 μm περίπου. Αν πάρουμε ως πηγή ένα απολύτως μαύρο σώμα, τότε σύμφωνα με τον νόμο μετατόπισης του Wien, μπορούμε να υπολογίσουμε την απόλυτη θερμοκρασία του:

Έτσι, η πιο συμφέρουσα πηγή θερμικού φωτός θα πρέπει να έχει θερμοκρασία 5200 K, η οποία αντιστοιχεί στη θερμοκρασία ηλιακή επιφάνεια. Αυτή η σύμπτωση είναι το αποτέλεσμα της βιολογικής προσαρμογής της ανθρώπινης όρασης στην κατανομή της ενέργειας στο φάσμα ηλιακή ακτινοβολία. Αλλά ακόμα και αυτή η πηγή φωτός αποδοτικότητα(ο λόγος της ενέργειας της ορατής ακτινοβολίας προς γεμάτη ενέργειασυνολική ακτινοβολία) θα είναι μικρή. Γραφικά στο σχ. 2.3 ο συντελεστής αυτός εκφράζεται με την αναλογία των επιφανειών S1και μικρό; τετράγωνο S1εκφράζει την ενέργεια ακτινοβολίας της ορατής περιοχής του φάσματος, μικρό- όλη την ενέργεια ακτινοβολίας.

Ο υπολογισμός δείχνει ότι σε θερμοκρασία περίπου 5000-6000 Κ, η απόδοση φωτός είναι μόνο 14-15% (για ένα εντελώς μαύρο σώμα). Στη θερμοκρασία των υπαρχουσών πηγών τεχνητού φωτός (3000 K), αυτή η απόδοση είναι μόνο περίπου 1-3%. Μια τέτοια χαμηλή «απόδοση φωτός» ενός θερμικού εκπομπού εξηγείται από το γεγονός ότι κατά τη χαοτική κίνηση των ατόμων και των μορίων, διεγείρεται όχι μόνο το φως (ορατό), αλλά και άλλα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, τα οποία δεν έχουν επίδραση φωτός στο μάτι. Επομένως, είναι αδύνατο να αναγκάσουμε επιλεκτικά το σώμα να ακτινοβολεί μόνο εκείνα τα κύματα στα οποία είναι ευαίσθητο το μάτι: τα αόρατα κύματα ακτινοβολούνται απαραίτητα.

Οι πιο σημαντικές σύγχρονες πηγές φωτός θερμοκρασίας είναι οι ηλεκτρικοί λαμπτήρες πυρακτώσεως με νήμα βολφραμίου. Το σημείο τήξης του βολφραμίου είναι 3655 Κ. Ωστόσο, η θέρμανση του νήματος σε θερμοκρασίες πάνω από 2500 Κ είναι επικίνδυνη, καθώς το βολφράμιο ψεκάζεται πολύ γρήγορα σε αυτή τη θερμοκρασία και το νήμα καταστρέφεται. Για να μειωθεί η εκτόξευση νήματος, προτάθηκε η πλήρωση των λαμπτήρων με αδρανή αέρια (αργό, ξένο, άζωτο) σε πίεση περίπου 0,5 atm. Αυτό κατέστησε δυνατή την αύξηση της θερμοκρασίας του νήματος στους 3000-3200 Κ. Σε αυτές τις θερμοκρασίες, η μέγιστη φασματική πυκνότητα της ακτινοβολίας βρίσκεται στην περιοχή των υπέρυθρων κυμάτων (περίπου 1,1 μικρά), έτσι όλοι οι σύγχρονοι λαμπτήρες πυρακτώσεως έχουν ελαφρώς απόδοση περισσότερο από 1%.

ΣΙ. Οπτική πυρομετρία.Οι παραπάνω νόμοι ακτινοβολίας ενός μαύρου σώματος καθιστούν δυνατό τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας αυτού του σώματος εάν το μήκος κύματος είναι γνωστό λ 0 που αντιστοιχεί στο μέγιστο u λT(σύμφωνα με το νόμο του Wien), ή εάν είναι γνωστή η τιμή της ακέραιης πυκνότητας ακτινοβολίας (σύμφωνα με το νόμο Stefan-Boltzmann). Αυτές οι μέθοδοι για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας του σώματος από τη θερμική ακτινοβολία του στις καμπίνες οπτική πυρομετρία;είναι ιδιαίτερα χρήσιμα κατά τη μέτρηση πολύ υψηλών θερμοκρασιών. Δεδομένου ότι οι αναφερόμενοι νόμοι ισχύουν μόνο για ένα εντελώς μαύρο σώμα, η οπτική πυρομετρία που βασίζεται σε αυτούς δίνει ωραία αποτελέσματαμόνο όταν μετράμε τις θερμοκρασίες των σωμάτων κοντά στις ιδιότητές τους στο απόλυτο μαύρο. Στην πράξη, πρόκειται για φούρνους εργοστασίων, εργαστηριακούς κλιβάνους σιγαστήρα, φούρνους λέβητα κ.λπ. Εξετάστε τρεις μεθόδους για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας των εκπομπών θερμότητας:

ένα. Μέθοδος βασισμένη στον νόμο μετατόπισης του Wien.Αν γνωρίζουμε το μήκος κύματος στο οποίο πέφτει η μέγιστη φασματική πυκνότητα της ακτινοβολίας, τότε η θερμοκρασία του σώματος μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον τύπο (2.2).

Συγκεκριμένα, με αυτόν τον τρόπο προσδιορίζεται η θερμοκρασία στην επιφάνεια του Ήλιου, των αστεριών κ.λπ.

Για μη μαύρα σώματα, αυτή η μέθοδος δεν δίνει την πραγματική θερμοκρασία του σώματος. αν υπάρχει ένα μέγιστο στο φάσμα εκπομπής και υπολογίζουμε Τσύμφωνα με τον τύπο (2.2), τότε ο υπολογισμός μας δίνει τη θερμοκρασία ενός εντελώς μαύρου σώματος, το οποίο έχει σχεδόν την ίδια κατανομή ενέργειας στο φάσμα με το υπό δοκιμή σώμα. Στην περίπτωση αυτή, η χρωματικότητα της ακτινοβολίας ενός εντελώς μαύρου σώματος θα είναι ίδια με τη χρωματικότητα της υπό μελέτη ακτινοβολίας. Αυτή η θερμοκρασία σώματος ονομάζεται θερμοκρασία χρώματος.

Πολύχρωμη θερμοκρασίαΤο νήμα ενός λαμπτήρα πυρακτώσεως είναι 2700-3000 K, το οποίο είναι πολύ κοντά στην πραγματική του θερμοκρασία.

σι. Μέθοδος μέτρησης θερμοκρασίας ακτινοβολίαςμε βάση τη μέτρηση της ολοκληρωμένης πυκνότητας ακτινοβολίας του σώματος Rκαι υπολογισμός της θερμοκρασίας του σύμφωνα με το νόμο Stefan-Boltzmann. Τα κατάλληλα όργανα ονομάζονται πυρόμετρα ακτινοβολίας.

Φυσικά, εάν το σώμα ακτινοβολίας δεν είναι απολύτως μαύρο, τότε το πυρόμετρο ακτινοβολίας δεν θα δώσει την πραγματική θερμοκρασία του σώματος, αλλά θα δείξει τη θερμοκρασία ενός απολύτως μαύρου σώματος στο οποίο η συνολική πυκνότητα ακτινοβολίας του τελευταίου είναι ίση με την ολοκληρωμένη ακτινοβολία πυκνότητα του σώματος δοκιμής. Αυτή η θερμοκρασία σώματος ονομάζεται ακτινοβολία,ή ενέργεια,θερμοκρασία.

Μεταξύ των ελλείψεων του πυρόμετρου ακτινοβολίας, επισημαίνουμε την αδυναμία χρήσης του για τον προσδιορισμό των θερμοκρασιών μικρών αντικειμένων, καθώς και την επίδραση του μέσου που βρίσκεται μεταξύ του αντικειμένου και του πυρόμετρου, το οποίο απορροφά μέρος της ακτινοβολίας.

σε. Εγώ μέθοδος φωτεινότητας για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας.Η αρχή λειτουργίας του βασίζεται σε μια οπτική σύγκριση της φωτεινότητας του πυρακτωμένου νήματος της λάμπας πυρομέτρου με τη φωτεινότητα της εικόνας του πυρακτωμένου σώματος δοκιμής. Η συσκευή είναι ένα στόμιο εντοπισμού με μια ηλεκτρική λάμπα τοποθετημένη μέσα, που τροφοδοτείται από μια μπαταρία. Η ισότητα που παρατηρείται οπτικά μέσω ενός μονοχρωματικού φίλτρου καθορίζεται από την εξαφάνιση της εικόνας του νήματος στο φόντο της εικόνας ενός ζεστού σώματος. Η λάμψη του νήματος ρυθμίζεται από έναν ρεοστάτη και η θερμοκρασία καθορίζεται από την κλίμακα του αμπερόμετρου, βαθμολογημένη απευθείας στη θερμοκρασία.

Η πόλωση του φωτός είναι η διαδικασία κατάταξης των ταλαντώσεων του διανύσματος έντασης ηλεκτρικό πεδίοένα φωτεινό κύμα όταν το φως διέρχεται από ορισμένες ουσίες (κατά τη διάθλαση) ή όταν ανακλάται μια φωτεινή ροή. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι παραγωγής πολωμένου φωτός.

1) Πόλωση με χρήση polaroid. Τα Polaroids είναι κυτταρινικά φιλμ επικαλυμμένα με ένα πολύ λεπτό στρώμα κρυστάλλων κινίνης θειικού οξέος. Η χρήση των polaroid είναι αυτή τη στιγμή ο πιο συνηθισμένος τρόπος πόλωσης του φωτός.

2) Πόλωση μέσω αντανάκλασης. Εάν μια φυσική δέσμη φωτός πέσει σε μια μαύρη γυαλισμένη επιφάνεια, τότε η ανακλώμενη δέσμη είναι μερικώς πολωμένη. Ως πολωτής και αναλυτής, μπορεί να χρησιμοποιηθεί καθρέφτης ή αρκετά καλά γυαλισμένο κοινό τζάμι παραθύρων, μαυρισμένο στη μία πλευρά με βερνίκι ασφάλτου.

Ο βαθμός πόλωσης είναι μεγαλύτερος, όσο πιο σωστά διατηρείται η γωνία πρόσπτωσης. Για το γυαλί, η γωνία πρόσπτωσης είναι 57°.

3) Πόλωση μέσω διάθλασης. Μια δέσμη φωτός πολώνεται όχι μόνο κατά την ανάκλαση, αλλά και κατά τη διάθλαση. Σε αυτή την περίπτωση, μια στοίβα από 10-15 λεπτές γυάλινες πλάκες στοιβαγμένες μεταξύ τους, που βρίσκονται σε γωνία 57 ° ως προς τις ακτίνες φωτός που προσπίπτουν πάνω τους, χρησιμοποιείται ως πολωτής και αναλυτής.

ΧΟΝΔΡΙΚΟ ΕΜΠΟΡΙΟκαι νομική πράξηκαι ορατότητα, την ικανότητα του μέσου να προκαλεί περιστροφή του επιπέδου πόλωσης του οπτική ακτινοβολία(Σβέτα).

η γωνία περιστροφής j του επιπέδου πόλωσης εξαρτάται γραμμικά από το πάχος μεγάλοστρώμα δραστική ουσία(ή το διάλυμά του) και τη συγκέντρωση Μεαυτή η ουσία - j = [a] lc(ο συντελεστής [a] ονομάζεται ειδικό Ο. α.); 2) η περιστροφή σε ένα δεδομένο μέσο συμβαίνει είτε δεξιόστροφα (j > 0) είτε αντίθετα (j< 0), если смотреть навстречу ходу лучей света

43. Russμι Αγ.μι τα,αλλαγή στα χαρακτηριστικά της ροής της οπτικής ακτινοβολίας (φωτός) κατά την αλληλεπίδρασή της με την ύλη. Αυτά τα χαρακτηριστικά μπορεί να είναι η χωρική κατανομή της έντασης, το φάσμα συχνοτήτων, η πόλωση του φωτός. Συχνά R. s. ονομάζεται μόνο η αλλαγή στην κατεύθυνση διάδοσης του φωτός λόγω της χωρικής ανομοιογένειας του μέσου, η οποία γίνεται αντιληπτή ως ακατάλληλη λάμψη του μέσου.

ΔΙΑΣΚΟΡΠΙΣΗ, το αντίστροφο της απόστασης στην οποία η ροή ακτινοβολίας που σχηματίζει μια παράλληλη δέσμη φωτός εξασθενεί ως αποτέλεσμα διασκόρπισηστο περιβάλλον κατά 10 φορές ή e φορές.

Σχετμι Είμαι ο Ζακσχετικά με n,λέει ότι η ένταση Εγώτου φωτός που σκεδάζεται από το μέσο είναι αντιστρόφως ανάλογο με την 4η δύναμη του μήκους κύματος l του προσπίπτοντος φωτός ( Εγώ~ l -4) στην περίπτωση που το μέσο αποτελείται από διηλεκτρικά σωματίδια, οι διαστάσεις των οποίων είναι πολύ μικρότερες από l . I rass ~1/ 4

44. απορροφώμι St.μι τα,μείωση της έντασης της οπτικής ακτινοβολίας (φως) που διέρχεται υλικό περιβάλλον, λόγω των διαδικασιών αλληλεπίδρασής του με το περιβάλλον. Η φωτεινή ενέργεια στο Π. με. πηγαίνει σε διάφορες μορφές εσωτερική ενέργειασύνθεση μέσης ή οπτικής ακτινοβολίας. μπορεί να επανεκπέμπεται πλήρως ή εν μέρει από το μέσο σε συχνότητες διαφορετικές από τη συχνότητα της απορροφούμενης ακτινοβολίας.

Νόμος του Bouguer Η φυσική έννοια είναι ότι η διαδικασία απώλειας φωτονίων δέσμης στο μέσο δεν εξαρτάται από την πυκνότητά τους στη φωτεινή δέσμη, δηλ. στην ένταση φωτός και στο μισό μήκος I.

I=I 0 exp(μεγάλο ); l είναι το μήκος κύματος,  λ είναι ο δείκτης απορρόφησης, Εγώ 0είναι η ένταση της απορροφητικής δέσμης.

Εντομομι ra - Λένα μπερτα - Βμι ραζάκσχετικά με n,καθορίζει τη σταδιακή εξασθένηση μιας παράλληλης μονοχρωματικής (μονόχρωμης) δέσμης φωτός καθώς αυτή διαδίδεται σε μια απορροφητική ουσία. Αν η ισχύς της δέσμης που εισέρχεται στο στρώμα της ύλης με πάχος μεγάλο,είναι ίσο με Εγώ o , λοιπόν, σύμφωνα με τον Β.-Λ.-Β. h., η ισχύς της δέσμης στην έξοδο από το στρώμα

Εγώ(μεγάλο)= εγώο μι-ντο cl,

όπου c είναι ο ειδικός δείκτης απορρόφησης φωτός, που υπολογίζεται ανά μονάδα συγκέντρωσης Μεουσία που καθορίζει την απορρόφηση.

Ρυθμός απορρόφησης (kl), το αντίστροφο της απόστασης στην οποία το μονοχρωματικό ροή ακτινοβολίαςη συχνότητα n, που σχηματίζει μια παράλληλη δέσμη, εξασθενεί λόγω της απορρόφησης στην ουσία στο μιφορές ή 10 φορές. μετρηθεί σε cm -1ή m -1.Στη φασματοσκοπία και σε ορισμένους άλλους κλάδους της εφαρμοσμένης οπτικής, ο όρος "P. p." παραδοσιακά χρησιμοποιείται για να δηλώσει τον συντελεστή απορρόφησης.

Μοριακός ρυθμός απορρόφησης

Η διαπερατότητα είναι ο λόγος της ροής ακτινοβολίας που έχει περάσει από το μέσο προς τη ροή που έχει πέσει στην επιφάνειά του. t = F/F 0

Οπτική πυκνότητα - ένα μέτρο της αδιαφάνειας ενός στρώματος ύλης για ακτίνες φωτός D = lg (-F 0 / F)

Διαφάνεια του περιβάλλοντοςείναι ο λόγος του μεγέθους της ροής ακτινοβολίας που πέρασε χωρίς να αλλάξει κατεύθυνση μέσω ενός στρώματος μέσου μοναδιαίου πάχους προς το μέγεθος της προσπίπτουσας ροής (δηλαδή, χωρίς να ληφθούν υπόψη τα φαινόμενα σκέδασης και η επίδραση των επιδράσεων στις διεπαφές).

45. Θερμική ακτινοβολία- ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με συνεχές φάσμα που εκπέμπεται από θερμαινόμενα σώματα λόγω της θερμικής τους ενέργειας.

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

γκρι σώμα- αυτό είναι ένα σώμα του οποίου ο συντελεστής απορρόφησης δεν εξαρτάται από τη συχνότητα, αλλά εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία

Για το γκρι σώμα

ΓΚΡΙ ΣΩΜΑ- σώμα, συντελεστής απορροφήσεως to-rogo μικρότερο από 1 και δεν εξαρτάται από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας και τους κοιλιακούς. θερμοκρασία. Τ. Συντ. απορρόφηση (ονομάζεται και συντελεστής εκπομπής S. t.) όλων αληθινά σώματαεξαρτάται από (επιλεκτική απορρόφηση) και Τ, άρα μπορούν να θεωρηθούν γκρίζα μόνο στα διαστήματα και Τ, όπου ο συντελεστής περίπου. συνεχής. Στην ορατή περιοχή του φάσματος, οι ιδιότητες του S. t. κάρβουνο(= 0,80 στους 400-900 Κ), αιθάλη (= 0,94-0,96 στους 370-470 Κ). πλατίνα και βισμούθιο μαύρο απορροφούν και εκπέμπουν ως S. t. στο ευρύτερο εύρος - από ορατό φως έως 25-30 μικρά (= 0,93-0,99).

Βασικοί νόμοι της ακτινοβολίας:

Νόμος Stefan-Boltzmann- ο νόμος της ακτινοβολίας ενός εντελώς μαύρου σώματος. Προσδιορίζει την εξάρτηση της ισχύος ακτινοβολίας ενός απόλυτα μαύρου σώματος από τη θερμοκρασία του. Η διατύπωση του νόμου:

πού είναι ο βαθμός μαύρης (για όλες τις ουσίες, για ένα εντελώς μαύρο σώμα). Χρησιμοποιώντας το νόμο του Planck για την ακτινοβολία, η σταθερά σ μπορεί να οριστεί ως

πού είναι η σταθερά του Planck, κείναι η σταθερά Boltzmann, ντοείναι η ταχύτητα του φωτός.

Αριθμητική τιμή J s −1 m −2 K −4 .

Ο νόμος της ακτινοβολίας του Kirchhoff - φυσικός νόμος, που ιδρύθηκε από τον Γερμανό φυσικό Kirchhoff το 1859.

Η ισχύουσα διατύπωση του νόμου έχει ως εξής:

Ο λόγος της εκπομπής οποιουδήποτε σώματος προς την ικανότητα απορρόφησής του είναι ο ίδιος για όλα τα σώματα σε μια δεδομένη θερμοκρασία για μια δεδομένη συχνότητα και δεν εξαρτάται από το σχήμα και τη χημική τους φύση.

Είναι γνωστό ότι όταν η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία πέφτει σε ένα συγκεκριμένο σώμα, μέρος της ανακλάται, μέρος απορροφάται και μέρος μπορεί να μεταδοθεί. Το κλάσμα της απορροφούμενης ακτινοβολίας σε μια δεδομένη συχνότητα ονομάζεται ικανότητα απορρόφησηςσώμα . Από την άλλη πλευρά, κάθε θερμαινόμενο σώμα ακτινοβολεί ενέργεια σύμφωνα με έναν ορισμένο νόμο, που ονομάζεται εκπομπή του σώματος.

Οι τιμές και μπορεί να διαφέρουν πολύ κατά τη μετακίνηση από το ένα σώμα στο άλλο, ωστόσο, σύμφωνα με τον νόμο ακτινοβολίας Kirchhoff, η αναλογία των ικανοτήτων εκπομπής και απορρόφησης δεν εξαρτάται από τη φύση του σώματος και είναι μια καθολική συνάρτηση της συχνότητας ( μήκος κύματος) και θερμοκρασία:

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

όπου Τείναι η θερμοκρασία σε Κέλβιν, και λ max είναι το μήκος κύματος με μέγιστη ένταση σε μέτρα.

Χαρακτηριστικά της θερμικής ακτινοβολίας

Σώματα που θερμαίνονται στους 424e43ie, σαν να λάμπουν οι υψηλές θερμοκρασίες. Η λάμψη των σωμάτων λόγω θέρμανσης ονομάζεται θερμική (θερμοκρασία) ακτινοβολία. Η θερμική ακτινοβολία, που είναι η πιο κοινή στη φύση, εμφανίζεται λόγω της ενέργειας της θερμικής κίνησης των ατόμων και των μορίων της ύλης (δηλαδή λόγω της εσωτερικής της ενέργειας) και είναι χαρακτηριστική για όλα τα σώματα σε θερμοκρασίες πάνω από 0 Κ. Η θερμική ακτινοβολία χαρακτηρίζεται με συνεχές φάσμα, η θέση του μέγιστου του οποίου εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Σε υψηλές θερμοκρασίες εκπέμπονται βραχέα (ορατά και υπεριώδη) ηλεκτρομαγνητικά κύματα, ενώ σε χαμηλές θερμοκρασίες εκπέμπονται κυρίως μεγάλα (υπέρυθρα) κύματα.

Η θερμική ακτινοβολία είναι πρακτικά ο μόνος τύπος ακτινοβολίας που μπορεί να είναι ισορροπία. Ας υποθέσουμε ότι ένα θερμαινόμενο (ακτινοβολούμενο) σώμα τοποθετείται σε μια κοιλότητα που οριοθετείται από ένα ιδανικά ανακλαστικό κέλυφος. Με την πάροδο του χρόνου, ως αποτέλεσμα της συνεχούς ανταλλαγής ενέργειας μεταξύ του σώματος και της ακτινοβολίας, θα έρθει η ισορροπία, δηλαδή το σώμα θα απορροφήσει όση ενέργεια ανά μονάδα χρόνου ακτινοβολεί. Ας υποθέσουμε ότι η ισορροπία μεταξύ του σώματος και της ακτινοβολίας διαταράσσεται για κάποιο λόγο και το σώμα εκπέμπει περισσότερη ενέργεια από αυτή που απορροφά. Αν ανά μονάδα χρόνου το σώμα ακτινοβολεί περισσότερο από ό,τι απορροφά (ή το αντίστροφο), τότε η θερμοκρασία του σώματος θα αρχίσει να μειώνεται (ή να αυξάνεται). Ως αποτέλεσμα, η ποσότητα της ενέργειας που ακτινοβολείται από το σώμα θα εξασθενήσει (ή ηλικία 424e43ie ;т), έως ότου, τελικά, επιτευχθεί ισορροπία. Όλα τα άλλα είδη ακτινοβολίας είναι μη ισορροπημένα.

Ποσοτικό χαρακτηριστικόη θερμική ακτινοβολία εξυπηρετεί φασματική πυκνότητα της ενεργειακής φωτεινότητας (ακτινοβολίας) του σώματος≈ Ισχύς ακτινοβολίας ανά μονάδα επιφάνειας του σώματος στο εύρος συχνοτήτων του πλάτους μονάδας:

όπου δ ≈ η ενέργεια της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται ανά μονάδα χρόνου (ισχύς ακτινοβολίας) ανά μονάδα επιφάνειας του σώματος στο εύρος συχνοτήτων από nπριν n+δ n.

Η μονάδα φασματικής πυκνότητας ενεργειακής φωτεινότητας ( Rn, T) ≈joule ανά τετραγωνικό μέτρο(J / m 2).

Ο γραπτός τύπος μπορεί να αναπαρασταθεί 424e43ie ως συνάρτηση του μήκους κύματος:

Επειδή c=ln,έπειτα

όπου το μείον υποδηλώνει ότι από την ηλικία των 424e43ie ;μία από τις ποσότητες ( nή μεγάλο)η άλλη τιμή μειώνεται. Ως εκ τούτου, σε όσα ακολουθούν, το πρόσημο μείον θα παραλειφθεί. Με αυτόν τον τρόπο,

Χρησιμοποιώντας τον τύπο (197.1), μπορεί κανείς να πάει από Rn,T ═προς την Rl,Tκαι αντίστροφα.

Γνωρίζων φασματική πυκνότηταενεργειακή φωτεινότητα, μπορείτε να υπολογίσετε ενσωματωμένη φωτεινότητα ενέργειας (ολοκληρωμένη ακτινοβολία)(απλώς ονομάζεται ενεργειακή φωτεινότητα του σώματος), αθροιζόμενη σε όλες τις συχνότητες:

Η ικανότητα των σωμάτων να απορροφούν την ακτινοβολία που προσπίπτει σε αυτά χαρακτηρίζεται από φασματική απορρόφηση

που δείχνει ποιο κλάσμα της ενέργειας έφερε ανά μονάδα χρόνου ανά μονάδα επιφάνειας της επιφάνειας του σώματος πέφτοντας πάνω της Ηλεκτρομαγνητικά κύματαμε συχνότητα╜mi από nπριν n+δ nαπορροφάται από τον οργανισμό. Η φασματική απορρόφηση είναι ένα αδιάστατο μέγεθος. Ποσότητες Rn, T═και Μυρμήγκιεξαρτώνται από τη φύση του σώματος, τη θερμοδυναμική του θερμοκρασία και ταυτόχρονα διαφέρουν για ακτινοβολίες με διαφορετικές συχνότητες. Επομένως, αυτές οι τιμές ταξινομούνται ως Τκαι n(ή μάλλον, σε αρκετά 424e43ie· ακριβώς ένα στενό διάστημα συχνοτήτων από nπριν n+δ n).

Ένα σώμα ικανό να απορροφά πλήρως σε οποιαδήποτε θερμοκρασία όλη την ακτινοβολία οποιασδήποτε συχνότητας που προσπίπτει σε αυτό ονομάζεται μαύρο. Επομένως, η φασματική απορρόφηση ενός μαύρου σώματος για όλες τις συχνότητες και τις θερμοκρασίες είναι ταυτόσημη με τη μονάδα ( ). Δεν υπάρχουν απολύτως μαύρα σώματα στη φύση, ωστόσο, τέτοια σώματα όπως η αιθάλη, το μαύρο πλατίνα, το μαύρο βελούδο και μερικά άλλα, σε ένα συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων, είναι κοντά στις ιδιότητές τους.

ιδανικό μοντέλοΤο μαύρο σώμα είναι μια κλειστή κοιλότητα με μια μικρή τρύπα O, εσωτερική επιφάνειαπου είναι μαυρισμένο (Εικ. 286). Μια δέσμη φωτός που εισέρχεται σε μια τέτοια κοιλότητα βιώνει πολλαπλές αντανακλάσεις από τα τοιχώματα, με αποτέλεσμα η ένταση της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας να αποδεικνύεται πρακτικά ίση με το μηδέν. Η εμπειρία δείχνει ότι όταν το μέγεθος της οπής είναι μικρότερο από το 0,1 της διαμέτρου της κοιλότητας, η προσπίπτουσα ακτινοβολία όλων των συχνοτήτων απορροφάται πλήρως. Ως αποτέλεσμα, τα ανοιχτά παράθυρα των σπιτιών από την πλευρά του δρόμου φαίνονται μαύρα, αν και μέσα στα δωμάτια είναι σαν να είναι φως λόγω της αντανάκλασης του φωτός από τους τοίχους.

Μαζί με την έννοια του μαύρου σώματος, χρησιμοποιείται η έννοια γκρι σώμα≈ ενός σώματος του οποίου η απορροφητικότητα είναι μικρότερη από τη μονάδα, αλλά είναι ίδια για όλες τις συχνότητες και εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία, το υλικό και την κατάσταση της επιφάνειας του σώματος. Έτσι, για ένα γκρίζο σώμα = Ένα Τ= συνθ

Η μελέτη της θερμικής ακτινοβολίας έπαιξε σημαντικό ρόλο στη δημιουργία της κβαντικής θεωρίας του φωτός, επομένως είναι απαραίτητο να εξεταστούν οι νόμοι στους οποίους υπακούει.

Ενεργειακή φωτεινότητα του σώματοςR T, αριθμητικά ίσο με την ενέργεια Wακτινοβολείται από το σώμα σε όλο το εύρος μήκους κύματος (0<<) ανά μονάδα επιφάνειας σώματος, ανά μονάδα χρόνου, σε θερμοκρασία σώματος Τ, δηλ.

(1)

Εκπομπή του σώματοςr, Ταριθμητικά ίση με την ενέργεια του σώματος dWακτινοβολείται από το σώμα από μια μονάδα επιφάνειας σώματος, ανά μονάδα χρόνου σε θερμοκρασία σώματος T, στο εύρος μήκους κύματος από  έως  +d,εκείνοι.

(2)

Αυτή η τιμή ονομάζεται επίσης φασματική πυκνότητα της ενεργειακής φωτεινότητας του σώματος.

Η ενεργειακή φωτεινότητα σχετίζεται με την εκπομπή εκπομπής από τον τύπο

(3)

απορροφητικότητασώμα  ,Τ- ένας αριθμός που δείχνει ποιο κλάσμα της ενέργειας της ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επιφάνεια ενός σώματος απορροφάται από αυτό στο εύρος μήκους κύματος από  έως  +d,εκείνοι.

. (4)

Το σώμα για το οποίο  ,Τ=1σε όλο το εύρος μήκους κύματος, ονομάζεται μαύρο σώμα (μαύρο σώμα).

Το σώμα για το οποίο  ,Τ=κονστ<1 σε όλο το εύρος μήκους κύματος ονομάζεται γκρι.

46. ​​Ειδικά φυσικά όργανα που ονομάζονται ακτινόμετρα μπορούν να μετρήσουν την ποσότητα της ηλιακής ενέργειας που λαμβάνεται στην επιφάνεια της γης ανά μονάδα επιφάνειας ανά μονάδα χρόνου. Πριν ακτίνες ηλίουκαι φτάσουν στην επιφάνεια της Γης και πέσουν στο ακτινόμετρο, πρέπει να περάσουν από όλο το πάχος της ατμόσφαιράς μας, με αποτέλεσμα μέρος της ενέργειας να απορροφηθεί από την ατμόσφαιρα. Το μέγεθος αυτής της απορρόφησης ποικίλλει πολύ ανάλογα με την κατάσταση της ατμόσφαιρας, έτσι ώστε η ποσότητα της ηλιακής ενέργειας που λαμβάνεται στην επιφάνεια της γης σε διαφορετικές χρονικές στιγμές είναι πολύ διαφορετική.

Η ηλιακή σταθερά είναι η ποσότητα ενέργειας που λαμβάνει ένα τετραγωνικό εκατοστό επιφάνειας που εκτίθεται στο όριο της ατμόσφαιρας της γης κάθετα προς τις ακτίνες του ήλιου, σε ένα λεπτό σε μικρές θερμίδες. Από μεγάλο αριθμό ακτινομετρικών παρατηρήσεων πολλών γεωφυσικών παρατηρητηρίων, προέκυψε η ακόλουθη τιμή για την ηλιακή σταθερά:

A = 1,94 cal/cm2 min.

Σε 1 τετραγωνικό μέτρο της επιφάνειας της τοποθεσίας που βλέπει προς τον Ήλιο κοντά στη Γη, εισέρχονται 1400 J ενέργειας που μεταφέρεται από την ηλιακή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ανά δευτερόλεπτο. Αυτή η τιμή ονομάζεται ηλιακή σταθερά. Με άλλα λόγια, η πυκνότητα ροής ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας είναι 1,4 kW/m 2 .

ΗΛΙΑΚΟ ΦΑΣΜΑ - η κατανομή της ενέργειας της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας του Ήλιου στο εύρος μήκους κύματος από μερικά κλάσματα του nm (ακτινοβολία γάμμα) έως μετρικά ραδιοκύματα. Στην ορατή περιοχή, το ηλιακό φάσμα είναι κοντά στο φάσμα ενός απόλυτα μαύρου σώματος σε θερμοκρασία περίπου 5800 K. έχει μέγιστο ενεργειακό στην περιοχή 430-500 nm. Το ηλιακό φάσμα είναι ένα συνεχές φάσμα, στο οποίο υπερτίθενται περισσότερες από 20 χιλιάδες γραμμές απορρόφησης (γραμμές Fraunhofer) διαφόρων χημικών στοιχείων.

Actinσχετικά με μετρητής- συσκευή για τη μέτρηση της έντασης της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας. Η αρχή λειτουργίας του Α. βασίζεται στην απορρόφηση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας από μια μαυρισμένη επιφάνεια και στη μετατροπή της ενέργειάς της σε θερμότητα. Η Α. είναι μια σχετική συσκευή, γιατί. η ένταση της ακτινοβολίας κρίνεται από διάφορα φαινόμενα που συνοδεύουν τη θέρμανση, σε αντίθεση με τα πυρηλιόμετρα - απόλυτα όργανα. Για παράδειγμα, η αρχή λειτουργίας του ακτινομέτρου Michelson βασίζεται στη θέρμανση μιας διμεταλλικής πλάκας μαυρισμένης με αιθάλη από τις ακτίνες του ήλιου. 1 , συμπιεσμένο από σίδερο και invar Όταν θερμαίνεται, ο σίδηρος επιμηκύνεται και το invar σχεδόν δεν παρουσιάζει θερμική διαστολή, οπότε η πλάκα λυγίζει. Το μέγεθος της καμπής χρησιμεύει ως μέτρο της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας. Χρησιμοποιώντας ένα μικροσκόπιο, παρατηρείται η κίνηση ενός νήματος χαλαζία , που βρίσκεται στο τέλος της πλάκας.

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

Ωστόσο, πιθανότατα έχετε δει στην πραγματικότητα αρκετά κοντινά ανάλογα ενός μαύρου σώματος. Στην εστία, για παράδειγμα, συμβαίνει ότι πολλά κούτσουρα διπλώνονται σχεδόν στενά και μια αρκετά μεγάλη κοιλότητα καίγεται μέσα τους. Εξωτερικά, τα κούτσουρα παραμένουν σκοτεινά και δεν λάμπουν, ενώ θερμότητα (υπέρυθρη ακτινοβολία) και φως συσσωρεύονται μέσα στην καμένη κοιλότητα και πριν ξεσπάσουν, αυτές οι ακτίνες αντανακλώνται επανειλημμένα από τα τοιχώματα της κοιλότητας. Αν κοιτάξετε το κενό μεταξύ τέτοιων κορμών, θα δείτε μια λαμπερή κίτρινη-πορτοκαλί λάμψη υψηλής θερμοκρασίας και, από εκεί, κυριολεκτικά θα φλέγετε από τη ζέστη. Απλώς οι ακτίνες παγιδεύτηκαν μεταξύ των κορμών για λίγο, όπως ακριβώς το φως συλλαμβάνεται 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 όταν αλληλεπιδρά με τα άτομα της ύλης 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, η ένταση εκπομπής και απορρόφησης των ακτίνων μέσα στο μαύρο σώμα εξισώνεται: όταν μια συγκεκριμένη ποσότητα φωτός ορισμένης συχνότητας απορροφάται από ένα άτομο, ένα άλλο άτομο κάπου μέσα εκπέμπει ταυτόχρονα την ίδια ποσότητα φωτός ίδιας συχνότητας. Έτσι, η ποσότητα του απορροφούμενου φωτός κάθε συχνότητας μέσα σε ένα μαύρο σώμα παραμένει η ίδια, αν και απορροφάται και εκπέμπεται από διαφορετικά άτομα του σώματος.

Μέχρι αυτό το σημείο, η συμπεριφορά του μαύρου σώματος παραμένει αρκετά σαφής. Τα προβλήματα στο πλαίσιο της κλασικής φυσικής (με το "κλασικό" εδώ εννοούμε τη φυσική πριν από την εμφάνιση της κβαντικής μηχανικής) ξεκίνησαν με προσπάθειες υπολογισμού της ενέργειας ακτινοβολίας που αποθηκεύτηκε μέσα σε ένα μαύρο σώμα σε κατάσταση ισορροπίας. Και δύο πράγματα έγιναν σύντομα ξεκάθαρα:

• Όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα κύματος των ακτίνων, τόσο περισσότερο συσσωρεύονται μέσα στο μαύρο σώμα (δηλαδή, όσο μικρότερα είναι τα μήκη κύματος του μελετημένου τμήματος του φάσματος κυμάτων ακτινοβολίας, τόσο περισσότερες ακτίνες αυτού του τμήματος του φάσματος μέσα στο μαύρο σώμα είναι το κλασικό η θεωρία προβλέπει).
• Όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα του κύματος, τόσο περισσότερη ενέργεια μεταφέρει και, κατά συνέπεια, τόσο περισσότερο αποθηκεύεται μέσα στο μαύρο σώμα.

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

Η τάξη αποκαταστάθηκε από τον Γερμανό φυσικό Μαξ Πλανκ ( εκ.Η σταθερά του Planck) - έδειξε ότι το πρόβλημα αφαιρείται αν υποθέσουμε ότι τα άτομα μπορούν να απορροφήσουν και να εκπέμπουν φως μόνο σε τμήματα και μόνο σε ορισμένες συχνότητες. (Αργότερα, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν γενίκευσε αυτή την ιδέα εισάγοντας την έννοια φωτόνια- αυστηρά καθορισμένα τμήματα ακτινοβολίας φωτός.) Σύμφωνα με αυτό το σχήμα, πολλές συχνότητες ακτινοβολίας που προβλέπονται από την κλασική φυσική απλά δεν μπορούν να υπάρχουν μέσα σε ένα μαύρο σώμα, καθώς τα άτομα δεν είναι σε θέση ούτε να τις απορροφήσουν ούτε να τις εκπέμψουν. Συνεπώς, αυτές οι συχνότητες εξαιρούνται από την εξέταση κατά τον υπολογισμό της ακτινοβολίας ισορροπίας μέσα σε ένα μαύρο σώμα. Αφήνοντας μόνο αποδεκτές συχνότητες, ο Planck απέτρεψε μια υπεριώδη καταστροφή και κατεύθυνε την επιστήμη στο μονοπάτι μιας αληθινής κατανόησης της δομής του κόσμου σε υποατομικό επίπεδο. Επιπλέον, υπολόγισε τη χαρακτηριστική κατανομή συχνότητας της ακτινοβολίας ισορροπίας ενός μαύρου σώματος.

Αυτή η διανομή απέκτησε παγκόσμια φήμη πολλές δεκαετίες μετά τη δημοσίευσή της από τον ίδιο τον Planck, όταν οι κοσμολόγοι ανακάλυψαν ότι η ακτινοβολία υποβάθρου μικροκυμάτων που ανακάλυψαν ( εκ.Το Big Bang) υπακούει ακριβώς στην κατανομή Planck ως προς τα φασματικά χαρακτηριστικά του και αντιστοιχεί στην ακτινοβολία ενός μαύρου σώματος σε θερμοκρασία περίπου τριών βαθμών πάνω από το απόλυτο μηδέν.

Ένα απολύτως μαύρο σώμα είναι ένα πνευματικό σωματικό εξιδανικευμένο αντικείμενο. Είναι ενδιαφέρον ότι δεν χρειάζεται να είναι καθόλου μαύρο. Εδώ το θέμα είναι διαφορετικό.

Albedo

Όλοι θυμόμαστε (ή τουλάχιστον θα έπρεπε να θυμόμαστε) από ένα σχολικό μάθημα φυσικής ότι η έννοια του "albedo" υποδηλώνει την ικανότητα της επιφάνειας ενός σώματος να αντανακλά το φως. Έτσι, για παράδειγμα, τα καλύμματα χιονιού των παγοκάλυψης του πλανήτη μας είναι σε θέση να αντανακλούν έως και το 90% του ηλιακού φωτός που πέφτει πάνω τους. Αυτό σημαίνει ότι χαρακτηρίζονται από υψηλό albedo. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι οι υπάλληλοι των πολικών σταθμών αναγκάζονται συχνά να εργάζονται 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, το φεγγάρι του Κρόνου Εγκέλαδος, το οποίο αποτελείται σχεδόν εξ ολοκλήρου από πάγο νερού, έχει ανακλαστικότητα ρεκόρ σε ολόκληρο το ηλιακό σύστημα, έχει λευκό χρώμα και αντανακλά σχεδόν όλη την ακτινοβολία που πέφτει στην επιφάνειά του. Από την άλλη πλευρά, μια ουσία όπως η αιθάλη έχει albedo λιγότερο από 1%. Δηλαδή απορροφά περίπου το 99% της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.

Απόλυτο μαύρο σώμα: περιγραφή

Εδώ ερχόμαστε στο πιο σημαντικό πράγμα. Σίγουρα ο αναγνώστης έχει μαντέψει ότι ένα απολύτως μαύρο σώμα είναι ένα αντικείμενο του οποίου η επιφάνεια είναι ικανή να απορροφήσει απολύτως όλη την ακτινοβολία που πέφτει πάνω του. Ταυτόχρονα, αυτό δεν σημαίνει καθόλου ότι ένα τέτοιο αντικείμενο θα είναι αόρατο και δεν μπορεί, καταρχήν, να εκπέμπει φως. Όχι, μην το μπερδεύετε με μια μαύρη τρύπα. Μπορεί να έχει χρώμα και μάλιστα να είναι πολύ ορατό, αλλά η ακτινοβολία ενός μαύρου σώματος θα καθορίζεται πάντα από τη δική του θερμοκρασία, 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 εντελώς μαύρο σώμα δεν υπάρχει στη φύση. Ωστόσο, τα χαρακτηριστικά του στο αστρικό μας σύστημα αντιστοιχούν πλήρως στον 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 να αναδειχθούν αντικείμενα που δεν αντανακλούν καθόλου το φως. Στην πραγματικότητα, αυτό το πρόβλημα έχει γίνει μια από τις προϋποθέσεις για την εμφάνιση της κβαντικής μηχανικής. Πρώτα απ 'όλα, είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι οποιοδήποτε φωτόνιο (ή οποιοδήποτε άλλο σωματίδιο ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας) που απορροφάται από ένα άτομο εκπέμπεται αμέσως και απορροφάται από ένα γειτονικό άτομο και εκπέμπεται ξανά. Αυτή η διαδικασία θα συνεχιστεί μέχρι να επιτευχθεί η κατάσταση κορεσμού ισορροπίας στο σώμα. Ωστόσο, όταν ένα μαύρο σώμα θερμαίνεται σε μια τέτοια κατάσταση ισορροπίας, η ένταση του φωτός που εκπέμπεται από αυτό γίνεται ίση με την ένταση του απορροφούμενου.

Στην επιστημονική κοινότητα των φυσικών, το πρόβλημα προκύπτει όταν προσπαθούμε να υπολογίσουμε ποια θα πρέπει να είναι αυτή η ενέργεια ακτινοβολίας, η οποία αποθηκεύεται μέσα στο μαύρο σώμα σε ισορροπία. Και έρχεται η καταπληκτική στιγμή. Η κατανομή της ενέργειας στο φάσμα ενός εντελώς 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 βρήκε μια αποδεκτή λύση σε αυτό το πρόβλημα ήταν ο Γερμανός φυσικός Μαξ Πλανκ. 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 από άτομα μόνο σε ορισμένες συχνότητες. Απλώς περνούν ακατάλληλες συχνότητες, πράγμα που λύνει το ζήτημα της άπειρης ενέργειας της απαραίτητης εξίσωσης.