Fizika

Termiskais un melno ķermeņa starojums


Divi svarīgi jēdzieni kvantu fizikā ir termiskais starojums un melnais korpuss. Turpmāk mēs pētīsim katru no tiem.

Termiskais starojums

Jebkura ķermeņa virsma, kas pārsniedz absolūto temperatūru, izstaro elektromagnētisko starojumu. Tā kā šī enerģija ir saistīta ar temperatūru, to sauc termiskais starojums.

Termiskais starojums, ko istabas temperatūrā izstaro istabas temperatūra, ir infrasarkanais, tas ir neredzams starojums. Ja, piemēram, paaugstināsim metāla plāksnes temperatūru līdz 600 ° C, izstarotais starojums joprojām būs infrasarkanais, taču tagad mēs to varēsim “uztvert”, ja rokas pievirzīsim tuvāk plāksnei. Temperatūras paaugstināšana līdz aptuveni 700 ° C ne tikai radīs intensīvu infrasarkano starojumu, bet arī mēs varēsim novērot sarkanīgas gaismas izstarojumu.

Ja metāla plāksnes temperatūra turpina paaugstināties un pieņemot, ka kušanas temperatūra netiek ievērota, mēs novērojam arvien intensīvāku infrasarkano starojumu, un plāksne pakāpeniski mainās no sarkanas uz oranžu, tad uz dzeltenu utt. uz priekšu, mēdz būt balts.

Kad iznāk zila gaisma, sajaucot to ar citām gaismām, mēs jūtam baltu sajūtu, tāpat kā ar kvēlspuldzes apgaismotu kvēldiegu. Ja ķermenim, kas jau ir kļuvis balts, joprojām ir augstāka temperatūra, tam būs tendence iegūt zilganu krāsu. Tāpēc zilās zvaigznes ir karstākās.

Stefana-Boltsmana likums

1879. gadā Stefans empīriski ieguva vienādojumu, ko Boltzmans matemātiski pierādīja 1884. gadā. Izteiksme ir šāda:

(Stefan-Boltzmann likums)

Kur:

Katls = kopējā jauda, ​​ko izstaro no ķermeņa ārējās virsmas absolūtā temperatūrā T;

e = ķermeņa emisijas spēja vai emisijas jauda atkarībā no emitējošās virsmas rakstura un var pieņemt vērtības no 0 līdz 1 (lielums bez izmēra);

σ = Boltsmana konstante, kuras vērtība ir σ = 5,67x10-8 W / m2K4;

A = izstarojošās virsmas laukums.

Ir svarīgi norādīt, ka saskaņā ar Stefana-Boltzmana likumu izstarotā jauda ir atkarīga no ķermeņa absolūtās virsmas temperatūras ceturtajā jaudā, tādējādi tā ir noteicošais faktors vienādojumā.

Stefana-Boltsmana likumu var izteikt arī šādi:

Kur Es ir ķermeņa izstarotā kopējā siltuma starojuma intensitāte, ti, kopējais izstarotās enerģijas daudzums uz laika vienību un uz ķermeņa ārējās virsmas laukuma vienību.

Saskaņā ar klasisko elektromagnētisko teoriju termisko izstarojumu izstaro elektriskie lādiņi no ķermeņa, svārstoties dažādās frekvencēs pie virsmas termiskās uzbudinājuma dēļ. Tādējādi starojumu izstaro nepārtrauktā frekvenču diapazonā, tas ir, nepārtrauktā spektrā:

Saskaņā ar klasisko fiziku, kad ķermenim mirdz siltuma starojums, elektriskie lādiņi netālu no ķermeņa virsmas tiek uzbudināti, tā ka daļa absorbējošās enerģijas ķermenī to absorbē. 1859. gadā Gustavs Kiršhofs saprata, ka ķermeņa absorbcijas jauda ir vienāda ar tā emisijas jaudu. Matemātiski:

Tāpēc labs ķermenis, kas absorbē siltuma starojumu (slikts atstarotājs), arī ir labs izstarotājs. Tāpat slikts absorbētājs (labs atstarotājs) ir arī slikts izstarotājs.