Sažetak: Apsolutno crno tijelo.
Apsolutno crno tijelo se naziva takvim jer apsorbira svo zračenje koje pada na njega (ili bolje rečeno, u njega) kako u vidljivom spektru tako i izvan njega. Ali ako se tijelo ne zagrije, energija se ponovo zrači natrag. Ovo zračenje koje emituje potpuno crno tijelo je od posebnog interesa. Prvi pokušaji proučavanja njegovih svojstava učinjeni su još prije pojave samog modela.
Početkom 19. stoljeća, John Leslie je eksperimentirao s razne supstance. Kako se ispostavilo, crna čađ ne samo da apsorbira svu vidljivu svjetlost koja pada na nju. Zračio je u infracrvenom opsegu mnogo jače od drugih, lakših supstanci. Radilo se o toplotnom zračenju, koje se od svih ostalih vrsta razlikuje po nekoliko svojstava. Zračenje apsolutno crnog tijela je ravnotežno, homogeno, javlja se bez prijenosa energije i ovisi samo o
Pri dovoljno visokoj temperaturi objekta postaje vidljivo toplinsko zračenje, a tada bilo koje tijelo, uključujući apsolutno crno, dobiva boju.
Takav jedinstveni predmet koji zrači izuzetno izvjesnim nije mogao ne privući pažnju. Budući da je riječ o toplinskom zračenju, prve formule i teorije o tome kako bi spektar trebao izgledati su predložene u okviru termodinamike. Klasična termodinamika je mogla odrediti koliko bi trebalo biti maksimalno zračenje na datoj temperaturi, u kojem smjeru i koliko će se ono pomjeriti kada se zagrije i ohladi. Međutim, nije bilo moguće predvidjeti kakva je raspodjela energije u spektru crnog tijela na svim talasnim dužinama, a posebno u ultraljubičastom opsegu.
Prema klasičnoj termodinamici, energija se može emitovati u bilo kojim dijelovima, uključujući proizvoljno male. Ali da bi apsolutno crno tijelo zračilo na kratkim talasnim dužinama, energija nekih njegovih čestica mora biti veoma velika, au području ultrakratkih talasa išla bi u beskonačnost. U stvarnosti, to je nemoguće, beskonačnost se pojavila u jednadžbama i dobila ime. Samo ta energija može biti emitovana u diskretnim porcijama - kvanti - pomogla je da se riješi problem. Današnje jednadžbe termodinamike su posebni slučajevi jednačina
U početku je potpuno crno tijelo bilo predstavljeno kao šupljina s uskim otvorom. Zračenje izvana ulazi u takvu šupljinu i apsorbira se od zidova. U ovom slučaju, spektar zračenja od ulaza u pećinu, otvora bunara, prozora u mračnu prostoriju po sunčanom danu itd. sličan je spektru zračenja koji bi trebalo da ima apsolutno crno tijelo. Ali najviše od svega, spektri svemira i zvijezda, uključujući Sunce, poklapaju se s njim.
Sa sigurnošću se može reći da što je više čestica različite energije u objektu, to će njegovo zračenje jače nalikovati crnom tijelu. Kriva raspodjele energije u spektru crnog tijela odražava statističke obrasce u sistemu ovih čestica, s jedinom korekcijom da je energija koja se prenosi tokom interakcija diskretna.
33. Toplotno zračenje. Emisioni spektri crnog tijela na različitim temperaturama. Zakoni toplotnog zračenja (Kirchhoff, Wien i Boltzmann). Plankova formula.
TOPLOTNO ZRAČENJE TELA
Emisija elektromagnetnih talasa od strane supstance nastaje usled unutaratomskih i intramolekularnih procesa.Izvori energije pa samim tim i vrsta sjaja mogu biti različiti: TV ekran, fluorescentna lampa, lampa sa žarnom niti, trulo drvo, krijesnica itd. Od svih raznovrsnih elektromagnetnih zračenja, vidljivih ili nevidljivih ljudskom oku, može se izdvojiti jedno, koje je svojstveno svim tijelima, a to je zračenje zagrijanih tijela, odnosno toplotno zračenje. Javlja se na bilo kojoj temperaturi iznad 0 K, stoga ga emituju sva tijela. U zavisnosti od telesne temperature, intenzitet zračenja i spektralni sastav se menjaju, stoga se toplotno zračenje oko ne percipira uvek kao sjaj.
KARAKTERISTIKE TOPLOTNOG ZRAČENJA. BLACK BODY
Prosečna snaga zračenja tokom vremena mnogo dužeg od perioda svetlosnih oscilacija uzima se kao fluks zračenja F. U SI sistemu se izražava u vatima (W).
Tok zračenja koji emituje 1 m 2 površine naziva se energetska luminoznost Re. Izražava se u vatima po kvadratnom metru (W/m2).
Zagrijano tijelo emituje elektromagnetne talase različitih talasnih dužina. Odredimo mali interval talasnih dužina od גּ do גּ + dגּ. Energetska luminoznost koja odgovara ovom intervalu proporcionalna je širini intervala:
gdje je r spektralna gustina energetske luminoznosti
tijelo, jednako omjeru energetske svjetlosti uskog dijela spektra i širine ovog dijela, W / m 3.
Zavisnost spektralne gustine energetske luminoznosti o talasnoj dužini naziva se spektar zračenja tela.
Nakon integracije, dobijamo izraz za energetsku luminoznost tijela:
Sposobnost tijela da apsorbira energiju zračenja karakterizira koeficijent apsorpcije jednak omjeru fluksa zračenja koji apsorbira dato tijelo i fluksa zračenja koji je pao na njega: \u003d F apsorbira / F pad
Pošto koeficijent apsorpcije zavisi od talasne dužine, onda se (27.3) piše za fluksove monohromatskog zračenja, a onda ovaj odnos monohromatski određuje koeficijent apsorpcije: a גּ = F absorb(גּ) / F pad(גּ) .
Iz toga proizilazi da koeficijenti apsorpcije mogu imati vrijednosti od 0 do 1. Crna tijela posebno dobro apsorbiraju zračenje: crni papir, tkanine, somot, čađ, platinasta crna itd.; slabo upijaju tijela s bijelom površinom i ogledalima.
Tijelo čiji je koeficijent apsorpcije jednak jedinici za sve frekvencije naziva se crno. Apsorbuje svu radijaciju koja pada na njega. U prirodi nema crnih tijela, ovaj koncept je fizička apstrakcija. Model crnog tijela je mala rupa u zatvorenoj neprozirnoj šupljini. Zraka koja je pala u ovu rupu, koja se više puta reflektuje od zidova, biće skoro potpuno apsorbovana. U budućnosti ćemo upravo ovaj model uzeti za crno tijelo. Tijelo čiji je koeficijent apsorpcije manji od jedinice i ne ovisi o talasnoj dužini svjetlosti koja pada na njega naziva se sivo.
U prirodi nema sivih tijela, međutim, neka tijela emituju i apsorbiraju kao siva u određenom rasponu valnih dužina. Tako se, na primjer, ljudsko tijelo ponekad smatra sivim, s koeficijentom apsorpcije od približno 0,9 za infracrveno područje spektra.
KIRCHHOFFOV ZAKON
Postoji određena veza između spektralne gustine energetske luminoznosti i monohromatskog koeficijenta apsorpcije tela, što se može objasniti sledećim primerom.
U zatvorenoj adijabatskoj ljusci nalaze se dva različita tijela u termodinamičkoj ravnoteži, a njihove temperature su iste. Kako se stanje tijela ne mijenja, svako od njih zrači i upija istu energiju. Spektar zračenja svakog tijela mora se podudarati sa spektrom elektromagnetnih valova koje apsorbira, inače bi termodinamička ravnoteža bila narušena. To znači da ako jedno od tijela emituje bilo koje valove, na primjer, crvene, više od drugog, onda mora apsorbirati više njih.
Kvantitativni odnos između zračenja i apsorpcije ustanovio je G. Kirchhoff 1859. godine: na istoj temperaturi, omjer spektralne gustine energetske luminoznosti prema monohromatskom koeficijentu apsorpcije je isti za sva tijela, uključujući crna tijela (Kirchhoffov zakon).
Koristeći Kirchhoffov zakon i poznavajući iz eksperimenta spektar crnog tijela i ovisnost koeficijenta monokromatske apsorpcije tijela o talasnoj dužini, može se pronaći emisioni spektar tijela r גּ = f(גּ).
ZAKONI ZRAČENJA CRNOG TIJELA
Zračenje crnog tijela ima kontinuirani spektar. Grafikoni spektra emisije za različite temperature prikazani su na sl. Postoji maksimalna spektralna gustina luminoznosti energije, koja se pomera prema kratkim talasima sa porastom temperature.
U klasičnoj fizici, emisija i apsorpcija zračenja od strane tijela smatrana je kontinuiranim procesom. Planck je došao do petog zaključka da upravo ove osnovne odredbe ne dozvoljavaju dobijanje ispravne zavisnosti. Izneo je hipotezu iz koje je sledilo da crno telo zrači i apsorbuje energiju ne neprekidno, već u određenim diskretnim delovima - kvantima.
Stefan-Boltzmannov zakon: energetska luminoznost crnog tijela proporcionalna je četvrtom stepenu njegove termodinamičke temperature. Vrijednost a naziva se Stefan-Boltzmannova konstanta. Stefan-Boltzmannov zakon se može kvalitativno ilustrovati različita tijela(peć, električni šporet, metalni blank itd.): kako se zagrevaju, oseća se sve intenzivnije zračenje.
Odavde nalazimo Bečki zakon pomeranja: גּ m ah =b/T, gdje je גּ m ah - talasna dužina s, koji obračunava maksimalnu spektralnu gustinu energetske luminoznosti crnog tijela; b = = 0, 28978 * 10 -2 m-K - Wienova konstanta. Ovaj zakon važi i za siva tela.
Manifestacija Bečkog zakona poznata je iz svakodnevnih zapažanja. Na sobnoj temperaturi, toplotno zračenje tijela je uglavnom u infracrvenom području i ljudsko oko ga ne opaža. Ako temperatura poraste, tada tijela počinju svijetliti tamnocrvenom svjetlošću, a na vrlo visokoj temperaturi - bijeloj s plavičastom nijansom, povećava se osjećaj zagrijavanja tijela.
Stefan-Boltzmann i Wien zakon dozvoljavaju, merenjem zračenja tela, da se odrede njihove temperature (optička pirometrija).
Polarizacija svjetlosti je proces uređenja oscilacija vektora intenziteta električno polje svjetlosni val kada svjetlost prolazi kroz neke tvari (tokom prelamanja) ili kada se svjetlosni tok reflektira. Postoji nekoliko načina za proizvodnju polarizirane svjetlosti.
1) Polarizacija sa polaroidima. Polaroidi su celuloidni filmovi presvučeni vrlo tankim slojem kristala kinina sumporne kiseline. Upotreba polaroida je trenutno najčešći način polarizacije svjetlosti.
2) Polarizacija kroz refleksiju. Ako prirodni snop svjetlosti padne na crnu uglačanu površinu, tada je reflektirani snop djelomično polariziran. Kao polarizator i analizator može se koristiti ogledalo ili prilično dobro uglačano obično prozorsko staklo, pocrnjeno s jedne strane asfaltnim lakom.
Stepen polarizacije je veći, što se pravilnije održava upadni ugao. Za staklo, upadni ugao je 57°.
3) Polarizacija putem refrakcije. Svjetlosni snop se polarizira ne samo pri refleksiji, već i pri prelamanju. U ovom slučaju, kao polarizator i analizator koristi se snop od 10-15 tankih staklenih ploča naslaganih zajedno, smještenih pod uglom od 57 ° u odnosu na svjetlosne zrake koje upadaju na njih.
Veleprodaja I pravni akt I vidljivost, sposobnost medija da izazove rotaciju ravni polarizacije optičkog zračenja (svjetlosti) koje prolazi kroz njega.
ugao j rotacije ravni polarizacije zavisi linearno od debljine l sloj aktivne supstance (ili njen rastvor) i koncentracija With ova supstanca - j = [a] lc(koeficijent [a] se naziva specifični O. a.); 2) rotacija u ovoj sredini se dešava ili u smeru kazaljke na satu (j > 0) ili u odnosu na njega (j< 0), если смотреть навстречу ходу лучей света
43. Russ e Sv. e ta, promjena karakteristika toka optičkog zračenja (svjetlosti) tokom njegove interakcije sa materijom. Ove karakteristike mogu biti prostorna distribucija intenziteta, frekvencijski spektar, polarizacija svjetlosti. Često R. s. naziva se samo promjena smjera širenja svjetlosti zbog prostorne nehomogenosti medija, koja se percipira kao nepravilan sjaj sredine.
RASPIRANJE, recipročna udaljenost na kojoj je fluks zračenja koji formira paralelni svjetlosni snop oslabljen kao rezultat rasipanje u okruženju za 10 puta ili e puta.
Rel e ja sam Zach O n, kaže da je intenzitet I svjetlosti raspršene u mediju obrnuto je proporcionalna 4. stepenu valne dužine l upadne svjetlosti ( I~ l -4) u slučaju kada se medij sastoji od dielektričnih čestica čije su dimenzije mnogo manje od l . Rass ~1/ 4
44. apsorbirati e St. St. e ta, smanjenje intenziteta optičkog zračenja (svjetlosti) koje prolazi kroz materijalni medij zbog procesa njegove interakcije sa sredinom. Svetlosna energija kod P. sa. ulazi u razne forme unutrašnja energija medija ili optičko zračenje kompozicije; može se potpuno ili djelomično ponovo emitovati iz medija na frekvencijama različitim od frekvencije apsorbiranog zračenja.
Bouguerov zakon.Fizičko značenje je da proces gubitka snopa fotona u mediju ne zavisi od njihove gustine u svetlosnom snopu, tj. na intenzitet svjetlosti i na polovinu I.
I=I 0 exp( l ); l je talasna dužina, λ je indeks apsorpcije, I 0 je intenzitet upijajućeg snopa.
Bug e ra - L A mberta - B e razak O n, određuje postepeno slabljenje paralelnog monokromatskog (jednobojnog) snopa svjetlosti dok se širi u apsorbirajućoj tvari. Ako snaga zraka ulazi u sloj materije sa debljinom l, je jednako I o , dakle, prema B.-L.-B. h., snaga snopa na izlazu iz sloja
I(l)= I o e- c cl,
gdje je c specifični indeks apsorpcije svjetlosti, izračunat po jedinici koncentracije With tvar koja određuje apsorpciju;
Stopa apsorpcije (kl), recipročna udaljenost na kojoj je monokromatski fluks zračenja frekvencija n, formirajući paralelni snop, je oslabljena zbog apsorpcije u tvari u e puta ili 10 puta. mjereno u cm -1 ili m -1 . U spektroskopiji i nekim drugim granama primijenjene optike, termin "P. p." tradicionalno se koristi za označavanje koeficijenta apsorpcije.
Brzina molarne apsorpcije
Transmitantnost je omjer fluksa zračenja koji je prošao kroz medij i fluksa koji je pao na njegovu površinu. t = F/F 0
Optička gustina - mjera neprozirnosti sloja materije za svjetlosne zrake D = lg (-F 0 / F)
Transparentnost okruženja je omjer veličine toka zračenja koji je prošao bez promjene smjera kroz sloj medija jedinične debljine i veličine upadnog fluksa (odnosno, bez uzimanja u obzir efekata raspršenja i utjecaja na sučelje).
45. Toplotno zračenje- elektromagnetno zračenje sa kontinuiranim spektrom koje emituju zagrejana tela zbog svoje toplotne energije.
Apsolutno crno tijelo - fizička idealizacija koja se koristi u termodinamici, tijelo koje apsorbira svo elektromagnetno zračenje koje pada na njega u svim rasponima i ne odražava ništa. Unatoč imenu, samo crno tijelo može emitirati elektromagnetno zračenje bilo koje frekvencije i vizualno imati boju. Spektar zračenja crnog tijela određen je samo njegovom temperaturom.
sivo tijelo- ovo je tijelo čiji koeficijent apsorpcije ne zavisi od frekvencije, već zavisi samo od temperature
Za sivo tijelo
GREY BODY- tijelo, koeficijent apsorpcije to-rogo manji od 1 i ne zavisi od talasne dužine zračenja i abs. temp. T. Coef. apsorpcija (koje se naziva i koeficijent crnila S. t.) svih stvarnih tijela ovisi o (selektivnoj apsorpciji) i T, pa se mogu smatrati sivim samo u intervalima i T, gdje je koeficijent cca. konstantan. U vidljivom dijelu spektra, svojstva S. t. ugalj(= 0,80 na 400-900 K), čađ (= 0,94-0,96 na 370-470 K); crne platine i bizmuta apsorbuju i zrače kao S. t. u najširem rasponu - od vidljivo svetlo do 25-30 mikrona (= 0,93-0,99).
Osnovni zakoni zračenja:
Stefan-Boltzmannov zakon- zakon zračenja potpuno crnog tijela. Određuje ovisnost snage zračenja apsolutno crnog tijela o njegovoj temperaturi. Tekst zakona:
gdje je stepen crnila (za sve supstance, za potpuno crno tijelo). Koristeći Planckov zakon za zračenje, konstanta σ se može definirati kao
gdje je Plankova konstanta, k je Boltzmannova konstanta, c je brzina svjetlosti.
Numerička vrijednost J s −1 m −2 K −4 .
Kirchhoffov zakon zračenja je fizički zakon koji je ustanovio njemački fizičar Kirchhoff 1859. godine.
Sadašnja formulacija zakona glasi:
Omjer emisivnosti bilo kojeg tijela i njegovog apsorpcionog kapaciteta je isti za sva tijela na datoj temperaturi za datu frekvenciju i ne ovisi o njihovom obliku i kemijskoj prirodi.
Poznato je da prilikom pada elektromagnetno zračenje na određenom tijelu dio se reflektira, dio apsorbira, a dio se može prenijeti. Udio apsorbiranog zračenja na datoj frekvenciji naziva se kapacitet apsorpcije tijelo . S druge strane, svako zagrijano tijelo zrači energiju prema određenom zakonu, tzv emisivnosti tela.
Vrijednosti i mogu jako varirati pri kretanju s jednog tijela na drugo, međutim, prema Kirchhoffovom zakonu zračenja, omjer emisionih i apsorbirajućih sposobnosti ne ovisi o prirodi tijela i iznosi univerzalna funkcija frekvencija (talasna dužina) i temperatura:
Talasna dužina na kojoj je energija zračenja crnog tijela najveća je određena pomoću Bečki zakon pomeranja:
Gdje T je temperatura u kelvinima, a λ max je talasna dužina maksimalnog intenziteta u metrima.
Karakteristike toplotnog zračenja
Tijela zagrijana na 424e43ie, kao na visokim temperaturama, sijaju. Sjaj tijela zbog zagrijavanja naziva se toplotno (temperaturno) zračenje. Toplotno zračenje, koje je najčešće u prirodi, nastaje usled energije toplotnog kretanja atoma i molekula materije (tj. zbog njene unutrašnje energije) i karakteristično je za sva tela na temperaturama iznad 0 K. kontinuiranim spektrom, čiji položaj maksimuma zavisi od temperature. At visoke temperature emituju se kratki (vidljivi i ultraljubičasti) elektromagnetski talasi, na niskim ≈ pretežno dugim (infracrveni).
Toplotno zračenje je praktično jedina vrsta zračenja koja može biti ravnoteža. Pretpostavimo da je zagrijano (zračeće) tijelo smješteno u šupljinu ograničenu idealno reflektirajućom ljuskom. Tokom vremena, kao rezultat kontinuirane razmjene energije između tijela i zračenja, doći će do ravnoteže, tj. tijelo će u jedinici vremena apsorbirati onoliko energije koliko zrači. Pretpostavimo da je ravnoteža između tijela i zračenja iz nekog razloga poremećena i tijelo zrači više energije nego što apsorbira. Ako u jedinici vremena tijelo zrači više nego što apsorbira (ili obrnuto), tada će tjelesna temperatura početi da se smanjuje (ili povećava). Kao rezultat toga, količina energije koju tijelo zrači će biti oslabljena (ili starost 424e43ie ;t), sve dok se, konačno, ne uspostavi ravnoteža. Sve ostale vrste zračenja su neravnotežne.
Kvantitativna karakteristika toplotnog zračenja je spektralna gustina energetske luminoznosti (sjajnosti) tijela≈ snaga zračenja po jedinici površine tijela u frekvencijskom rasponu jedinične širine:
gdje d ≈ energija elektromagnetnog zračenja emitovanog u jedinici vremena (snaga zračenja) po jedinici površine tela u frekvencijskom opsegu od n prije n+d n.
Jedinica spektralne gustine energetske luminoznosti ( Rn,T) ≈džula po kvadratnom metru(J/m 2).
Napisana formula se može predstaviti 424e43ie kao funkcija talasne dužine:
Jer c=ln, To
pri čemu znak minus označava da je od 424e43ie godine ;jedna od količina ( n ili l) druga vrijednost se smanjuje. Prema tome, u nastavku će znak minus biti izostavljen. dakle,
Koristeći formulu (197.1), može se ići od Rn,T ═ To Rl,T i obrnuto.
Znajući spektralna gustina energetski luminozitet, možete izračunati integralna energetska luminoznost (integralni sjaj)(jednostavno se zove energetska luminoznost tijela), zbrojena po svim frekvencijama:
Sposobnost tijela da apsorbiraju zračenje koje na njih pada, karakterizira spektralna apsorbancija
pokazujući koji dio energije donese u jedinici vremena po jedinici površine tijela padom na nju elektromagnetnih talasa sa frekvencijom╜mi od n prije n+d n se apsorbuje u tijelu. Spektralna apsorbancija je bezdimenzionalna veličina. Količine Rn,T═i A n,T zavise od prirode tijela, njegove termodinamičke temperature, a istovremeno se razlikuju za zračenja različitih frekvencija. Stoga su ove vrijednosti klasificirane kao T I n(tačnije, na dovoljno 424e43ie; tačno uzak frekvencijski interval od n prije n+d n).
Tijelo koje je sposobno potpuno apsorbirati na bilo kojoj temperaturi sve zračenje bilo koje frekvencije koje pada na njega naziva se crno. Stoga je spektralna apsorbancija crnog tijela za sve frekvencije i temperature identično jednaka jedinici ( ). U prirodi nema apsolutno crnih tijela, međutim, tijela kao što su čađ, platinasta crna, crni baršun i neka druga, u određenom frekvencijskom rasponu, bliska su im po svojim svojstvima.
Idealan model crnog tijela je zatvorena šupljina s malom rupom O, unutrašnja površina koja je zacrnjena (sl. 286). Snop svjetlosti koji ulazi u takvu šupljinu doživljava višestruke refleksije od zidova, zbog čega se pokazuje da je intenzitet emitiranog zračenja praktički jednak nuli. Iskustvo pokazuje da kada je veličina rupe manja od 0,1 prečnika šupljine, upadno zračenje svih frekvencija se potpuno apsorbuje. Shodno tome otvoreni prozori kuće sa strane ulice izgledaju crne, iako je unutar prostorija prilično svijetlo zbog refleksije svjetlosti sa zidova.
Uz koncept crnog tijela koristi se i koncept sivo tijelo≈ tijela čija je apsorpcija manja od jedinice, ali je ista za sve frekvencije i zavisi samo od temperature, materijala i stanja površine tijela. Dakle, za sivo tijelo = A T= konst Proučavanje toplotnog zračenja odigralo je važnu ulogu u stvaranju kvantne teorije svjetlosti, pa je potrebno razmotriti zakone kojima se ono pokorava. Energetska svjetlost tijelaR T, numerički jednak energiji W koje telo zrači u čitavom opsegu talasnih dužina (0<<)
po jedinici tjelesne površine, po jedinici vremena, na tjelesnoj temperaturi T, tj. Emisivnost telar ,T brojčano jednak energiji tijela dW koje tijelo zrači iz jedinice tjelesne površine, u jedinici vremena na tjelesnoj temperaturi T, u rasponu talasnih dužina od do +d, one. Ova vrijednost se naziva i spektralna gustina energetske luminoznosti tijela. Energetski sjaj je povezan sa emisivnošću po formuli upijanje tijelo , T- broj koji pokazuje koliki dio energije zračenja koje pada na površinu tijela apsorbira u rasponu valnih dužina od do +d, one. Tijelo za koje je ,T=1 preko čitavog opsega talasnih dužina, naziva se crno telo (crno telo). Tijelo za koje je ,T=konst<1
preko čitavog opsega talasnih dužina naziva se sivo. 46. Specijalni fizički instrumenti koji se nazivaju aktinometri mogu mjeriti količinu sunčeve energije primljene na zemljinu površinu po jedinici površine u jedinici vremena. Prije sunčeve zrake i stignu do površine Zemlje i padnu u aktinometar, moraju proći kroz cijelu debljinu naše atmosfere, uslijed čega će dio energije apsorbirati atmosfera. Veličina ove apsorpcije uvelike varira u zavisnosti od stanja atmosfere, tako da je količina sunčeve energije primljena na Zemljinu površinu u različito vreme veoma različita. Solarna konstanta je količina energije koju primi jedan kvadratni centimetar površine izložene na granici Zemljine atmosfere okomito na sunčeve zrake, u jednoj minuti u malim kalorijama. Iz velikog broja aktinometrijskih osmatranja mnogih geofizičkih opservatorija dobijena je sljedeća vrijednost za solarnu konstantu: A = 1,94 cal/cm2 min. Na 1 kvadratni metar površine lokacije okrenute prema Suncu u blizini Zemlje ulazi 1400 J energije koju prenosi solarno elektromagnetno zračenje u sekundi. Ova vrijednost se naziva solarna konstanta. Drugim riječima, gustina energetskog fluksa sunčevog zračenja je 1,4 kW/m 2 . SOLARNI SPEKTAR - distribucija energije elektromagnetnog zračenja Sunca u opsegu talasnih dužina od nekoliko frakcija nm (gama zračenje) do metarskih radio talasa. U vidljivom području, solarni spektar je blizak spektru apsolutno crnog tijela na temperaturi od oko 5800 K; ima energetski maksimum u području od 430-500 nm. Sunčev spektar je kontinuirani spektar, na koji je superponirano više od 20 hiljada apsorpcionih linija (Fraunhoferovih linija) različitih hemijskih elemenata. actin O metar- uređaj za mjerenje intenziteta direktnog sunčevog zračenja. Princip rada A. zasniva se na apsorpciji upadnog zračenja od strane pocrnjele površine i pretvaranju njene energije u toplotu. A. je relativan uređaj, jer. intenzitet zračenja se prosuđuje raznim pojavama koje prate zagrijavanje, za razliku od pirheliometara - apsolutnih instrumenata. Na primjer, princip rada Michelsonovog aktinometra temelji se na zagrijavanju bimetalne ploče pocrnjene čađom od sunčevih zraka. 1
, presovano od gvožđa i invara.Pri zagrevanju gvožđe se izdužuje, a invar skoro da ne doživljava termičko širenje, pa se ploča savija. Veličina krivine služi kao mjera intenziteta sunčevog zračenja. Pomoću mikroskopa se posmatra kretanje kvarcne niti ,
nalazi se na kraju ploče. Odjel za obrazovanje Kirovskog okruga. Ministarstvo opšteg i srednjeg obrazovanja Opštinska obrazovna ustanova br.204 "elitna škola" Smjer naučno-tehnički. Predmet fizike. Potpuno crno tijelo Umetnik: učenik 11. razreda Maksim Karpov Rukovodilac: Bondina Marina Yurievna Jekaterinburg 2007 Uvod str.2 Teorija crnog tijela stranica 5 Praktični dio str.15 Zaključak str.17 Literatura str.18 Uvod Krajem XIX veka. mnogi naučnici su vjerovali da je razvoj fizike završen iz sljedećih razloga: 1. Više od 200 godina postoje zakoni mehanike, teorija univerzalne gravitacije, zakoni održanja (energija, impuls, impuls, masa i električni naboj). 2. MKT je razvijen. 3. Postavljena je čvrsta osnova za termodinamiku. 4. Formulisana je Maksvelova teorija elektromagnetizma. 5. Relativistički zakon održanja energije - mase. Krajem XIX - početkom XX veka. otkrio V. Roentgen - X-zrake (X-zrake), A. Becquerel - fenomen radioaktivnosti, J. Thomson - elektron. Međutim, klasična fizika nije uspjela da objasni ove pojave. A. Einsteinova teorija relativnosti zahtijevala je radikalnu reviziju koncepta prostora i vremena. Posebni eksperimenti potvrdili su valjanost hipoteze J. Maxwella o elektromagnetnoj prirodi svjetlosti. Moglo bi se pretpostaviti da je zračenje elektromagnetnih valova zagrijanih tijela posljedica oscilatornog kretanja elektrona. Ali ova pretpostavka je morala biti potvrđena poređenjem teorijskih i eksperimentalnih podataka. Za teorijsko razmatranje zakona zračenja korišten je model potpuno crnog tijela, tj. tijelo koje u potpunosti apsorbira elektromagnetne valove bilo koje dužine i, shodno tome, zrači sve valne dužine elektromagnetnih valova. Sa fenomenom apsorpcije energije od strane tijela sam se susreo pri povratku kući jedne jesenje večeri. Te večeri je bilo vlažno i jedva sam mogao vidjeti put kojim sam hodao. A kada je nedelju dana kasnije pao sneg, put je bio jasno vidljiv. Tako sam se prvi put susreo sa fenomenom potpuno crnog tijela, tijela koje ne postoji u prirodi, i zanimalo me. A kako sam dugo tražio materijal koji me zanima, skupljajući ga dio po dio, odlučio sam da napišem istraživački rad u kojem će sve to biti povezano i poređano u logičan red. Također, radi lakšeg sagledavanja teorijskog dijela, naveo sam praktične primjere eksperimenata na kojima možete uočiti gore navedeni fenomen. Proučavajući materijale o pitanju refleksije i apsorpcije svjetlosne energije, pretpostavio sam da je potpuno crno tijelo tijelo koje apsorbira svu energiju. Međutim, da li je to moguće u praksi? Mislim da ovo pitanje nije samo meni zanimljivo. Stoga je svrha mog rada da dokažem da je zračenje elektromagnetnih valova zagrijanih tijela posljedica oscilatornog kretanja elektrona. Ali ovaj problem je relevantan jer se o njemu ne piše u našim udžbenicima, u nekoliko priručnika možete pročitati o potpuno crnom tijelu. Da bih to uradio, postavio sam sebi nekoliko zadataka: pronaći što više informacija o ovom pitanju; proučavati teoriju potpuno crnog tijela; empirijski potvrditi teorijske koncepte i fenomene date u apstraktu; Sažetak se sastoji od sljedećih dijelova: uvod; teorija crnog tijela; praktični dio; zaključak. teorija crnog tela 1. Istorija proučavanja problematike. Klasična fizika nije mogla dobiti razumnu formulu za spektralnu gustoću (ova formula se lako provjerava: potpuno crno tijelo je peć, postavljen je spektrometar, zračenje se odvija u spektru, a za svaki opseg spektra može se pronaći energija u ovom intervalu talasnih dužina). Klasična fizika ne samo da je mogla dati ispravnu vrijednost funkcije, nije mogla dati čak ni razumnu vrijednost, naime, pokazalo se da ova funkcija raste sa smanjenjem talasne dužine, a to je jednostavno besmisleno, to znači da bilo koje tijelo u vidljivom području zrači, a na niskim frekvencijama još više, a ukupna energija zračenja teži beskonačnosti. To znači da u prirodi postoje pojave koje se ne mogu opisati zakonima klasične fizike. Krajem 19. stoljeća otkriven je neuspjeh pokušaja da se stvori teorija zračenja crnog tijela zasnovana na zakonima klasične fizike. Iz zakona klasične fizike proizlazilo je da supstanca treba da emituje elektromagnetne talase na bilo kojoj temperaturi, gubi energiju i snižava temperaturu na apsolutnu nulu. Drugim riječima. termička ravnoteža između materije i zračenja bila je nemoguća. Ali to je bilo u suprotnosti sa svakodnevnim iskustvom. Ovo se može detaljnije objasniti na sljedeći način. Postoji koncept potpuno crnog tijela - tijela koje apsorbira elektromagnetno zračenje bilo koje valne dužine. Njegov emisioni spektar je određen njegovom temperaturom. U prirodi nema apsolutno crnih tijela. Potpuno crno tijelo najpreciznije odgovara zatvorenom neprozirnom šupljem tijelu s rupom. Bilo koji komad materije svijetli kada se zagrije, a s daljnjim povećanjem temperature postaje prvo crven, a zatim bijeli. Boja tvari gotovo ne ovisi, za potpuno crno tijelo određena je isključivo njegovom temperaturom. Zamislite tako zatvorenu šupljinu, koja se održava na konstantnoj temperaturi i koja sadrži materijalna tijela sposobna da emituju i apsorbuju zračenje. Ako se temperatura ovih tijela u početnom trenutku razlikovala od temperature šupljine, onda će tokom vremena sistem (šupljina plus tijela) težiti termodinamičkoj ravnoteži, koju karakteriše ravnoteža između apsorbirane i izmjerene energije u jedinici vremena G. Kirchhoff je ustanovio da ovo stanje ravnoteže karakteriše određena spektralna distribucija gustine energije zračenja sadržane u šupljini, kao i da funkcija koja određuje spektralnu distribuciju (Kirchhoffova funkcija) zavisi od temperature šupljine i da li ne zavisi ni od veličine šupljine ni njenog oblika, niti od svojstava materijalnih tela smeštenih u njoj. Kako je Kirchhoffova funkcija univerzalna, tj. je isto za svako crno tijelo, onda se pojavila pretpostavka da je njegov oblik određen nekim odredbama termodinamike i elektrodinamike. Međutim, pokušaji ove vrste pokazali su se neodrživim. Iz zakona D. Rayleigha proizilazilo je da spektralna gustina energije zračenja treba monotono da raste sa povećanjem frekvencije, ali eksperiment je pokazao suprotno: u početku se spektralna gustina povećavala sa povećanjem frekvencije, a zatim opadala. Rješavanje problema zračenja crnog tijela zahtijevalo je fundamentalno novi pristup. Pronašao ga je M.Planck. Planck je 1900. godine formulirao postulat prema kojem supstanca može emitovati energiju zračenja samo u konačnim dijelovima proporcionalnim frekvenciji tog zračenja. Ovaj koncept je doveo do promjene tradicionalnih odredbi koje su u osnovi klasične fizike. Postojanje diskretne akcije ukazuje na vezu između lokalizacije objekta u prostoru i vremenu i njegovog dinamičkog stanja. L. de Broglie je naglasio da „sa stanovišta klasične fizike ova veza izgleda potpuno neobjašnjiva i mnogo neshvatljivija po posljedicama do kojih vodi od veze između prostornih varijabli i vremena, uspostavljene teorijom relativnosti. Kvantni koncept u razvoju fizike bio je predodređen da odigra ogromnu ulogu. Dakle, pronađen je novi pristup za objašnjenje prirode crnog tijela (u obliku kvantnog koncepta). 2. Kapacitet apsorpcije tijela. Da bismo opisali proces apsorpcije zračenja od strane tijela, uvodimo spektralnu apsorpciju tijela. Da bismo to učinili, nakon što smo izdvojili uski frekvencijski interval od do , razmatramo tok zračenja koji pada na površinu tijela. Ako u ovom slučaju tijelo apsorbira dio tog toka, tada se apsorpcijski kapacitet tijela na frekvenciji definira kao bezdimenzionalna veličina koji karakteriše udio frekvencijskog zračenja koje pada na tijelo, a koje tijelo apsorbira. Iskustvo pokazuje da svako pravo tijelo apsorbira zračenje različitih frekvencija na različite načine, ovisno o svojoj temperaturi. Stoga je spektralna apsorpcija tijela funkcija frekvencije, čiji se oblik mijenja s promjenama tjelesne temperature. Po definiciji, apsorpcijski kapacitet tijela ne može biti veći od jedan. U ovom slučaju, tijelo čiji je kapacitet apsorpcije manji od jedinice i isti je u cijelom frekvencijskom opsegu naziva se sivo tijelo. Posebno mjesto u teoriji toplotnog zračenja zauzima potpuno crno tijelo. Tako je G. Kirchhoff nazvao tijelo u kojem je na svim frekvencijama i na bilo kojoj temperaturi apsorpcijski kapacitet jednak jedan. Pravo telo uvek reflektuje deo energije zračenja koje pada na njega (slika 1.2). Čak se i čađ približava svojstvima potpuno crnog tijela samo u optičkom rasponu. 1 - potpuno crno tijelo; 2 - sivo tijelo; 3 - pravo tijelo Apsolutno crno tijelo je referentno tijelo u teoriji toplotnog zračenja. I, iako u prirodi ne postoji apsolutno crno tijelo, dovoljno je jednostavno implementirati model za koji će se apsorpcija na svim frekvencijama zanemarivo razlikovati od jedinice. Takav model potpuno crnog tijela može se napraviti u obliku zatvorene šupljine (slika 1.3), opremljene malom rupom, čiji je promjer mnogo manji od poprečnih dimenzija šupljine. U ovom slučaju, šupljina može imati gotovo bilo koji oblik i biti izrađena od bilo kojeg materijala. Mala rupa ima svojstvo da gotovo potpuno apsorbira zračenje koje pada na nju, a sa smanjenjem veličine rupe, njen kapacitet apsorpcije teži jedinici. Zaista, zračenje kroz rupu pogađa zidove šupljine i oni ih djelomično apsorbiraju. S malim veličinama rupa, snop mora proći kroz mnoge refleksije prije nego što može napustiti rupu, odnosno formalno se od nje reflektirati. Uz višestruke ponovljene refleksije na zidovima šupljine, zračenje koje ulazi u šupljinu gotovo se potpuno apsorbira. Imajte na umu da ako se zidovi šupljine održavaju na određenoj temperaturi, tada će rupa zračiti, a ovo zračenje se može s visokim stupnjem tačnosti smatrati zračenjem apsolutno crnog tijela koje ima temperaturu. Proučavanjem raspodjele energije ovog zračenja po spektru oC.Langley, E. Pringsheim, O. Lummer, F. Kurlbaum, itd.), moguće je eksperimentalno odrediti emisivnost crnog tijela i . Rezultati takvih eksperimenata na različitim temperaturama prikazani su na sl. 1.4. Iz ovih razmatranja proizilazi da su upijajući kapacitet i boja tijela međusobno povezani. 3. Kirchhoffov zakon. Kirchhoffov zakon. Mora postojati veza između emitivnih i upijajućih svojstava bilo kojeg tijela. Zaista, u eksperimentu sa ravnotežnim toplotnim zračenjem (slika 1.1) str Stoga, u skladu sa ovim principom detaljne ravnoteže, omjer emisione i apsorpcijske moći je isti za sva tijela u prirodi, uključujući i crno tijelo, a na datoj temperaturi je ista univerzalna funkcija frekvencije (valne dužine). Ovaj zakon toplotnog zračenja, koji je 1859. ustanovio G. Kirchhoff razmatrajući termodinamičke zakone ravnotežnih sistema sa zračenjem, može se zapisati kao relacija gdje indeksi 1, 2, 3... odgovaraju različitim realnim tijelima. Iz Kirchhoffovog zakona slijedi da su univerzalne funkcije spektralna emisivnost i crno tijelo na skali frekvencija ili valnih dužina, respektivno. Stoga je odnos između njih određen formulom Zračenje crnog tijela ima univerzalni karakter u teoriji toplotnog zračenja. Pravo tijelo zrači na bilo kojoj temperaturi uvijek manje energije nego potpuno crno tijelo. Poznavajući emisivnost crnog tijela (univerzalna Kirchhoffova funkcija) i apsorptivnost stvarnog tijela, Kirchhoffov zakon se može koristiti za određivanje energije koju emituje ovo tijelo u bilo kojoj frekvenciji ili opsegu talasnih dužina. To znači da se ova energija koju tijelo zrači definira kao razlika između emisione moći crnog tijela i apsorpcione moći stvarnog tijela. 4. Stefan-Boltzmann zakon Stefan-Boltzmannov zakon. Eksperimentalne (1879 J. Stefan) i teorijske (1884 L. Boltzmann) studije omogućile su da se dokaže važan zakon toplotnog zračenja potpuno crnog tela. Ovaj zakon kaže da je energetska luminoznost crnog tijela proporcionalna četvrtom stepenu njegove apsolutne temperature, tj. Ovaj zakon se često koristi u astronomiji pri određivanju sjaja zvijezde prema njenoj temperaturi. Da biste to učinili, potrebno je prijeći od gustine zračenja na vidljivu veličinu - fluks. Formula za fluks zračenja integrisanog preko spektra biće izvedena u trećem poglavlju. Prema savremenim merenjima Stefan-Bolcmanova konstanta Za realna tela Stefan-Bolcmanov zakon je ispunjen samo kvalitativno, odnosno sa povećanjem temperature povećavaju se energetske svetline svih tela. Međutim, za stvarna tijela, ovisnost energetske luminoznosti od temperature više se ne opisuje jednostavnom relacijom (1.7), već ima oblik Koeficijent u (1.8), koji je uvijek manji od jedinice, može se nazvati integralnim apsorpcijskim kapacitetom tijela. Vrijednosti, koje općenito ovise o temperaturi, poznate su za mnoge tehnički važne materijale. Dakle, u prilično širokom rasponu temperatura za metale, te za ugalj i metalne okside. Za stvarna ne-crna tijela može se uvesti koncept efektivne temperature zračenja, koja se definira kao temperatura potpuno crnog tijela koje ima istu energetsku luminoznost kao i stvarno tijelo. Tjelesna temperatura zračenja uvijek je manja od stvarne tjelesne temperature. Zaista, za pravo tijelo Temperatura zračenja jako zagrijanih užarenih tijela može se odrediti pomoću radijacionog pirometra (slika 1.5), u kojem se slika dovoljno udaljenog zagrijanog izvora And projicira sočivom na prijemnik P tako da se slika emitera potpuno preklapa prijemnik. Metalni ili poluvodički bolometri ili termoparovi se obično koriste za procjenu energije zračenja koje je pogodilo prijemnik. Djelovanje bolometara temelji se na promjeni električnog otpora metala ili poluvodiča s promjenom temperature uzrokovane apsorpcijom fluksa upadnog zračenja. Promjena temperature apsorbirajuće površine termoelemenata dovodi do pojave termo-EMF u njima. Očitavanje uređaja spojenog na bolometar ili termoelement ispada proporcionalno energiji zračenja koja je pogodila prijemnik pirometra. Nakon što je pirometar prethodno kalibriran prema zračenju etalona crnog tijela na različitim temperaturama, moguće je mjeriti temperature zračenja različitih zagrijanih tijela na skali uređaja. Poznavajući integralnu apsorpciju materijala emitera, moguće je konvertovati izmjerenu temperaturu zračenja emitera u njegovu pravu temperaturu po formuli Konkretno, ako radijacijski pirometar pokazuje temperaturu K kada promatra vruću površinu volframovog emitera (), tada je njegova prava temperatura K. Iz ovoga možemo zaključiti da se svjetlost svakog tijela može odrediti njegovom temperaturom. 5. Bečki zakon pomeranja Godine 1893. njemački fizičar V. Win teoretski je razmatrao termodinamički proces kompresije zračenja sadržanog u šupljini s idealno zrcalnim zidovima. Uzimajući u obzir promjenu frekvencije zračenja zbog Doplerovog efekta pri refleksiji od ogledala u pokretu, Win je došao do zaključka da bi emisiona moć potpuno crnog tijela trebala imati oblik Ovdje je određena funkcija čiji se specifični oblik ne može utvrditi termodinamičkim metodama. Prelazeći u ovoj Wien formuli sa frekvencije na talasnu dužinu, u skladu sa pravilom tranzicije (1.3), dobijamo Kao što se može vidjeti, temperatura ulazi u izraz za emisivnost samo u obliku proizvoda. Već ova okolnost nam omogućava da predvidimo neke karakteristike funkcije. Konkretno, ova funkcija dostiže maksimum na određenoj talasnoj dužini, koja se pri promeni telesne temperature menja tako da je ispunjen uslov: . Tako je V. Vin formulisao zakon toplotnog zračenja, prema kojem je talasna dužina, koja predstavlja maksimalnu emisivnost potpuno crnog tela, obrnuto proporcionalna njegovoj apsolutnoj temperaturi. Ovaj zakon se može napisati kao Ispostavilo se da je vrijednost konstante u ovom zakonu, dobijena iz eksperimenata, jednaka m Wienov zakon naziva se zakon pomaka, čime se naglašava da se s porastom temperature potpuno crnog tijela položaj maksimuma njegove emisivnosti pomiče u područje kratkih valnih dužina. Eksperimentalni rezultati prikazani na sl. 1.4 potvrđuje ovaj zaključak ne samo kvalitativno, već i kvantitativno, striktno u skladu sa formulom (1.11). Za stvarna tijela, Wienov zakon je zadovoljen samo kvalitativno. Kako temperatura bilo kog tijela raste, talasna dužina blizu koje tijelo zrači najviše energije također se pomiče prema kraćim talasnim dužinama. Ovaj pomak se, međutim, više ne opisuje jednostavnom formulom (1.11), koja se za zračenje stvarnih tijela može koristiti samo kao procjena. Iz Wienovog zakona pomaka ispada da su temperatura tijela i talasna dužina njegove emisivnosti međusobno povezani. 6. Rayleigh-Jeans formula U opsegu ekstremno niskih frekvencija, zvano Rayleigh-Jeans područje, gustina energije je proporcionalna temperaturi T i kvadratu frekvencije ω: Na slici 2.1.1 ovo područje je označeno stazom za vožnju. Formula Rayleigh-Jeansa se može izvesti čisto na klasičan način, bez uključivanja kvantnih koncepata. Što je temperatura crnog tijela viša, to je širi raspon frekvencija u kojem ova formula vrijedi. To je objašnjeno u klasičnoj teoriji, ali se ne može proširiti na visoke frekvencije (isprekidana linija na slici 2.1.1), budući da je gustina energije zbrojena po spektru u ovom slučaju beskonačno velika: Ova karakteristika Rayleigh-Jeans zakona naziva se "ultraljubičasta katastrofa". Iz Rayleigh-Jeans formule se može vidjeti da se tjelesna temperatura ne odnosi na visoke frekvencije. 7. Formula vina U opsegu visokih frekvencija (područje B na slici 2.1.1), vrijedi Wien formula: Jasno se vidi da desna strana varira nemonotono. Ako frekvencija nije previsoka, tada prevladava faktor ω3 i raste funkcija Uω. Kako frekvencija raste, rast Uω se usporava, prolazi kroz maksimum, a zatim opada zbog eksponencijalnog faktora. Prisustvo maksimuma u emisionom spektru razlikuje Wien opseg od Rayleigh-Jeans regije. Što je viša tjelesna temperatura, to je viša granična frekvencija, počevši od koje se ispunjava Wien formula. Vrijednost parametra a u eksponentu na desnoj strani ovisi o izboru jedinica u kojima se mjere temperatura i frekvencija. To znači da Wienova formula zahtijeva korištenje kvantnih koncepata prirode svjetlosti. Stoga sam razmatrao pitanja koja su mi postavljena. Lako je uočiti da postojeći zakoni fizike XIX veka. bile su površne, nisu povezivale sve karakteristike (talasna dužina, temperatura, frekvencija, itd.) fizičkih tijela. Svi navedeni zakoni su se međusobno dopunjavali, ali za potpuno razumijevanje ovog pitanja bilo je potrebno uključiti kvantne ideje o prirodi svjetlosti. Praktični dio Kao što sam više puta rekao, fenomen potpuno crnog tijela danas u praksi ne postoji, u svakom slučaju, ne možemo ga stvoriti i vidjeti. Međutim, možemo provesti niz eksperimenata koji demonstriraju gore navedene teorijske proračune. Može li bijelo biti crnije od crnog? Počnimo sa vrlo jednostavnim zapažanjem. Ako stavite listove bijelog i crnog papira jedan do drugog i stvorite mrak u prostoriji. Jasno je da tada nećete vidjeti ni jedan list, odnosno oba će biti podjednako crna. Čini se da ni pod kojim okolnostima bijeli papir ne može biti crniji od crnog. A ipak nije tako. Tijelo koje pri bilo kojoj temperaturi u potpunosti apsorbira zračenje bilo koje frekvencije koje pada na njega naziva se apsolutno crno. Jasno je da je to idealizacija: u prirodi nema apsolutno crnih tijela. Tijela koja obično nazivamo crnim (čađ, čađ, crni somot i papir itd.) su zapravo siva, tj. oni djelimično upijaju, a djelimično raspršuju svjetlost koja pada na njih. Ispostavilo se da sferična šupljina s malom rupom može poslužiti kao sasvim dobar model crnog tijela. Ako promjer rupe ne prelazi 1/10 promjera šupljine, tada (kao što pokazuje odgovarajuća kalkulacija) svjetlosni snop koji je ušao u rupu moći će izaći iz nje nazad tek nakon višestrukog raspršenja ili refleksije od različitih tačke zida šupljine. Ali svakim "kontaktom" snopa sa zidom, svjetlosna energija se djelimično apsorbuje, tako da udio Da biste jednostavno promatrali fenomen, možete učiniti još jednostavnije (ali manje zanimljivo). Morate uzeti bijelu porculansku čašu i zatvoriti je poklopcem od crnog papira s malom rupom - učinak će biti gotovo isti. Imajte na umu da ako pogledate prozore sa ulice po vedrom sunčanom danu, oni nam se čine mračnim. Inače, profesor sa Univerziteta Princeton Eric Rogers, koji je napisao Fiziku za radoznale, objavljenu ne samo ovdje, dao je neobičan „opis“ apsolutno crnog tijela: „Nijedna crna boja na kućici za pse ne izgleda crnje od vrata koja su otvorena za psa .” Ukloniti naljepnice sa dvije identične prazne limenke i jednu konzervu popušiti ili ofarbati crnom bojom, a drugu ostaviti svijetlom, sipati vruću vodu u obje limenke i vidjeti koja se od njih brže hladi (eksperiment se može izvesti i u mraku); posmatrate fenomen toplotnog zračenja. Takođe, fenomen toplotnog zračenja može se uočiti posmatranjem rada sobnog električnog grijača, koji se sastoji od užarene spirale i dobro uglačane konkavne metalne površine. Zanimljivo je da: Veza između svetlosnih i toplotnih zraka poznata je još od antike. Štaviše, riječ "fokus" na latinskom znači "vatra", "ognjište", što, kada se primjenjuje na konkavna ogledala i sočiva, ukazuje na prioritetnu pažnju na koncentraciju toplinskih, a ne svjetlosnih zraka. Među brojnim eksperimentima 16.-18. stoljeća ističe se eksperiment koji je izveo Edm Mariotte, u kojem je barut zapaljen toplinskim zracima reflektiranim od konkavnog ogledala napravljenog od ... leda. William Herschel, poznat po otkriću planete Uran, otkrivši nevidljive - infracrvene - zrake u spektru Sunca, bio je toliko zadivljen da je o tome šutio dvadeset godina. Ali u činjenicu da je Mars naseljen i naseljen, nije sumnjao... nakon što je spektralna analiza pokazala prisustvo u atmosferi Sunca mnogih hemijskih elemenata, uključujući zlato, jedan bankar je rekao Kirchhofu: "Pa, čemu služi vaše solarno zlato? Uostalom, ono se ionako ne može isporučiti na Zemlju! " Prošlo je nekoliko godina, a Kirchhoff je dobio zlatnu medalju iz Engleske i novčanu nagradu za svoje izvanredno istraživanje. Pokazujući ovaj novac bankaru, rekao je: "Vidi, ipak sam uspio da dobijem nešto zlata od Sunca." na grobu Fraunhofera, koji je otkrio tamne linije u spektru Sunca i proučavao spektre planeta i zvijezda, zahvalni sunarodnici podigli su spomenik s natpisom "Približili zvijezde". Praktični primjeri koje sam dao potvrđuju proračune teorijskog dijela. Zaključak Pregledao sam pitanja koja su mi postavljena. Lako je uočiti da postojeći zakoni fizike XIX veka. bile su površne, nisu povezivale sve karakteristike (talasna dužina, temperatura, frekvencija, itd.) fizičkih tijela. Svi navedeni zakoni su se međusobno dopunjavali, ali za potpuno razumijevanje ovog pitanja bilo je potrebno uključiti kvantne ideje o prirodi svjetlosti. Stvaranje kvantne teorije omogućilo je da se objasne mnoge pojave, kao što je fenomen potpuno crnog tijela, tj. tijelo koje u potpunosti apsorbira elektromagnetne valove bilo koje dužine i, shodno tome, zrači sve valne dužine elektromagnetnih valova. Također je omogućilo da se objasni odnos između upijajuće moći i boje tijela, ovisnost svjetline tijela o njegovoj temperaturi. Nakon toga, ove pojave je objasnila klasična fizika. Ispunio sam svrhu svog rada - upoznao sam sve sa problemom potpuno crnog tijela. Da bih to uradio, izvršio sam sledeće zadatke: pronašao što više informacija o ovom problemu; proučavao teoriju potpuno crnog tijela; empirijski potvrdio teorijske koncepte i fenomene date u apstraktu; Za teorijsko razmatranje zakona zračenja korišten je model potpuno crnog tijela, tj. tijelo koje u potpunosti apsorbira elektromagnetne valove bilo koje dužine i, shodno tome, zrači sve valne dužine elektromagnetnih valova. Spisak korišćene literature: Myakishev G. Ya., Physics 11, M., 2000. Kasyanov V. A., Fizika 11, M., 2004. Landsberg G.S., Osnovni udžbenik fizike, tom III, M., 1986. http://ru.wikipedia.org/wiki/Absolutely_black_body.apsolutno Paradoksalno. Crna rupa se ponaša kao tijelo sa temperaturom jednakom apsolutno nula... jer sa crna rupe... Dakle crna rupa zrači kao savršena crna tijelo(neočekivano realizovano... Do kraja 19. stoljeća, naučnici, proučavajući interakciju elektromagnetnog zračenja (posebno svjetlosti) s atomima materije, suočili su se s ozbiljnim problemima koji su se mogli riješiti samo u okviru kvantne mehanike, koja je, u mnogim aspektima, nastala zbog činjenice da su se ovi problemi pojavili. Da biste razumeli prvi i možda najozbiljniji od ovih problema, zamislite veliku crnu kutiju sa ogledalom u unutrašnjosti, sa malom rupom izbušenom u jednom od njenih zidova. Snop svjetlosti koji ulazi u kutiju kroz mikroskopsku rupu ostaje zauvijek unutra, beskonačno se odbijajući od zidova. Predmet koji ne reflektuje svetlost, već je potpuno apsorbuje, izgleda crn, zbog čega se obično naziva crno tijelo. (Savršeno crno tijelo je – kao i mnoge druge konceptualne fizičke pojave – čisto hipotetički objekt, iako je, na primjer, šuplja, ravnomjerno zagrijana, zrcalna sfera iznutra, u koju svjetlost ulazi kroz jednu sićušnu rupu, dobra aproksimacija. ) Međutim, vjerovatno ste vidjeli u stvarnosti prilično bliske analoge crnog tijela. U ognjištu se, na primjer, događa da je nekoliko trupaca gotovo usko presavijeno, a unutar njih izgori prilično velika šupljina. Vani, trupci ostaju tamni i ne svijetle, dok se toplina (infracrveno zračenje) i svjetlost akumuliraju unutar izgorjele šupljine, a prije nego što izbiju, ovi zraci se više puta odbijaju od zidova šupljine. Ako pogledate u procjep između takvih trupaca, vidjet ćete jarko žuto-narandžasti sjaj visoke temperature i odatle ćete doslovno plamtjeti od vrućine. Samo što su zraci neko vrijeme bili zarobljeni između trupaca, baš kao što je svjetlost u potpunosti zarobljena i apsorbirana od strane gore opisane crne kutije. Model takve crne kutije nam pomaže da shvatimo kako se svjetlost koju apsorbira crno tijelo ponaša kada je u interakciji s atomima njegove materije. Ovdje je važno shvatiti da svjetlost apsorbira atom, odmah ju emituje i apsorbira drugi atom, ponovo emituje i apsorbira, a to će se dešavati sve dok se ne postigne stanje ravnoteže zasićenja. Kada se crno tijelo zagrije do ravnotežnog stanja, intenzitet emisije i apsorpcije zraka unutar crnog tijela se izjednačava: kada jedan atom apsorbira određenu količinu svjetlosti određene frekvencije, drugi atom negdje unutra istovremeno emituje istu količinu svjetlosti iste frekvencije. Dakle, količina apsorbirane svjetlosti svake frekvencije unutar crnog tijela ostaje ista, iako je apsorbuju i emituju različiti atomi tijela. Do ove tačke, ponašanje crnog tijela ostaje prilično jasno. Problemi u okviru klasične fizike (pod "klasičnom" ovdje podrazumijevamo fiziku prije pojave kvantne mehanike) počeli su pokušajima izračunavanja energije zračenja pohranjene unutar crnog tijela u ravnotežnom stanju. I dvije stvari su ubrzo postale jasne: Uzeti zajedno, ova dva zaključka dovela su do nezamislivog rezultata: energija zračenja unutar crnog tijela mora biti beskonačna! Ovo zlo ruganje zakonima klasične fizike je kršteno ultraljubičasta katastrofa, budući da visokofrekventno zračenje leži u ultraljubičastom dijelu spektra. Red je uspostavio njemački fizičar Max Planck ( cm. Planckova konstanta) - pokazao je da je problem otklonjen ako pretpostavimo da atomi mogu apsorbirati i emitovati svjetlost samo u dijelovima i samo na određenim frekvencijama. (Kasnije je Albert Ajnštajn generalizovao ovu ideju uvodeći koncept fotoni- strogo definisani delovi svetlosnog zračenja.) Prema ovoj šemi, mnoge frekvencije zračenja koje predviđa klasična fizika jednostavno ne mogu postojati unutar crnog tela, pošto atomi nisu u stanju da ih apsorbuju ili emituju; shodno tome, ove frekvencije se ne uzimaju u obzir prilikom izračunavanja ravnotežnog zračenja unutar crnog tijela. Ostavljajući samo prihvatljive frekvencije, Planck je spriječio ultraljubičastu katastrofu i usmjerio nauku na put istinskog razumijevanja strukture svijeta na subatomskom nivou. Osim toga, izračunao je karakterističnu frekvencijsku raspodjelu ravnotežnog zračenja crnog tijela. Ova distribucija je stekla svjetsku slavu mnogo desetljeća nakon što ju je objavio sam Planck, kada su kosmolozi otkrili da su kosmičku mikrovalnu pozadinu otkrili ( cm. Veliki prasak) tačno poštuje Plankovu raspodelu u pogledu svojih spektralnih karakteristika i odgovara zračenju crnog tela na temperaturi od oko tri stepena iznad apsolutne nule.
(1)
(2)
(3)
. (4)
ravnoteža u sistemu može se uspostaviti samo ako svako tijelo emituje onoliko energije u jedinici vremena koliko apsorbuje. To znači da će tijela koja intenzivnije apsorbiraju zračenje bilo koje frekvencije to zračenje intenzivnije emitovati.
.
W / (m 2 (K4).
. Odavde nalazimo da , odnosno pošto stvarna tijela imaju .
(1.9)
(1.10)
mK.
zračenje rupa je zanemarljivo. Stoga se može pretpostaviti da otvor šupljine gotovo u potpunosti apsorbira svjetlost bilo koje valne dužine, baš kao potpuno crno tijelo. A sam uređaj za eksperiment može se izvesti, na primjer, ovako. Od kartona morate zalijepiti 
kutija dimenzija približno 100x100x100 mm sa poklopcem koji se otvara. Iznutra kutija mora biti zalijepljena bijelim papirom, a izvana - obojena crnom tintom, gvašom ili, još bolje, prelijepljena papirom iz foto paketa. U poklopcu morate napraviti rupu promjera ne više od 10 mm. Pokazujući iskustvo, potrebno je osvijetliti poklopac kutije stolnom lampom, tada će rupa izgledati više crna od crnog poklopca.
Učitavanje...
