Untuk badan hitam sepenuhnya, ungkapan itu benar. Badan hitam adalah masalah dalam fizik Newtonian.

Badan yang benar-benar hitam adalah objek ideal fizikal mental. Menariknya, ia tidak semestinya hitam. Di sini perkara itu berbeza.

Albedo

Kita semua ingat (atau sekurang-kurangnya harus ingat) dari kursus fizik sekolah bahawa konsep "albedo" membayangkan keupayaan permukaan badan untuk memantulkan cahaya. Jadi, sebagai contoh, penutup salji penutup ais planet kita mampu memantulkan sehingga 90% cahaya matahari yang jatuh ke atasnya. Ini bermakna bahawa mereka dicirikan oleh albedo tinggi. Tidak menghairankan, pekerja stesen kutub sering dipaksa bekerja dalam cermin mata hitam. Lagipun, melihat salji tulen hampir sama dengan melihat Matahari dengan mata kasar. Dalam hal ini, bulan Zuhal Enceladus, yang hampir keseluruhannya terdiri daripada ais air, mempunyai pemantulan rekod dalam keseluruhan sistem suria, mempunyai warna putih dan memantulkan hampir semua sinaran yang jatuh pada permukaannya. Sebaliknya, bahan seperti jelaga mempunyai albedo kurang daripada 1%. Iaitu, ia menyerap kira-kira 99% sinaran elektromagnet.

Badan hitam mutlak: penerangan

Di sini kita sampai kepada perkara yang paling penting. Pastinya pembaca telah meneka bahawa jasad yang benar-benar hitam adalah objek yang permukaannya mampu menyerap sepenuhnya semua sinaran yang jatuh ke atasnya. Pada masa yang sama, ini tidak bermakna sama sekali bahawa objek sedemikian akan tidak kelihatan dan tidak boleh, pada dasarnya, memancarkan cahaya. Tidak, jangan keliru dengan lubang hitam. Ia mungkin mempunyai warna dan juga sangat jelas, tetapi sinaran badan hitam akan sentiasa ditentukan oleh suhunya sendiri, bukan oleh cahaya yang dipantulkan. Dengan cara ini, ini mengambil kira bukan sahaja spektrum yang dapat dilihat oleh mata manusia, tetapi juga ultraviolet, sinaran inframerah, gelombang radio, sinar-X, sinaran gamma, dan sebagainya. Seperti yang telah disebutkan, badan hitam sepenuhnya tidak wujud dalam alam semula jadi. Walau bagaimanapun, ciri-cirinya dalam sistem bintang kita paling sesuai dengan Matahari, yang memancarkan, tetapi hampir tidak memantulkan cahaya (datang dari bintang lain).

Idealisasi makmal

Percubaan untuk mengeluarkan objek yang tidak memantulkan cahaya sama sekali telah dilakukan sejak akhir abad ke-19. Sebenarnya, masalah ini telah menjadi salah satu prasyarat untuk kemunculan mekanik kuantum. Pertama sekali, adalah penting untuk ambil perhatian bahawa mana-mana foton (atau mana-mana zarah sinaran elektromagnet lain) yang diserap oleh atom segera dipancarkan dan diserap oleh atom jiran, dan dipancarkan semula. Proses ini akan berterusan sehingga keadaan tepu keseimbangan dalam badan tercapai. Walau bagaimanapun, apabila jasad hitam dipanaskan kepada keadaan keseimbangan sedemikian, keamatan cahaya yang dipancarkan olehnya menjadi sama dengan keamatan yang diserap.

Dalam komuniti saintifik ahli fizik, masalah timbul apabila cuba mengira apakah tenaga sinaran ini sepatutnya, yang disimpan di dalam badan hitam dalam keseimbangan. Dan inilah saat yang menakjubkan. Pengagihan tenaga dalam spektrum jasad hitam sepenuhnya dalam keadaan keseimbangan bermakna infiniti literal tenaga sinaran di dalamnya. Masalah ini telah dipanggil malapetaka ultraviolet.

Penyelesaian Planck

Yang pertama untuk mencari penyelesaian yang boleh diterima untuk masalah ini ialah ahli fizik Jerman Max Planck. Beliau mencadangkan bahawa sebarang sinaran diserap oleh atom tidak secara berterusan, tetapi secara diskret. Iaitu, dalam bahagian. Kemudian, bahagian tersebut dipanggil foton. Selain itu, gelombang radio-magnet boleh diserap oleh atom hanya pada frekuensi tertentu. Frekuensi yang tidak sesuai hanya berlalu, yang menyelesaikan persoalan tenaga tak terhingga persamaan yang diperlukan.

Badan hitam sepenuhnya

Sinaran badan hitam yang dipanaskan dalam julat yang boleh dilihat

Badan hitam sepenuhnya- abstraksi fizikal yang digunakan dalam termodinamik, badan yang menyerap semua sinaran elektromagnet yang jatuh ke atasnya dalam semua julat dan tidak mencerminkan apa-apa. Walaupun namanya, badan hitam itu sendiri boleh memancarkan sinaran elektromagnet dari sebarang frekuensi dan secara visual. Spektrum sinaran jasad hitam hanya ditentukan oleh suhunya.

Bahan sebenar yang paling hitam, sebagai contoh, jelaga, menyerap sehingga 99% sinaran kejadian (iaitu, mempunyai albedo bersamaan dengan 0.01) dalam julat panjang gelombang yang boleh dilihat, tetapi ia menyerap sinaran inframerah jauh lebih teruk. Di antara badan-badan sistem suria, Matahari mempunyai sifat-sifat jasad hitam sepenuhnya. Istilah ini diperkenalkan oleh Gustav Kirchhoff pada tahun .

Model Praktikal

Model badan hitam

Badan hitam sama sekali tidak wujud dalam alam semula jadi, oleh itu, dalam fizik, model digunakan untuk eksperimen. Ia adalah rongga tertutup dengan bukaan kecil. Cahaya yang masuk melalui lubang ini akan diserap sepenuhnya selepas pantulan berulang, dan lubang itu akan kelihatan hitam sepenuhnya dari luar. Tetapi apabila rongga ini dipanaskan, ia akan mempunyai sinaran yang boleh dilihat sendiri.

Undang-undang sinaran badan hitam

Pendekatan klasik

Kajian tentang undang-undang sinaran badan hitam mutlak adalah salah satu prasyarat untuk kemunculan mekanik kuantum.

Undang-undang sinaran pertama Wien

Walau bagaimanapun, undang-undang sinaran Rayleigh-Jeans adalah sah untuk kawasan gelombang panjang spektrum dan menerangkan dengan secukupnya sifat sinaran itu. Fakta surat-menyurat sedemikian boleh dijelaskan hanya dengan menggunakan pendekatan mekanikal kuantum, mengikut mana sinaran berlaku secara diskret. Berdasarkan undang-undang kuantum, seseorang boleh mendapatkan formula Planck, yang akan bertepatan dengan formula Rayleigh-Jeans untuk .

Fakta ini adalah ilustrasi yang sangat baik tentang operasi prinsip surat-menyurat, yang menurutnya teori fizikal baru mesti menjelaskan segala-galanya yang dapat dijelaskan oleh yang lama.

undang-undang Planck

Kebergantungan kuasa sinaran jasad hitam pada panjang gelombang

Keamatan sinaran jasad yang benar-benar hitam, bergantung pada suhu dan kekerapan, ditentukan oleh undang-undang Planck:

di mana saya(ν) dν - kuasa sinaran per unit luas permukaan sinaran dalam julat frekuensi dari ν hingga ν + dν .

Setara,

di mana u(λ) dλ - kuasa sinaran per unit luas permukaan pancaran dalam julat panjang gelombang dari λ hingga λ + dλ .

Undang-undang Stefan-Boltzmann

Jumlah tenaga sinaran haba ditentukan Undang-undang Stefan-Boltzmann:

di mana j ialah kuasa per unit luas permukaan pancaran, dan

W/(m² K 4) - Pemalar Stefan-Boltzmann.

Oleh itu, badan hitam sepenuhnya T= 100 K memancarkan 5.67 watt setiap meter persegi permukaannya. Pada suhu 1000 K, kuasa sinaran meningkat kepada 56.7 kilowatt setiap meter persegi.

Undang-undang anjakan Wien

Panjang gelombang di mana tenaga sinaran badan hitam adalah maksimum ditentukan oleh Undang-undang anjakan Wien:

Jadi, jika kita mengandaikan dalam anggaran pertama bahawa kulit manusia mempunyai sifat yang hampir dengan jasad yang benar-benar hitam, maka maksimum spektrum sinaran pada suhu 36 ° C (309 K) terletak pada panjang gelombang 9400 nm (dalam kawasan inframerah spektrum).

Warna yang boleh dilihat bagi jasad hitam mutlak dengan suhu yang berbeza ditunjukkan dalam rajah.

Sinaran badan hitam

Sinaran elektromagnet yang berada dalam keseimbangan termodinamik dengan jasad hitam mutlak pada suhu tertentu (contohnya, sinaran di dalam rongga dalam jasad hitam mutlak) dipanggil sinaran benda hitam (atau keseimbangan terma). Sinaran haba keseimbangan adalah homogen, isotropik dan tidak terpolarisasi, tiada pemindahan tenaga di dalamnya, semua ciri-cirinya hanya bergantung pada suhu pemancar benda hitam secara mutlak (dan kerana sinaran benda hitam berada dalam keseimbangan terma dengan jasad tertentu, suhu ini boleh dikaitkan dengan radiasi). Ketumpatan tenaga isipadu sinaran benda hitam ialah , nya

Jabatan Pendidikan Daerah Kirovsky. Kementerian Pendidikan Am dan Menengah

Institusi Pendidikan Perbandaran No. 204

"Sekolah Elit"

Arah saintifik dan teknikal.

Subjek fizik.

Badan hitam sepenuhnya

Artis: pelajar kelas 11 Maksim Karpov

Ketua: Bondina Marina Yurievna

Yekaterinburg 2007

Pendahuluan ms.2

Teori badan hitam muka surat 5

Bahagian amali p.15

Kesimpulan p.17

Sastera hlm.18

pengenalan

Pada akhir abad XIX. ramai saintis percaya bahawa pembangunan fizik telah diselesaikan atas sebab-sebab berikut:

1. Selama lebih daripada 200 tahun, undang-undang mekanik, teori graviti universal, undang-undang pemuliharaan (tenaga, momentum, momentum, jisim dan cas elektrik) telah wujud.

2. MKT dibangunkan.

3. Asas yang kukuh telah diletakkan untuk termodinamik.

4. Teori elektromagnetisme Maxwellian dirumuskan.

5. Undang-undang relativistik pemuliharaan tenaga - jisim.

Pada akhir XIX - permulaan abad XX. ditemui oleh V. Roentgen - X-ray (X-ray), A. Becquerel - fenomena radioaktiviti, J. Thomson - elektron. Walau bagaimanapun, fizik klasik gagal menjelaskan fenomena ini.

A. Teori relativiti Einstein memerlukan semakan radikal terhadap konsep ruang dan masa. Eksperimen khas mengesahkan kesahihan hipotesis J. Maxwell tentang sifat elektromagnet cahaya. Ia boleh diandaikan bahawa sinaran gelombang elektromagnet oleh jasad yang dipanaskan adalah disebabkan oleh gerakan berayun elektron. Tetapi andaian ini perlu disahkan dengan membandingkan data teori dan eksperimen. Untuk pertimbangan teori tentang undang-undang sinaran, model badan hitam sepenuhnya digunakan, i.e. jasad yang menyerap sepenuhnya gelombang elektromagnet pada sebarang panjang dan, dengan itu, memancarkan semua panjang gelombang gelombang elektromagnet.

Saya menghadapi fenomena penyerapan tenaga oleh badan apabila pulang ke rumah pada petang musim luruh. Petang itu lembap, dan saya hampir tidak dapat melihat jalan yang saya lalui. Dan apabila salji turun seminggu kemudian, jalan itu jelas kelihatan. Jadi saya mula-mula menemui fenomena badan hitam sepenuhnya, badan yang tidak wujud dalam alam semula jadi, dan saya tertarik. Dan kerana saya telah lama mencari bahan yang menarik minat saya, mengumpulkannya sekeping demi sekeping, saya memutuskan untuk menulis kertas penyelidikan di mana semuanya akan disambungkan dan disusun dalam susunan yang logik. Juga, untuk persepsi yang lebih mudah tentang bahagian teori, saya telah memberikan contoh praktikal eksperimen yang anda boleh perhatikan fenomena di atas.

Mengkaji bahan-bahan mengenai isu pantulan dan penyerapan tenaga cahaya, saya mengandaikan bahawa jasad yang benar-benar hitam adalah jasad yang menyerap semua tenaga. Walau bagaimanapun, adakah ini mungkin dalam amalan? Saya fikir bukan sahaja saya mendapati soalan ini menarik. Oleh itu, tujuan kerja saya adalah untuk membuktikan bahawa sinaran gelombang elektromagnet oleh jasad yang dipanaskan adalah disebabkan oleh gerakan ayunan elektron. Tetapi masalah ini adalah relevan kerana ia tidak ditulis dalam buku teks kami, dalam beberapa buku rujukan anda boleh membaca tentang badan hitam sepenuhnya. Untuk melakukan ini, saya menetapkan sendiri beberapa tugas:

cari maklumat sebanyak mungkin mengenai isu ini;

mengkaji teori badan hitam sepenuhnya;

mengesahkan secara empirikal konsep dan fenomena teori yang diberikan dalam abstrak;

Abstrak terdiri daripada bahagian berikut:

pengenalan;

teori benda hitam;

bahagian praktikal;

kesimpulan.

teori badan hitam

1. Sejarah kajian isu.

Fizik klasik tidak dapat memperoleh formula yang munasabah untuk ketumpatan spektrum (formula ini mudah disahkan: jasad hitam sepenuhnya adalah relau, spektrometer diletakkan, sinaran terbentang ke dalam spektrum, dan untuk setiap jalur spektrum seseorang boleh mencari tenaga dalam selang panjang gelombang ini). Fizik klasik bukan sahaja dapat memberikan nilai fungsi yang betul, malah tidak dapat memberikan nilai yang munasabah, iaitu, ternyata fungsi ini berkembang dengan penurunan panjang gelombang, dan ini tidak bermakna, ini bermakna mana-mana badan di kawasan yang boleh dilihat. memancar, dan pada frekuensi rendah lebih banyak lagi, dan jumlah tenaga sinaran cenderung kepada infiniti. Ini bermakna bahawa dalam alam semula jadi terdapat fenomena yang tidak dapat digambarkan oleh undang-undang fizik klasik.

Pada akhir abad ke-19, kegagalan percubaan untuk mencipta teori sinaran badan hitam berdasarkan undang-undang fizik klasik telah didedahkan. Daripada undang-undang fizik klasik, ia mengikut bahawa bahan harus mengeluarkan gelombang elektromagnet pada sebarang suhu, kehilangan tenaga dan menurunkan suhu kepada sifar mutlak. Dalam kata lain. keseimbangan terma antara jirim dan sinaran adalah mustahil. Tetapi ini bertentangan dengan pengalaman seharian.

Ini boleh dijelaskan dengan lebih terperinci seperti berikut. Terdapat konsep jasad hitam sepenuhnya - jasad yang menyerap sinaran elektromagnet dari sebarang panjang gelombang. Spektrum pelepasannya ditentukan oleh suhunya. Tidak ada badan hitam sepenuhnya dalam alam semula jadi. Badan hitam sepenuhnya paling tepat sepadan dengan badan berongga legap tertutup dengan lubang. Mana-mana bahagian jirim bercahaya apabila dipanaskan, dan dengan peningkatan suhu lagi, ia menjadi merah pertama, dan kemudian putih. Warna bahan hampir tidak bergantung, untuk badan hitam sepenuhnya ia ditentukan semata-mata oleh suhunya. Bayangkan rongga tertutup sedemikian, yang dikekalkan pada suhu malar dan yang mengandungi badan bahan yang mampu memancarkan dan menyerap sinaran. Jika suhu badan ini pada saat awal berbeza daripada suhu rongga, maka dari masa ke masa sistem (rongga tambah badan) akan cenderung kepada keseimbangan termodinamik, yang dicirikan oleh keseimbangan antara tenaga yang diserap dan diukur per unit masa.

G. Kirchhoff menetapkan bahawa keadaan keseimbangan ini dicirikan oleh taburan spektrum tertentu ketumpatan tenaga sinaran yang terkandung dalam rongga, dan juga bahawa fungsi yang menentukan taburan spektrum (fungsi Kirchhoff) bergantung pada suhu rongga dan tidak tidak bergantung sama ada pada saiz rongga atau bentuknya, mahupun daripada sifat badan material yang diletakkan di dalamnya. Oleh kerana fungsi Kirchhoff adalah universal, i.e. adalah sama untuk mana-mana jasad hitam, maka timbul andaian bahawa bentuknya ditentukan oleh beberapa peruntukan termodinamik dan elektrodinamik. Walau bagaimanapun, percubaan seperti ini terbukti tidak dapat dipertahankan. Ia mengikuti undang-undang D. Rayleigh bahawa ketumpatan spektrum tenaga sinaran harus meningkat secara monoton dengan peningkatan frekuensi, tetapi eksperimen membuktikan sebaliknya: pada mulanya, ketumpatan spektrum meningkat dengan peningkatan frekuensi, dan kemudian jatuh.

Menyelesaikan masalah sinaran badan hitam memerlukan pendekatan asas yang baru.

Ia ditemui oleh M.Planck.

Planck pada tahun 1900 merumuskan postulat mengikut mana bahan boleh mengeluarkan tenaga sinaran hanya dalam bahagian terhingga berkadar dengan kekerapan sinaran ini. Konsep ini telah membawa kepada perubahan dalam peruntukan tradisional yang mendasari fizik klasik. Kewujudan tindakan diskret menunjukkan hubungan antara penyetempatan objek dalam ruang dan masa dan keadaan dinamiknya. L. de Broglie menekankan bahawa "dari sudut pandangan fizik klasik, hubungan ini nampaknya tidak dapat diterangkan sama sekali dan jauh lebih tidak dapat difahami dalam akibat yang membawanya daripada hubungan antara pembolehubah ruang dan masa yang ditubuhkan oleh teori relativiti. Konsep kuantum dalam pembangunan fizik telah ditakdirkan untuk memainkan peranan yang besar.

Jadi, pendekatan baru ditemui untuk menerangkan sifat badan hitam (dalam bentuk konsep kuantum).

2. Kapasiti penyerapan badan.

Untuk menerangkan proses penyerapan sinaran oleh badan, kami memperkenalkan penyerapan spektrum badan. Untuk melakukan ini, setelah memilih selang frekuensi sempit dari hingga , kami menganggap fluks sinaran , yang jatuh pada permukaan badan. Jika dalam kes ini sebahagian daripada aliran ini diserap oleh badan, maka kapasiti penyerapan badan pada frekuensi ditakrifkan sebagai kuantiti tanpa dimensi.

yang mencirikan perkadaran insiden sinaran frekuensi pada badan, diserap oleh badan.

Pengalaman menunjukkan bahawa mana-mana badan sebenar menyerap sinaran frekuensi yang berbeza dengan cara yang berbeza, bergantung pada suhunya. Oleh itu, penyerapan spektrum badan adalah fungsi frekuensi, bentuknya berubah dengan perubahan suhu badan.

Mengikut definisi, kapasiti penyerapan badan tidak boleh lebih daripada satu. Dalam kes ini, badan yang kapasiti penyerapannya kurang daripada kesatuan dan sama pada keseluruhan julat frekuensi dipanggil badan kelabu.

Tempat istimewa dalam teori sinaran haba diduduki oleh badan hitam sepenuhnya. Jadi G. Kirchhoff memanggil badan, di mana pada semua frekuensi dan pada sebarang suhu kapasiti penyerapan adalah sama dengan satu. Jasad sebenar sentiasa memantulkan sebahagian daripada tenaga kejadian sinaran di atasnya (Rajah 1.2). Malah jelaga mendekati sifat badan hitam sepenuhnya hanya dalam julat optik.

1 - badan benar-benar hitam; 2 - badan kelabu; 3 - badan sebenar

Jasad hitam mutlak ialah badan rujukan dalam teori sinaran haba. Dan, walaupun tidak ada badan hitam sepenuhnya dalam alam semula jadi, cukup dengan hanya melaksanakan model yang mana penyerapan pada semua frekuensi akan berbeza dengan ketara daripada perpaduan. Model seperti badan hitam sepenuhnya boleh dibuat dalam bentuk rongga tertutup (Rajah 1.3), dilengkapi dengan lubang kecil, diameternya jauh lebih kecil daripada dimensi melintang rongga. Dalam kes ini, rongga boleh mempunyai hampir semua bentuk dan diperbuat daripada sebarang bahan.

Lubang kecil mempunyai sifat hampir sepenuhnya menyerap kejadian sinaran di atasnya, dan dengan pengurangan saiz lubang, kapasiti penyerapannya cenderung kepada perpaduan. Sesungguhnya, sinaran melalui lubang mencecah dinding rongga, sebahagiannya diserap olehnya. Dengan saiz lubang yang kecil, rasuk mesti menjalani banyak pantulan sebelum ia boleh meninggalkan lubang, iaitu, secara rasmi, dipantulkan daripadanya. Dengan pelbagai pantulan berulang pada dinding rongga, sinaran yang memasuki rongga hampir diserap sepenuhnya.

Ambil perhatian bahawa jika dinding rongga dikekalkan pada suhu tertentu , maka lubang itu akan memancar, dan sinaran ini boleh dianggap dengan tahap ketepatan yang tinggi sebagai sinaran badan hitam mutlak yang mempunyai suhu . Dengan mengkaji pengagihan tenaga sinaran ini ke atas spektrum oC. Langley, E. Pringsheim, O. Lummer, F. Kurlbaum, dsb.), adalah mungkin untuk secara eksperimen menentukan emisiviti jasad hitam dan . Keputusan eksperimen sedemikian pada pelbagai suhu ditunjukkan dalam Rajah. 1.4.

Daripada pertimbangan ini, ia berikutan bahawa kapasiti penyerapan dan warna badan adalah saling berkaitan.

3. Undang-undang Kirchhoff.

undang-undang Kirchhoff. Mesti ada hubungan antara sifat pemancar dan penyerapan mana-mana badan. Sesungguhnya, dalam eksperimen dengan sinaran haba keseimbangan (Rajah 1.1), keseimbangan dalam sistem boleh diwujudkan hanya jika setiap jasad mengeluarkan tenaga seunit masa sebanyak ia menyerap. Ini bermakna badan-badan yang menyerap sinaran dalam sebarang frekuensi dengan lebih intensif akan mengeluarkan sinaran ini dengan lebih intensif.

Oleh itu, selaras dengan prinsip keseimbangan terperinci ini, nisbah kuasa pemancar dan penyerapan adalah sama untuk semua jasad di alam, termasuk jasad hitam, dan pada suhu tertentu adalah fungsi sejagat frekuensi (panjang gelombang) yang sama.

Undang-undang sinaran haba ini, ditubuhkan pada tahun 1859 oleh G. Kirchhoff apabila mempertimbangkan undang-undang termodinamik sistem keseimbangan dengan sinaran, boleh ditulis sebagai hubungan

di mana indeks 1, 2, 3... sepadan dengan badan nyata yang berbeza.

Ia berikutan daripada undang-undang Kirchhoff bahawa fungsi universal ialah pemancaran spektrum dan jasad hitam pada skala frekuensi atau panjang gelombang, masing-masing. Oleh itu, hubungan antara mereka ditentukan oleh formula .

Sinaran badan hitam mempunyai ciri universal dalam teori sinaran terma. Badan sebenar memancar pada sebarang suhu sentiasa kurang tenaga daripada jasad hitam sepenuhnya. Mengetahui emisiviti jasad hitam (fungsi Kirchhoff universal) dan penyerapan jasad sebenar, hukum Kirchhoff boleh digunakan untuk menentukan tenaga yang dipancarkan oleh jasad ini dalam sebarang julat frekuensi atau panjang gelombang.

Ini bermakna tenaga yang dipancarkan oleh badan ini ditakrifkan sebagai perbezaan antara kuasa pancaran jasad hitam dan kuasa serapan jasad sebenar.

4. Undang-undang Stefan-Boltzmann

Undang-undang Stefan-Boltzmann. Kajian eksperimen (1879 J. Stefan) dan teori (1884 L. Boltzmann) memungkinkan untuk membuktikan undang-undang penting sinaran haba bagi jasad hitam sepenuhnya. Undang-undang ini menyatakan bahawa kecerahan tenaga suatu jasad hitam adalah berkadar dengan kuasa keempat suhu mutlaknya, iaitu

Undang-undang ini sering digunakan dalam astronomi apabila menentukan kecerahan bintang dengan suhunya. Untuk melakukan ini, adalah perlu untuk bergerak dari ketumpatan sinaran kepada kuantiti yang boleh diperhatikan - fluks. Formula untuk fluks sinaran yang disepadukan ke atas spektrum akan diperolehi dalam bab ketiga.

Menurut ukuran moden, pemalar Stefan-Boltzmann W / (m 2 (K4).

Untuk badan sebenar, undang-undang Stefan-Boltzmann dipenuhi hanya secara kualitatif, iaitu, dengan peningkatan suhu, kecerahan tenaga semua badan meningkat. Walau bagaimanapun, untuk jasad sebenar, pergantungan kecerahan tenaga pada suhu tidak lagi diterangkan oleh hubungan mudah (1.7), tetapi mempunyai bentuk

Pekali dalam (1.8), yang sentiasa kurang daripada kesatuan, boleh dipanggil kapasiti penyerapan integral badan. Nilai, yang biasanya bergantung pada suhu, terkenal dengan banyak bahan penting dari segi teknikal. Jadi, dalam julat suhu yang agak luas untuk logam, dan untuk arang batu dan oksida logam .

Bagi jasad bukan hitam sebenar, seseorang boleh memperkenalkan konsep suhu sinaran berkesan, yang ditakrifkan sebagai suhu badan hitam sepenuhnya yang mempunyai kecerahan tenaga yang sama dengan jasad sebenar. Suhu badan sinaran sentiasa kurang daripada suhu badan sebenar. Memang untuk badan sebenar . Dari sini kita dapati bahawa, iaitu, kerana badan sebenar mempunyai .

Suhu sinaran badan pijar yang dipanaskan tinggi boleh ditentukan menggunakan pyrometer sinaran (Rajah 1.5), di mana imej sumber yang dipanaskan cukup jauh Dan ditayangkan dengan kanta ke penerima P supaya imej pemancar bertindih sepenuhnya penerima. Bolometer logam atau semikonduktor atau termokopel biasanya digunakan untuk menganggarkan tenaga sinaran yang mengenai penerima. Tindakan bolometer adalah berdasarkan perubahan dalam rintangan elektrik logam atau semikonduktor dengan perubahan suhu yang disebabkan oleh penyerapan fluks sinaran kejadian. Menukar suhu permukaan menyerap termoelemen membawa kepada penampilan termo-EMF di dalamnya.

Bacaan peranti yang disambungkan kepada bolometer atau thermoelement ternyata berkadar dengan tenaga sinaran yang mengenai penerima pyrometer. Setelah menentukur pyrometer sebelum ini mengikut sinaran piawaian badan hitam pada suhu yang berbeza, adalah mungkin untuk mengukur suhu sinaran pelbagai badan yang dipanaskan pada skala peranti.

Mengetahui penyerapan integral bahan pemancar, adalah mungkin untuk menukar suhu sinaran yang diukur pemancar kepada suhu sebenar dengan formula

Khususnya, jika pyrometer sinaran menunjukkan suhu K apabila memerhati permukaan panas pemancar tungsten (), maka suhu sebenarnya ialah K.

Daripada ini kita boleh membuat kesimpulan bahawa kecerahan mana-mana badan boleh ditentukan oleh suhunya.

5. Undang-undang anjakan Wien

Pada tahun 1893, ahli fizik Jerman V. Win secara teorinya menganggap proses termodinamik pemampatan sinaran yang terkandung dalam rongga dengan dinding cermin yang ideal. Mengambil kira perubahan dalam kekerapan sinaran akibat kesan Doppler apabila pantulan dari cermin bergerak, Win membuat kesimpulan bahawa emisiviti badan hitam sepenuhnya harus mempunyai bentuk

(1.9)

Di sini, adalah fungsi tertentu, bentuk khusus yang tidak dapat ditentukan oleh kaedah termodinamik.

Melepasi formula Wien ini dari frekuensi ke panjang gelombang, mengikut peraturan peralihan (1.3), kita memperoleh

(1.10)

Seperti yang dapat dilihat, suhu masuk ke dalam ungkapan untuk emisiviti hanya dalam bentuk produk. Sudah keadaan ini membolehkan kita meramalkan beberapa ciri fungsi tersebut. Khususnya, fungsi ini mencapai maksimum pada panjang gelombang tertentu , yang, apabila suhu badan berubah, berubah supaya syarat dipenuhi: .

Oleh itu, V. Vin merumuskan undang-undang sinaran haba, mengikut mana panjang gelombang, yang menyumbang kepada pemancaran maksimum jasad hitam sepenuhnya, adalah berkadar songsang dengan suhu mutlaknya. Undang-undang ini boleh ditulis sebagai

Nilai pemalar dalam undang-undang ini, yang diperoleh daripada eksperimen, ternyata sama dengan m mK.

Undang-undang Wien dipanggil undang-undang anjakan, dengan itu menekankan bahawa dengan peningkatan suhu badan hitam sepenuhnya, kedudukan maksimum emisivitinya beralih ke kawasan panjang gelombang pendek. Keputusan eksperimen ditunjukkan dalam Rajah. 1.4 mengesahkan kesimpulan ini bukan sahaja secara kualitatif, tetapi juga secara kuantitatif, dengan ketat mengikut formula (1.11).

Untuk badan sebenar, undang-undang Wien dipenuhi hanya secara kualitatif. Apabila suhu mana-mana badan meningkat, panjang gelombang di mana badan memancarkan paling banyak tenaga juga beralih ke arah panjang gelombang yang lebih pendek. Peralihan ini, bagaimanapun, tidak lagi digambarkan oleh formula mudah (1.11), yang untuk sinaran jasad sebenar hanya boleh digunakan sebagai anggaran.

Daripada undang-undang anjakan Wien, ternyata suhu badan dan panjang gelombang emisivitinya saling berkaitan.

6. Formula Rayleigh-Jeans

Dalam julat frekuensi yang sangat rendah,

dipanggil rantau Rayleigh-Jeans, ketumpatan tenaga adalah berkadar dengan suhu T dan kuasa dua frekuensi ω:

Dalam Rajah 2.1.1, kawasan ini ditandakan dengan laluan teksi. Formula Rayleigh-Jeans boleh diperolehi semata-mata

dengan cara klasik, tanpa melibatkan konsep kuantum. Semakin tinggi suhu badan hitam, semakin luas julat frekuensi di mana formula ini sah. Ia dijelaskan dalam teori klasik, tetapi ia tidak boleh dilanjutkan kepada frekuensi tinggi (garis putus-putus dalam Rajah 2.1.1), kerana ketumpatan tenaga yang dijumlahkan ke atas spektrum dalam kes ini adalah besar tidak terhingga:

Ciri undang-undang Rayleigh-Jeans ini dipanggil "malapetaka ultraungu".

Daripada formula Rayleigh-Jeans, dapat dilihat bahawa suhu badan tidak berlaku pada frekuensi tinggi.

7. Formula Wain

Dalam julat frekuensi tinggi (rantau B dalam Rajah 2.1.1), formula Wien adalah sah:

Jelas kelihatan bahawa bahagian sebelah kanan berbeza secara tidak monoton. Jika kekerapan tidak terlalu tinggi, maka faktor ω3 diguna pakai dan fungsi Uω meningkat. Apabila kekerapan meningkat, pertumbuhan Uω menjadi perlahan, ia melepasi maksimum, dan kemudian berkurangan disebabkan oleh faktor eksponen. Kehadiran maksimum dalam spektrum pelepasan membezakan julat Wien daripada rantau Rayleigh-Jeans.

Semakin tinggi suhu badan, semakin tinggi kekerapan potong, bermula dari mana formula Wien dipenuhi. Nilai parameter a dalam eksponen di sebelah kanan bergantung pada pilihan unit di mana suhu dan kekerapan diukur.

Ini bermakna formula Wien memerlukan penggunaan konsep kuantum sifat cahaya.

Oleh itu, saya mempertimbangkan soalan yang dikemukakan di hadapan saya. Ia adalah mudah untuk melihat bahawa undang-undang fizik yang sedia ada abad XIX. adalah cetek, mereka tidak menghubungkan semua ciri (panjang gelombang, suhu, kekerapan, dll.) badan fizikal. Semua undang-undang di atas saling melengkapi, tetapi untuk pemahaman yang lengkap tentang isu ini, adalah perlu untuk melibatkan idea kuantum tentang sifat cahaya.

Bahagian praktikal

Seperti yang telah saya katakan berulang kali, fenomena badan hitam sepenuhnya tidak wujud dalam amalan hari ini, dalam apa jua keadaan, kita tidak boleh mencipta dan melihatnya. Walau bagaimanapun, kita boleh menjalankan beberapa eksperimen yang menunjukkan pengiraan teori di atas.

Bolehkah putih menjadi lebih hitam daripada hitam? Mari kita mulakan dengan pemerhatian yang sangat mudah. Jika anda meletakkan helaian kertas putih dan hitam bersebelahan dan mencipta kegelapan di dalam bilik. Jelas bahawa kemudian anda tidak akan melihat sehelai daun, iaitu, kedua-duanya akan sama hitam. Nampaknya dalam apa jua keadaan, kertas putih tidak boleh menjadi lebih hitam daripada hitam. Namun ia tidak begitu. Jasad yang pada mana-mana suhu menyerap sepenuhnya sinaran sebarang kejadian frekuensi di atasnya dipanggil hitam mutlak. Adalah jelas bahawa ini adalah idealisasi: tidak ada badan hitam secara mutlak dalam alam semula jadi. Badan yang biasa kita panggil hitam (jelaga, jelaga, baldu hitam dan kertas, dll.) sebenarnya berwarna kelabu, i.e. mereka sebahagiannya menyerap dan sebahagiannya menyerakkan cahaya yang jatuh pada mereka.

Ternyata rongga sfera dengan lubang kecil boleh berfungsi sebagai model badan hitam yang benar-benar baik. Jika diameter lubang tidak melebihi 1/10 daripada diameter rongga, maka (seperti yang ditunjukkan oleh pengiraan yang sepadan) pancaran cahaya yang telah memasuki lubang akan dapat keluar darinya semula hanya selepas beberapa hamburan atau pantulan dari berbeza. titik dinding rongga. Tetapi dengan setiap "sentuhan" rasuk dengan dinding, tenaga cahaya sebahagiannya diserap, supaya pecahan sinaran lubang boleh diabaikan. Oleh itu, boleh diandaikan bahawa pembukaan rongga hampir sepenuhnya menyerap cahaya dari sebarang panjang gelombang, sama seperti badan hitam sepenuhnya. Dan peranti itu sendiri untuk percubaan boleh dilakukan, sebagai contoh, seperti ini. Dari kadbod anda perlu gam ke kotak berukuran lebih kurang 100x100x100 mm dengan penutup terbuka. Dari dalam, kotak mesti ditampal dengan kertas putih, dan di luar - dicat dengan dakwat hitam, gouache, atau, lebih baik lagi, ditampal dengan kertas daripada bungkusan foto. Di dalam tudung, anda perlu membuat lubang dengan diameter tidak lebih daripada 10 mm. Menunjukkan pengalaman, adalah perlu untuk menerangi penutup kotak dengan lampu meja, maka lubang akan kelihatan lebih hitam daripada penutup hitam.

Untuk memerhati fenomena itu, anda boleh melakukan lebih mudah (tetapi kurang menarik). Anda perlu mengambil cawan porselin putih dan menutupnya dengan penutup kertas hitam dengan lubang kecil - kesannya akan hampir sama.

Sila ambil perhatian bahawa jika anda melihat tingkap dari jalan pada hari yang cerah, ia kelihatan gelap kepada kami.

Ngomong-ngomong, profesor Universiti Princeton Eric Rogers, yang menulis Physics for the Curious, diterbitkan bukan sahaja di sini, memberikan "penerangan" yang pelik tentang badan yang benar-benar hitam: "Tiada cat hitam pada rumah anjing yang kelihatan lebih hitam daripada pintu yang terbuka untuk seekor anjing. .”

Setelah mengeluarkan pelekat dari dua tin kosong yang sama dan menghisap atau melukis satu tin dengan cat hitam, meninggalkan cahaya yang satu lagi, menuang air panas ke dalam kedua-dua tin dan melihat yang mana lebih cepat sejuk (percubaan juga boleh dijalankan dalam gelap); anda memerhati fenomena sinaran haba.

Juga, fenomena sinaran haba boleh diperhatikan dengan melihat operasi pemanas elektrik bilik, yang terdiri daripada lingkaran pijar dan permukaan logam cekung yang digilap dengan baik.

Ia adalah pelik bahawa:

Hubungan antara sinaran cahaya dan haba telah diketahui sejak zaman dahulu. Lebih-lebih lagi, perkataan "fokus" dalam bahasa Latin bermaksud "api", "perapian", yang, apabila digunakan pada cermin cekung dan kanta, menunjukkan perhatian keutamaan kepada kepekatan sinaran haba dan bukannya cahaya. Di antara banyak eksperimen abad ke-16-18, eksperimen yang dijalankan oleh Edm Mariotte menonjol, di mana serbuk mesiu dinyalakan oleh sinar haba yang dipantulkan oleh cermin cekung yang diperbuat daripada ... ais.

William Herschel, yang terkenal dengan penemuan planet Uranus, setelah menemui sinar inframerah yang tidak kelihatan dalam spektrum Matahari, sangat kagum sehingga dia berdiam diri mengenainya selama dua puluh tahun. Tetapi hakikat bahawa Marikh didiami dan didiami, dia tidak meragui ...

selepas analisis spektrum menunjukkan kehadiran dalam atmosfera Matahari banyak unsur kimia, termasuk emas, seorang jurubank berkata kepada Kirchhoff: "Nah, apa guna emas solar anda? Lagipun, ia tidak boleh dihantar ke Bumi pula! " Beberapa tahun berlalu, dan Kirchhoff menerima pingat emas dari England dan hadiah wang tunai untuk penyelidikannya yang luar biasa. Menunjukkan wang ini kepada jurubank, dia berkata: "Lihat, saya masih berjaya mendapatkan beberapa emas daripada Matahari."

di kubur Fraunhofer, yang menemui garis gelap dalam spektrum Matahari dan mengkaji spektrum planet dan bintang, rakan senegara yang bersyukur mendirikan sebuah monumen dengan tulisan "Mendekatkan bintang".

Contoh praktikal yang saya berikan mengesahkan pengiraan bahagian teori.

Kesimpulan

Saya telah menyemak soalan yang telah dikemukakan kepada saya. Ia adalah mudah untuk melihat bahawa undang-undang fizik yang sedia ada abad XIX. adalah cetek, mereka tidak menghubungkan semua ciri (panjang gelombang, suhu, kekerapan, dll.) badan fizikal. Semua undang-undang di atas saling melengkapi, tetapi untuk pemahaman yang lengkap tentang isu ini, adalah perlu untuk melibatkan idea kuantum tentang sifat cahaya. Penciptaan teori kuantum memungkinkan untuk menerangkan banyak fenomena, seperti fenomena badan hitam sepenuhnya, i.e. jasad yang menyerap sepenuhnya gelombang elektromagnet pada sebarang panjang dan, dengan itu, memancarkan semua panjang gelombang gelombang elektromagnet. Ia juga memungkinkan untuk menerangkan hubungan antara penyerapan dan warna badan, pergantungan kilauan badan pada suhunya. Selepas itu, fenomena ini dijelaskan oleh fizik klasik. Saya memenuhi tujuan kerja saya - saya memperkenalkan semua orang kepada masalah badan hitam sepenuhnya. Untuk melakukan ini, saya melakukan tugas berikut:

mendapatkan maklumat sebanyak mungkin mengenai masalah ini;

mengkaji teori badan hitam sepenuhnya;

secara empirik mengesahkan konsep dan fenomena teori yang diberikan dalam abstrak;

Untuk pertimbangan teori tentang undang-undang sinaran, model badan hitam sepenuhnya digunakan, i.e. jasad yang menyerap sepenuhnya gelombang elektromagnet pada sebarang panjang dan, dengan itu, memancarkan semua panjang gelombang gelombang elektromagnet.

Senarai literatur yang digunakan:

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

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

Landsberg G.S., Buku teks asas fizik, jilid III, M., 1986.

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

Secara paradoks. Hitam hole berkelakuan seperti badan dengan suhu yang sama dengan mutlak sifar... kerana dengan hitam berlubang... Jadi hitam lubang itu memancar seperti sempurna hitam badan(tanpa disangka disedari...

AGENSI PERSEKUTUAN UNTUK PENDIDIKAN

institusi pendidikan pendidikan profesional tinggi negeri

"UNIVERSITI MINYAK DAN GAS NEGERI TYUMEN"

Abstrak disiplin

"Optik teknikal"

Tema: "Badan hitam sempurna"

Selesai: pelajar gr. OBDzs-07

Kobasnyan Stepan Sergeevich Diperiksa oleh: guru disiplin

Sidorova Anastasia Eduardovna

Tyumen 2009

Badan hitam sepenuhnya- abstraksi fizikal yang digunakan dalam termodinamik, badan yang menyerap semua sinaran elektromagnet yang jatuh ke atasnya dalam semua julat dan tidak mencerminkan apa-apa. Walaupun namanya, badan hitam itu sendiri boleh memancarkan sinaran elektromagnet dari sebarang frekuensi dan secara visual mempunyai warna. Spektrum sinaran jasad hitam hanya ditentukan oleh suhunya.

Model badan hitam

Undang-undang sinaran badan hitam

Pendekatan klasik

Kajian tentang undang-undang sinaran badan hitam adalah salah satu prasyarat untuk kemunculan mekanik kuantum.

Undang-undang sinaran pertama Wien

Pada tahun 1893, Wilhelm Wien, berdasarkan konsep termodinamik klasik, memperoleh formula berikut:

Formula pertama Wien sah untuk semua frekuensi. Mana-mana formula yang lebih khusus (seperti undang-undang Planck) mesti memenuhi formula pertama Wien.

Daripada formula pertama Wien, seseorang boleh menyimpulkan undang-undang anjakan Wien (undang-undang maksimum) dan undang-undang Stefan-Boltzmann, tetapi seseorang tidak dapat mencari nilai pemalar yang termasuk dalam undang-undang ini.

Dari segi sejarah, undang-undang pertama Wien yang dipanggil undang-undang anjakan, tetapi pada masa kini istilah "undang-undang anjakan Wien" merujuk kepada undang-undang maksimum.

Undang-undang sinaran kedua Wien

Pada tahun 1896, Wien memperoleh undang-undang kedua berdasarkan andaian tambahan:

Pengalaman menunjukkan bahawa formula Wien kedua hanya sah dalam had frekuensi tinggi (panjang gelombang pendek). Ia adalah kes khas undang-undang pertama Wien.

Kemudian, Max Planck menunjukkan bahawa undang-undang kedua Wien mengikuti daripada undang-undang Planck untuk tenaga foton tinggi, dan juga mendapati pemalar C 1 dan C 2. Dengan pemikiran ini, undang-undang kedua Wien boleh ditulis sebagai:

Undang-undang Rayleigh-Jeans

Percubaan untuk menerangkan sinaran jasad hitam sepenuhnya berdasarkan prinsip klasik termodinamik dan elektrodinamik membawa kepada undang-undang Rayleigh-Jeans:

Formula ini menganggap peningkatan kuadratik dalam ketumpatan spektrum sinaran bergantung pada kekerapannya. Dalam amalan, undang-undang sedemikian bermakna ketidakmungkinan keseimbangan termodinamik antara jirim dan sinaran, kerana menurutnya, semua tenaga haba perlu ditukar kepada tenaga sinaran dalam kawasan spektrum gelombang pendek. Fenomena hipotesis sedemikian telah dipanggil malapetaka ultraviolet.

Fakta ini adalah ilustrasi yang sangat baik tentang operasi prinsip surat-menyurat, yang menurutnya teori fizikal baru mesti menjelaskan segala-galanya yang dapat dijelaskan oleh yang lama.

undang-undang Planck

Kebergantungan kuasa sinaran jasad hitam pada panjang gelombang

Keamatan sinaran jasad yang benar-benar hitam, bergantung pada suhu dan kekerapan, ditentukan oleh undang-undang Planck :

di mana saya (ν) dν - kuasa sinaran per unit luas permukaan sinaran dalam julat frekuensi dari ν hingga ν + d ν.

Setara,

di mana u (λ) dλ - kuasa sinaran per unit luas permukaan pancaran dalam julat panjang gelombang dari λ hingga λ + d λ.

Undang-undang Stefan-Boltzmann

Jumlah tenaga sinaran haba ditentukan Undang-undang Stefan-Boltzmann :

di mana j ialah kuasa per unit luas permukaan pancaran, dan

W/(m² K 4) - Pemalar Stefan-Boltzmann .

Oleh itu, badan hitam sepenuhnya T= 100 K memancarkan 5.67 watt setiap meter persegi permukaannya. Pada suhu 1000 K, kuasa sinaran meningkat kepada 56.7 kilowatt setiap meter persegi.

Undang-undang anjakan Wien

Panjang gelombang di mana tenaga sinaran badan hitam adalah maksimum ditentukan oleh Undang-undang anjakan Wien :

di mana T ialah suhu dalam kelvin, dan λ max ialah panjang gelombang dengan keamatan maksimum dalam meter.

Warna yang boleh dilihat bagi jasad hitam mutlak dengan suhu yang berbeza ditunjukkan dalam rajah.

Sinaran badan hitam

, tekanannya ialah

. Sangat dekat dengan sifatnya dengan badan hitam adalah sinaran peninggalan yang dipanggil, atau latar belakang gelombang mikro kosmik - sinaran yang mengisi Alam Semesta dengan suhu kira-kira 3 K.

Kromatik sinaran badan hitam

Catatan: Warna diberikan berbanding dengan cahaya siang yang tersebar (D 65). Warna yang benar-benar dirasakan boleh diherotkan oleh penyesuaian mata kepada keadaan pencahayaan.

Badan hitam mutlak yang menyerap sepenuhnya sinaran elektromagnet dari sebarang frekuensi, apabila dipanaskan, memancarkan tenaga dalam bentuk gelombang yang diedarkan secara seragam ke seluruh spektrum frekuensi.

Menjelang akhir abad ke-19, saintis, mengkaji interaksi sinaran elektromagnet (khususnya, cahaya) dengan atom bahan, menghadapi masalah serius yang hanya dapat diselesaikan dalam rangka mekanik kuantum, yang, dalam banyak aspek, adalah dilahirkan kerana masalah ini timbul. Untuk memahami masalah ini yang pertama dan mungkin yang paling serius, bayangkan sebuah kotak hitam besar dengan bahagian dalam bercermin, dengan lubang kecil ditebuk pada salah satu dindingnya. Pancaran cahaya yang memasuki kotak melalui lubang mikroskopik kekal di dalam selama-lamanya, memantul tanpa henti dari dinding. Objek yang tidak memantulkan cahaya, tetapi menyerap sepenuhnya, kelihatan hitam, itulah sebabnya ia biasanya dipanggil badan hitam. (Badan hitam yang sempurna adalah - seperti banyak fenomena fizikal konseptual yang lain - objek hipotesis semata-mata, walaupun, sebagai contoh, sfera bercermin yang berongga, dipanaskan sekata, dari dalam, di mana cahaya masuk melalui satu lubang kecil, adalah anggaran yang baik. )

Badan hitam sama sekali tidak wujud dalam alam semula jadi, oleh itu, dalam fizik, model digunakan untuk eksperimen. Ia adalah rongga tertutup legap dengan lubang kecil, dindingnya mempunyai suhu yang sama. Cahaya yang masuk melalui lubang ini akan diserap sepenuhnya selepas pantulan berulang, dan lubang itu akan kelihatan hitam sepenuhnya dari luar. Tetapi apabila rongga ini dipanaskan, ia akan mempunyai sinaran yang boleh dilihat sendiri. Oleh kerana sinaran yang dipancarkan oleh dinding dalaman rongga, sebelum ia keluar (lagipun, lubang itu sangat kecil), dalam kebanyakan kes ia akan mengalami sejumlah besar penyerapan dan sinaran baru, ia boleh dikatakan dengan yakin. bahawa sinaran di dalam rongga berada dalam keseimbangan termodinamik dengan dinding. (Malah, lubang itu tidak penting untuk model ini sama sekali, ia hanya diperlukan untuk menekankan kebolehmerhatian asas sinaran di dalam; lubang itu, sebagai contoh, boleh ditutup sepenuhnya, dan dibuka dengan cepat hanya apabila keseimbangan telah ditubuhkan dan pengukuran sedang dibuat).

Walau bagaimanapun, anda mungkin telah melihat dalam realiti analog yang agak dekat dengan badan hitam. Di dalam perapian, sebagai contoh, ia berlaku bahawa beberapa batang kayu dilipat hampir rapat, dan rongga yang agak besar terbakar di dalamnya. Di luar, kayu balak kekal gelap dan tidak bercahaya, manakala haba (sinaran inframerah) dan cahaya terkumpul di dalam rongga yang terbakar, dan sebelum pecah, sinar ini berulang kali dipantulkan dari dinding rongga. Jika anda melihat ke dalam jurang antara kayu balak tersebut, anda akan melihat cahaya suhu tinggi kuning-oren terang dan, dari situ, anda benar-benar akan menyala dengan haba. Cuma sinar itu terperangkap di antara kayu balak untuk seketika, sama seperti cahaya sepenuhnya ditangkap dan diserap oleh kotak hitam yang diterangkan di atas.

Model kotak hitam sedemikian membantu kita memahami bagaimana cahaya yang diserap oleh jasad hitam bertindak apabila berinteraksi dengan atom jirimnya. Di sini adalah penting untuk memahami bahawa cahaya diserap oleh atom, serta-merta dipancarkan olehnya dan diserap oleh atom lain, sekali lagi dipancarkan dan diserap, dan ini akan berlaku sehingga keadaan ketepuan keseimbangan dicapai. Apabila jasad hitam dipanaskan kepada keadaan keseimbangan, keamatan pancaran dan penyerapan sinar di dalam jasad hitam itu menyamai: apabila sejumlah cahaya dengan frekuensi tertentu diserap oleh satu atom, atom lain di suatu tempat di dalamnya secara serentak mengeluarkan jumlah yang sama. cahaya dengan frekuensi yang sama. Oleh itu, jumlah cahaya yang diserap bagi setiap frekuensi di dalam badan hitam kekal sama, walaupun ia diserap dan dipancarkan oleh atom badan yang berbeza.

Sehingga ke tahap ini, tingkah laku badan hitam itu masih agak jelas. Masalah dalam rangka fizik klasik (dengan "klasik" di sini kita maksudkan fizik sebelum kemunculan mekanik kuantum) bermula dengan percubaan untuk mengira tenaga sinaran yang disimpan di dalam badan hitam dalam keadaan keseimbangan. Dan dua perkara segera menjadi jelas:

semakin tinggi frekuensi gelombang sinar, semakin banyak ia terkumpul di dalam badan hitam (iaitu, semakin pendek panjang gelombang bahagian yang dikaji spektrum gelombang sinaran, semakin banyak sinaran bahagian spektrum ini di dalam badan hitam yang klasik teori meramal);
semakin tinggi frekuensi gelombang, semakin banyak tenaga yang dibawa dan, oleh itu, semakin banyak ia disimpan di dalam badan hitam.

Diambil bersama, kedua-dua kesimpulan ini membawa kepada hasil yang tidak dapat difikirkan: tenaga sinaran di dalam badan hitam mestilah tidak terhingga! Ejekan jahat terhadap undang-undang fizik klasik ini telah digelar sebagai malapetaka ultraviolet, kerana sinaran frekuensi tinggi terletak pada bahagian ultraungu spektrum.

Perintah itu telah dipulihkan oleh ahli fizik Jerman Max Planck (lihat pemalar Planck) - dia menunjukkan bahawa masalah itu dihapuskan jika kita menganggap bahawa atom boleh menyerap dan mengeluarkan cahaya hanya dalam bahagian dan hanya pada frekuensi tertentu. (Kemudian, Albert Einstein menyamaratakan idea ini dengan memperkenalkan konsep foton - bahagian sinaran cahaya yang ditakrifkan dengan ketat.) Menurut skema ini, banyak frekuensi sinaran yang diramalkan oleh fizik klasik tidak boleh wujud di dalam jasad hitam, kerana atom tidak boleh sama ada menyerap. atau memancarkannya; Oleh itu, frekuensi ini dikecualikan daripada pertimbangan apabila mengira sinaran keseimbangan di dalam badan hitam. Hanya meninggalkan frekuensi yang boleh diterima, Planck menghalang malapetaka ultraungu dan mengarahkan sains di sepanjang laluan pemahaman sebenar tentang struktur dunia pada peringkat subatom. Di samping itu, dia mengira taburan frekuensi ciri sinaran keseimbangan badan hitam.

Pengedaran ini mendapat kemasyhuran di seluruh dunia beberapa dekad selepas ia diterbitkan oleh Planck sendiri, apabila ahli kosmologi mendapati bahawa latar belakang gelombang mikro kosmik yang mereka temui betul-betul mematuhi pengedaran Planck dari segi ciri spektrumnya dan sepadan dengan sinaran badan hitam sepenuhnya pada suhu. kira-kira tiga darjah di atas sifar mutlak.

Ensiklopedia James Trefil “Sifat sains. 200 undang-undang alam semesta.
James Trefil ialah seorang profesor fizik di Universiti George Mason (AS), salah seorang pengarang Barat yang paling terkenal bagi buku sains popular.

Komen: 0

Salah satu fakta dunia subatomik ialah objeknya - seperti elektron atau foton - sama sekali tidak seperti objek biasa makrokosmos. Mereka berkelakuan tidak seperti zarah, dan tidak seperti gelombang, tetapi seperti pembentukan yang sangat istimewa, menunjukkan kedua-dua gelombang dan sifat korpuskular, bergantung pada keadaan. Ia adalah satu perkara untuk diisytiharkan, dan agak lain untuk menghubungkan bersama-sama gelombang dan aspek korpuskular kelakuan zarah kuantum, menerangkannya dengan persamaan yang tepat. Inilah yang dilakukan dalam nisbah de Broglie.

Dalam kehidupan seharian, terdapat dua cara untuk memindahkan tenaga di angkasa - melalui zarah atau gelombang. Dalam kehidupan seharian, tidak ada percanggahan yang kelihatan antara kedua-dua mekanisme pemindahan tenaga. Jadi, bola keranjang adalah zarah, dan bunyi adalah gelombang, dan semuanya jelas. Walau bagaimanapun, dalam mekanik kuantum, perkara tidak begitu mudah. Walaupun dari eksperimen paling mudah dengan objek kuantum, ia tidak lama lagi menjadi jelas bahawa prinsip dan undang-undang dunia makro yang biasa kepada kita tidak berfungsi dalam mikrokosmos. Cahaya, yang biasa kita anggap sebagai gelombang, kadangkala berkelakuan seolah-olah ia terdiri daripada aliran zarah (foton), dan zarah asas, seperti elektron atau bahkan proton besar, sering mempamerkan sifat gelombang.

Terdapat beberapa jenis sinaran elektromagnet, dari gelombang radio hingga sinar gamma. Sinar elektromagnet semua jenis merambat dalam vakum pada kelajuan cahaya dan berbeza antara satu sama lain hanya dalam panjang gelombangnya.

Sifat dwi gelombang korpuskular bagi zarah kuantum diterangkan oleh persamaan pembezaan.

Max Planck, salah seorang pengasas mekanik kuantum, datang kepada idea kuantisasi tenaga, cuba menerangkan secara teori proses interaksi antara gelombang elektromagnet dan atom yang baru ditemui dan, dengan itu, menyelesaikan masalah sinaran badan hitam. Dia menyedari bahawa untuk menjelaskan spektrum sinaran yang diperhatikan atom, adalah perlu untuk mengambil mudah bahawa atom memancarkan dan menyerap tenaga dalam bahagian (yang saintis dipanggil quanta) dan hanya pada frekuensi gelombang individu.

Perkataan "kuantum" berasal daripada kuantum Latin ("berapa banyak, berapa") dan kuantum Inggeris ("jumlah, bahagian, kuantum"). "Mekanik" telah lama dipanggil sains pergerakan jirim. Sehubungan itu, istilah "mekanik kuantum" bermaksud sains pergerakan jirim dalam bahagian (atau, dalam bahasa saintifik moden, sains gerakan jirim terkuantum). Istilah "kuantum" diperkenalkan oleh ahli fizik Jerman Max Planck untuk menggambarkan interaksi cahaya dengan atom.

Paling penting, Einstein membantah keperluan untuk menerangkan fenomena mikrokosmos dari segi kebarangkalian dan fungsi gelombang, dan bukan dari kedudukan biasa koordinat dan halaju zarah. Itulah yang dia maksudkan dengan "dadu". Beliau menyedari bahawa perihalan pergerakan elektron dari segi kelajuan dan koordinatnya bercanggah dengan prinsip ketidakpastian. Tetapi, Einstein berhujah, mesti ada beberapa pembolehubah atau parameter lain, dengan mengambil kira gambaran mekanikal kuantum dunia mikro akan kembali ke jalan integriti dan determinisme. Maksudnya, dia bertegas, hanya nampaknya Tuhan sedang bermain dadu dengan kita, kerana kita tidak memahami segala-galanya. Oleh itu, beliau adalah orang pertama yang merumuskan hipotesis pembolehubah tersembunyi dalam persamaan mekanik kuantum. Ia terdiri daripada fakta bahawa, sebenarnya, elektron mempunyai koordinat dan kelajuan tetap, seperti bola biliard Newton, dan prinsip ketidakpastian dan pendekatan kebarangkalian untuk definisi mereka dalam rangka mekanik kuantum adalah hasil daripada ketidaklengkapan teori itu sendiri, itulah sebabnya ia tidak membenarkan mereka diketahui secara pasti.define.

Cahaya adalah asas kehidupan di planet kita. Menjawab soalan "Mengapa langit biru?" dan "Mengapa rumput hijau?" anda boleh memberikan jawapan yang jelas - "Terima kasih kepada cahaya." Ini adalah bahagian penting dalam kehidupan kita, tetapi kita masih cuba memahami fenomena cahaya ...

Gelombang adalah salah satu daripada dua cara untuk memindahkan tenaga di angkasa (cara lain ialah korpuskular, dengan bantuan zarah). Gelombang biasanya merambat dalam beberapa medium (contohnya, ombak di permukaan tasik merambat dalam air), tetapi arah pergerakan medium itu sendiri tidak bertepatan dengan arah pergerakan ombak. Bayangkan apungan melantun di atas ombak. Naik dan turun, apungan mengulangi pergerakan air, manakala ombak melewatinya. Gangguan berlaku apabila dua atau lebih gelombang frekuensi yang sama merambat ke arah yang berbeza.

Asas fenomena pembelauan boleh difahami jika kita beralih kepada prinsip Huygens, mengikut mana setiap titik dalam laluan perambatan pancaran cahaya boleh dianggap sebagai sumber bebas gelombang sekunder yang baru, dan corak pembelauan selanjutnya bertukar. disebabkan oleh gangguan gelombang sekunder ini. Apabila gelombang cahaya berinteraksi dengan halangan, sebahagian daripada gelombang Huygens sekunder disekat.