Résumé : Corps absolument noir.
Un corps absolument noir est appelé tel parce qu'il absorbe tout le rayonnement qui tombe sur lui (ou plutôt, dans lui) à la fois dans le spectre visible et au-delà. Mais si le corps ne se réchauffe pas, l'énergie est renvoyée. Ce rayonnement émis par un corps entièrement noir est particulièrement intéressant. Les premières tentatives d'étude de ses propriétés ont été faites avant même l'apparition du modèle lui-même.
Au début du 19ème siècle, John Leslie a expérimenté avec diverses substances. Il s'est avéré que la suie noire absorbe non seulement toute la lumière visible qui tombe dessus. Il rayonnait dans la gamme infrarouge beaucoup plus fort que d'autres substances plus légères. C'était le rayonnement thermique, qui diffère de tous les autres types par plusieurs propriétés. Le rayonnement d'un corps absolument noir est équilibré, homogène, se produit sans transfert d'énergie et ne dépend que de
À une température suffisamment élevée de l'objet, le rayonnement thermique devient visible, puis tout corps, y compris absolument noir, acquiert une couleur.
Un objet aussi unique qui dégage un caractère exceptionnellement certain ne pouvait manquer d'attirer l'attention. Puisque nous parlons de rayonnement thermique, les premières formules et théories sur ce à quoi devrait ressembler le spectre ont été proposées dans le cadre de la thermodynamique. La thermodynamique classique a pu déterminer quel devrait être le rayonnement maximal à une température donnée, dans quelle direction et dans quelle mesure il se déplacera lorsqu'il sera chauffé et refroidi. Cependant, il n'a pas été possible de prédire quelle est la répartition de l'énergie dans le spectre d'un corps noir à toutes les longueurs d'onde et, en particulier, dans la gamme ultraviolette.
Selon la thermodynamique classique, l'énergie peut être émise dans n'importe quelle portion, y compris arbitrairement petite. Mais pour qu'un corps absolument noir rayonne à des longueurs d'onde courtes, il faut que l'énergie de certaines de ses particules soit très grande, et dans la région des ondes ultracourtes elle irait jusqu'à l'infini. En réalité, c'est impossible, l'infini est apparu dans les équations et a reçu le nom Seule cette énergie peut être émise en portions discrètes - quanta - a aidé à résoudre la difficulté. Les équations actuelles de la thermodynamique sont des cas particuliers des équations
Initialement, un corps complètement noir était représenté comme une cavité avec une ouverture étroite. Le rayonnement extérieur pénètre dans une telle cavité et est absorbé par les parois. Dans ce cas, le spectre de rayonnement de l'entrée de la grotte, de l'ouverture du puits, de la fenêtre de la pièce sombre par temps ensoleillé, etc. est similaire au spectre de rayonnement qu'un corps absolument noir devrait avoir. Mais surtout, les spectres de l'Univers et des étoiles, dont le Soleil, coïncident avec lui.
Il est prudent de dire que plus il y a de particules d'énergies différentes dans un objet, plus son rayonnement ressemblera à un corps noir. La courbe de distribution d'énergie dans le spectre d'un corps noir reflète les modèles statistiques dans le système de ces particules, avec la seule correction que l'énergie transférée lors des interactions est discrète.
33. Rayonnement thermique. Spectre d'émission d'un corps noir à différentes températures. Les lois du rayonnement thermique (Kirchhoff, Wien et Boltzmann). Formule de Planck.
RAYONNEMENT THERMIQUE DES CORPS
L'émission d'ondes électromagnétiques par une substance est due à des processus intra-atomiques et intra-moléculaires. Les sources d'énergie et, par conséquent, le type de lueur peuvent être différents : un écran de télévision, une lampe fluorescente, une lampe à incandescence, un arbre en décomposition, une luciole, etc. De toute la variété des rayonnements électromagnétiques, visibles ou non à l'œil humain, on peut en distinguer un, inhérent à tous les corps, c'est le rayonnement des corps échauffés, ou rayonnement thermique. Il se produit à toute température supérieure à 0 K, il est donc émis par tous les corps. En fonction de la température corporelle, l'intensité du rayonnement et la composition spectrale changent, par conséquent, le rayonnement thermique n'est pas toujours perçu par l'œil comme une lueur.
CARACTÉRISTIQUES DU RAYONNEMENT DE CHALEUR. CORPS NOIR
La puissance de rayonnement moyenne sur un temps beaucoup plus long que la période des oscillations lumineuses est considérée comme le flux de rayonnement T. Dans le système SI, il est exprimé en watts (W).
Le flux de rayonnement émis par 1 m 2 de surface s'appelle la luminosité énergétique Re. Elle est exprimée en watts par mètre carré (W/m2).
Un corps chauffé émet des ondes électromagnétiques de différentes longueurs d'onde. Allouons un petit intervalle de longueurs d'onde de גּ à גּ + dגּ. La luminosité énergétique correspondant à cet intervalle est proportionnelle à la largeur de l'intervalle :
où r est la densité spectrale de la luminosité énergétique
corps, égal au rapport de la luminosité énergétique d'une section étroite du spectre à la largeur de cette section, W / m 3.
La dépendance de la densité spectrale de la luminosité énergétique sur la longueur d'onde est appelée spectre de rayonnement du corps.
Après intégration, on obtient une expression de la luminosité énergétique du corps :
La capacité d'un corps à absorber l'énergie du rayonnement est caractérisée par un coefficient d'absorption égal au rapport du flux de rayonnement absorbé par un corps donné au flux de rayonnement qui lui est tombé dessus : a \u003d F absorber / F tomber
Comme le coefficient d'absorption dépend de la longueur d'onde, alors (27.3) s'écrit pour des flux de rayonnement monochromatiques, puis ce rapport détermine monochromatiquement le coefficient d'absorption : a גּ = Ф absorb(גּ) / Ф pad(גּ) .
Il s'ensuit que les coefficients d'absorption peuvent prendre des valeurs de 0 à 1. Les corps noirs absorbent particulièrement bien le rayonnement : papier noir, tissus, velours, suie, noir de platine, etc. ; absorbent mal les corps à surface blanche et les miroirs.
Un corps dont le coefficient d'absorption est égal à l'unité pour toutes les fréquences est appelé noir. Il absorbe tous les rayonnements qui lui tombent dessus. Il n'y a pas de corps noirs dans la nature, ce concept est une abstraction physique. Le modèle d'un corps noir est un petit trou dans une cavité opaque fermée. Le faisceau qui est tombé dans ce trou, réfléchi plusieurs fois par les murs, sera presque complètement absorbé. A l'avenir, c'est ce modèle que l'on prendra pour un corps noir. Un corps dont le coefficient d'absorption est inférieur à l'unité et ne dépend pas de la longueur d'onde de la lumière qui tombe dessus est appelé gris.
Il n'y a pas de corps gris dans la nature, cependant, certains corps émettent et absorbent du gris dans une certaine gamme de longueurs d'onde. Ainsi, par exemple, le corps humain est parfois considéré comme gris, ayant un coefficient d'absorption d'environ 0,9 pour la région infrarouge du spectre.
LOI DE KIRCHHOFF
Il existe une certaine relation entre la densité spectrale de la luminosité énergétique et le coefficient d'absorption monochromatique des corps, qui peut être expliquée par l'exemple suivant.
Dans une coque adiabatique fermée, il y a deux corps différents en équilibre thermodynamique, alors que leurs températures sont les mêmes. Puisque l'état des corps ne change pas, chacun d'eux rayonne et absorbe la même énergie. Le spectre de rayonnement de chaque corps doit coïncider avec le spectre des ondes électromagnétiques absorbées par celui-ci, sinon l'équilibre thermodynamique serait violé. Cela signifie que si l'un des corps émet des ondes, par exemple des rouges, plus que l'autre, il doit en absorber davantage.
La relation quantitative entre rayonnement et absorption a été établie par G. Kirchhoff en 1859 : à la même température, le rapport de la densité spectrale de luminosité énergétique sur le coefficient d'absorption monochromatique est le même pour tous les corps, y compris les corps noirs (loi de Kirchhoff).
En utilisant la loi de Kirchhoff et connaissant de l'expérience le spectre du corps noir et la dépendance du coefficient d'absorption monochromatique du corps sur la longueur d'onde, on peut trouver le spectre d'émission du corps r גּ = f(גּ).
LOIS DU RAYONNEMENT DU CORPS NOIR
Le rayonnement du corps noir a un spectre continu. Les graphiques des spectres d'émission pour différentes températures sont représentés sur les Fig. Il existe une densité spectrale maximale de luminosité énergétique, qui se déplace vers les ondes courtes avec l'augmentation de la température.
En physique classique, l'émission et l'absorption de rayonnement par un corps étaient considérées comme un processus continu. Planck est arrivé à la cinquième conclusion que ce sont précisément ces dispositions de base qui ne permettent pas d'obtenir la dépendance correcte. Il a avancé une hypothèse, d'où il découle que le corps noir rayonne et absorbe de l'énergie non pas en continu, mais dans certaines portions discrètes - les quanta.
Loi de Stefan-Boltzmann: la luminosité énergétique d'un corps noir est proportionnelle à la puissance quatre de sa température thermodynamique. La valeur a est appelée la constante de Stefan-Boltzmann. La loi de Stefan-Boltzmann peut être illustrée qualitativement dans différents corps(four, cuisinière électrique, flan métallique, etc.) : au fur et à mesure qu'ils chauffent, un rayonnement de plus en plus intense se fait sentir.
De là, nous trouvons La loi de déplacement de Wien: גּ m ah =b/Т, où גּ m ah - longueur d'onde s, qui rend compte de la densité spectrale maximale de la luminosité énergétique d'un corps noir ; b = = 0, 28978 * 10 -2 m-K - Constante de Wien. Cette loi est également valable pour les corps gris.
La manifestation de la loi de Wien est connue à partir d'observations quotidiennes. À température ambiante, le rayonnement thermique des corps se situe principalement dans la région infrarouge et n'est pas perçu par l'œil humain. Si la température augmente, les corps commencent à briller d'une lumière rouge foncé, et à très haute température - blanc avec une teinte bleuâtre, la sensation de chauffage corporel augmente.
Les lois de Stefan-Boltzmann et de Wien permettent, en mesurant le rayonnement des corps, de déterminer leurs températures (pyrométrie optique).
La polarisation de la lumière est le processus d'ordonnancement des oscillations du vecteur d'intensité champ électrique une onde lumineuse lorsque la lumière traverse certaines substances (lors de la réfraction) ou lorsqu'un flux lumineux est réfléchi. Il existe plusieurs façons de produire de la lumière polarisée.
1) Polarisation avec des polaroïds. Les polaroïds sont des films de celluloïd recouverts d'une très fine couche de cristaux de quinine d'acide sulfurique. L'utilisation de polaroïds est actuellement le moyen le plus courant de polariser la lumière.
2) Polarisation par réflexion. Si un faisceau de lumière naturelle tombe sur une surface noire polie, le faisceau réfléchi est partiellement polarisé. En tant que polariseur et analyseur, un miroir ou un verre à vitre ordinaire assez bien poli, noirci d'un côté avec un vernis à l'asphalte, peut être utilisé.
Plus le degré de polarisation est grand, plus l'angle d'incidence est maintenu correctement. Pour le verre, l'angle d'incidence est de 57°.
3) Polarisation par réfraction. Un faisceau lumineux est polarisé non seulement lors de la réflexion, mais également lors de la réfraction. Dans ce cas, un empilement de 10 à 15 plaques de verre minces empilées, situées à un angle de 57 ° par rapport aux rayons lumineux incident sur elles, est utilisé comme polariseur et analyseur.
De gros Et acte légal Et visibilité, la capacité d'un milieu à provoquer la rotation du plan de polarisation du rayonnement optique (lumière) qui le traverse.
l'angle j de rotation du plan de polarisation dépend linéairement de l'épaisseur je couche de substance active (ou sa solution) et concentration Avec cette substance - j = [a] lc(le coefficient [a] est appelé O. a. spécifique) ; 2) la rotation dans ce milieu se produit soit dans le sens des aiguilles d'une montre (j > 0) soit contre lui (j< 0), если смотреть навстречу ходу лучей света
43. Russe e St. e ta, modification des caractéristiques du flux de rayonnement optique (lumière) lors de son interaction avec la matière. Ces caractéristiques peuvent être la distribution spatiale de l'intensité, le spectre de fréquence, la polarisation de la lumière. Souvent R. s. seul le changement de direction de propagation de la lumière dû à l'inhomogénéité spatiale du support, qui est perçu comme une lueur inappropriée du support, est appelé.
DIFFUSION, l'inverse de la distance à laquelle le flux de rayonnement formant un faisceau lumineux parallèle est atténué du fait de diffusion dans l'environnement par 10 fois ou e fois.
Rel e je suis zach O n, dit que l'intensité je de la lumière diffusée par le milieu est inversement proportionnelle à la puissance 4 de la longueur d'onde l de la lumière incidente ( je~l -4) dans le cas où le milieu est constitué de particules diélectriques dont les dimensions sont très inférieures à l . Je rase ~1/ 4
44. absorber e St. St. e ta, diminution de l'intensité du rayonnement optique (lumière) traversant le milieu matériel en raison des processus de son interaction avec le milieu. L'énergie lumineuse à P. avec. va dans Formes variéesénergie interne du milieu ou rayonnement optique de la composition ; il peut être totalement ou partiellement réémis par le milieu à des fréquences différentes de la fréquence du rayonnement absorbé.
Loi de Bouguer La signification physique est que le processus de perte de photons du faisceau dans le milieu ne dépend pas de leur densité dans le faisceau lumineux, c'est-à-dire sur l'intensité lumineuse et sur la demi-longueur I.
I=I 0 exp( je ); l est la longueur d'onde, λ est l'indice d'absorption, Je 0 est l'intensité du faisceau absorbant.
Bogue e ra - L UN mberta - B e razak O n, détermine l'atténuation graduelle d'un faisceau de lumière parallèle monochromatique (unicolore) lors de sa propagation dans une substance absorbante. Si la puissance du faisceau pénétrant dans la couche de matière d'épaisseur je, est égal à je o , alors, selon B.-L.-B. h., la puissance du faisceau à la sortie de la couche
je(je)= je o e- c CL,
où c est l'indice d'absorption lumineuse spécifique, calculé par unité de concentration Avec substance qui détermine l'absorption;
Taux d'absorption (cl), l'inverse de la distance à laquelle le monochromatique flux de rayonnement la fréquence n, formant un faisceau parallèle, est atténuée en raison de l'absorption dans la substance dans e fois ou 10 fois. mesuré en cm -1 ou m-1. En spectroscopie et dans certaines autres branches de l'optique appliquée, le terme "P. p." traditionnellement utilisé pour désigner le coefficient d'absorption.
Taux d'absorption molaire
La transmittance est le rapport du flux de rayonnement qui a traversé le milieu au flux qui est tombé sur sa surface. t = F/F 0
Densité optique - une mesure de l'opacité d'une couche de matière pour les rayons lumineux D = lg (-F 0 / F)
Transparence de l'environnement est le rapport de l'amplitude du flux de rayonnement qui a traversé sans changer de direction une couche d'un milieu d'épaisseur unitaire à l'amplitude du flux incident (c'est-à-dire sans tenir compte des effets de diffusion et de l'influence des effets sur les interfaces).
45. Rayonnement thermique- rayonnement électromagnétique à spectre continu émis par des corps chauffés en raison de leur énergie thermique.
Absolument corps noir - idéalisation physique utilisée en thermodynamique, un corps qui absorbe tout le rayonnement électromagnétique qui lui tombe dessus dans toutes les gammes et ne réfléchit rien. Malgré son nom, un corps noir lui-même peut émettre un rayonnement électromagnétique de n'importe quelle fréquence et avoir visuellement une couleur. Le spectre de rayonnement d'un corps noir n'est déterminé que par sa température.
corps gris- c'est un corps dont le coefficient d'absorption ne dépend pas de la fréquence, mais dépend uniquement de la température
Pour le corps gris
CORPS GRIS- corps, coefficient d'absorption to-rogo inférieur à 1 et ne dépend pas de la longueur d'onde du rayonnement et de l'abs. temp. J. Coef. l'absorption (également appelée coefficient de noirceur S. t.) de tous les corps réels dépend de (absorption sélective) et J, de sorte qu'ils ne peuvent être considérés comme gris que dans les intervalles et J, où le coefficient environ. constant. Dans la région visible du spectre, les propriétés de S. t. charbon(= 0,80 à 400-900 K), suie (= 0,94-0,96 à 370-470 K); les noirs de platine et de bismuth absorbent et rayonnent comme S. t. dans la gamme la plus large - de lumière visible jusqu'à 25-30 microns (= 0,93-0,99).
Lois fondamentales du rayonnement :
Loi de Stefan-Boltzmann- la loi de rayonnement d'un corps entièrement noir. Détermine la dépendance de la puissance de rayonnement d'un corps absolument noir sur sa température. Le libellé de la loi :
où est le degré de noirceur (pour toutes les substances, pour un corps complètement noir). En utilisant la loi de Planck pour le rayonnement, la constante σ peut être définie comme
où est la constante de Planck, k est la constante de Boltzmann, c est la vitesse de la lumière.
Valeur numérique J s -1 m -2 K -4 .
Loi de rayonnement de Kirchhoff est une loi physique établie par le physicien allemand Kirchhoff en 1859.
Le libellé actuel de la loi se lit comme suit :
Le rapport de l'émissivité d'un corps à sa capacité d'absorption est le même pour tous les corps à une température donnée pour une fréquence donnée et ne dépend pas de leur forme et de leur nature chimique.
On sait qu'en tombant un rayonnement électromagnétique sur un certain corps, une partie est réfléchie, une partie est absorbée et une partie peut être transmise. La fraction de rayonnement absorbée à une fréquence donnée est appelée capacité d'absorption corps . D'autre part, chaque corps chauffé rayonne de l'énergie selon une certaine loi, appelée émissivité du corps.
Les valeurs et peuvent varier considérablement lors du passage d'un corps à un autre, cependant, selon la loi de rayonnement de Kirchhoff, le rapport des capacités d'émission et d'absorption ne dépend pas de la nature du corps et est fonction universelle fréquence (longueur d'onde) et température :
La longueur d'onde à laquelle l'énergie de rayonnement d'un corps noir est maximale est déterminée par La loi de déplacement de Wien:
Où J est la température en kelvins, et λ max est la longueur d'onde avec une intensité maximale en mètres.
Caractéristiques du rayonnement thermique
Les corps chauffés à 424e43ie, comme si des températures élevées, brillaient. La lueur des corps due au chauffage est appelée rayonnement thermique (température). Le rayonnement thermique, étant le plus courant dans la nature, se produit en raison de l'énergie du mouvement thermique des atomes et des molécules de matière (c'est-à-dire en raison de son énergie interne) et est caractéristique de tous les corps à des températures supérieures à 0 K. Le rayonnement thermique est caractérisé par spectre continu dont la position du maximum dépend de la température. À hautes températures des ondes électromagnétiques courtes (visibles et ultraviolettes) sont émises, à faible ≈ majoritairement longues (infrarouge).
Le rayonnement thermique est pratiquement le seul type de rayonnement qui peut être équilibre. Supposons qu'un corps chauffé (rayonnant) soit placé dans une cavité délimitée par une coque idéalement réfléchissante. Au cours du temps, en raison de l'échange continu d'énergie entre le corps et le rayonnement, l'équilibre viendra, c'est-à-dire que le corps absorbera autant d'énergie par unité de temps qu'il rayonne. Supposons que l'équilibre entre le corps et le rayonnement soit perturbé pour une raison quelconque et que le corps émette plus d'énergie qu'il n'en absorbe. Si par unité de temps le corps rayonne plus qu'il n'absorbe (ou vice versa), alors la température corporelle commencera à diminuer (ou à augmenter). En conséquence, la quantité d'énergie rayonnée par le corps sera affaiblie (ou âge 424e43ie ;т), jusqu'à ce que, finalement, l'équilibre soit établi. Tous les autres types de rayonnement sont hors d'équilibre.
La caractéristique quantitative du rayonnement thermique est densité spectrale de la luminosité énergétique (radiance) du corps≈ puissance de rayonnement par unité de surface de la surface corporelle dans la gamme de fréquences de largeur unitaire :
où d ≈ l'énergie du rayonnement électromagnétique émis par unité de temps (puissance de rayonnement) par unité de surface du corps dans la gamme de fréquences allant de n avant n+d n.
L'unité de densité spectrale de luminosité énergétique ( Rn, T) ≈joule par mètre carré(J/m2).
La formule écrite peut être représentée 424e43ie en fonction de la longueur d'onde :
Parce que c=In, Ce
où le signe moins indique qu'à partir de 424e43ie ;l'une des quantités ( n ou l) l'autre valeur est décroissante. Par conséquent, dans ce qui suit, le signe moins sera omis. Ainsi,
En utilisant la formule (197.1), on peut passer de Rn,T ═ Pour Rl, T et vice versa.
Connaissance densité spectrale luminosité énergétique, vous pouvez calculer luminosité énergétique intégrale (radiance intégrale)(on l'appelle simplement la luminosité énergétique du corps), sommée sur toutes les fréquences :
La capacité des corps à absorber le rayonnement incident sur eux est caractérisée par absorbance spectrale
montrant quelle fraction de l'énergie apportée par unité de temps par unité de surface de la surface du corps en tombant dessus ondes électromagnétiques avec fréquence╜mi de n avant n+d n est absorbé par le corps. L'absorbance spectrale est une grandeur sans dimension. Quantités Rn, T═et Un n,T dépendent de la nature du corps, de sa température thermodynamique, et diffèrent en même temps pour des rayonnements de fréquences différentes. Par conséquent, ces valeurs sont classées comme J Et n(ou plutôt, à suffisamment de 424e43ie ; exactement un intervalle de fréquence étroit de n avant n+d n).
Un corps capable d'absorber complètement à n'importe quelle température tout rayonnement de n'importe quelle fréquence incident sur lui est appelé noir. Par conséquent, l'absorbance spectrale d'un corps noir pour toutes les fréquences et températures est identiquement égale à l'unité ( ). Il n'y a pas de corps absolument noirs dans la nature, cependant, des corps tels que la suie, le noir de platine, le velours noir et quelques autres, dans une certaine gamme de fréquences, leur sont proches dans leurs propriétés.
Le modèle idéal d'un corps noir est une cavité fermée avec un petit trou À PROPOS DE, surface intérieure qui est noirci (Fig. 286). Un faisceau de lumière qui pénètre dans une telle cavité subit de multiples réflexions depuis les parois, de sorte que l'intensité du rayonnement émis s'avère pratiquement égale à zéro. L'expérience montre que lorsque la taille du trou est inférieure à 0,1 du diamètre de la cavité, le rayonnement incident de toutes les fréquences est complètement absorbé. Par conséquent ouvre les fenêtres les maisons du côté de la rue apparaissent noires, bien qu'à l'intérieur des pièces, elles soient assez lumineuses en raison de la réflexion de la lumière sur les murs.
Parallèlement au concept de corps noir, le concept est utilisé corps gris≈ d'un corps dont l'absorptivité est inférieure à l'unité, mais est la même pour toutes les fréquences et ne dépend que de la température, du matériau et de l'état de la surface du corps. Ainsi, pour un corps gris = À= constante L'étude du rayonnement thermique a joué un rôle important dans la création de la théorie quantique de la lumière, il est donc nécessaire de considérer les lois auxquelles elle obéit. Luminosité énergétique du corpsRT, numériquement égal à l'énergie O rayonné par le corps dans toute la gamme de longueurs d'onde (0<<)
par unité de surface corporelle, par unité de temps, à température corporelle J, c'est à dire. Emissivité du corpsr ,T numériquement égal à l'énergie du corps dW rayonnée par le corps à partir d'une unité de surface corporelle, par unité de temps à la température corporelle T, dans la gamme de longueurs d'onde de à +d, ceux. Cette valeur est également appelée densité spectrale de la luminosité énergétique du corps. La luminosité énergétique est liée à l'émissivité par la formule capacité d'absorption corps ,T- un nombre indiquant quelle fraction de l'énergie du rayonnement incident sur la surface d'un corps est absorbée par celui-ci dans la gamme de longueurs d'onde de à +d, ceux. Le corps pour lequel ,T=1 sur toute la gamme de longueurs d'onde, est appelé un corps noir (corps noir). Le corps pour lequel ,T=const<1
sur toute la gamme de longueurs d'onde est appelée gris. 46. Des instruments physiques spéciaux appelés actinomètres peuvent mesurer la quantité d'énergie solaire reçue à la surface de la Terre par unité de surface et par unité de temps. Avant rayons de soleil et atteignent la surface de la Terre et tombent dans l'actinomètre, ils doivent traverser toute l'épaisseur de notre atmosphère, à la suite de quoi une partie de l'énergie sera absorbée par l'atmosphère. L'ampleur de cette absorption varie considérablement en fonction de l'état de l'atmosphère, de sorte que la quantité d'énergie solaire reçue à la surface de la Terre à différents moments est très différente. La constante solaire est la quantité d'énergie reçue par un centimètre carré de surface exposée à la limite de l'atmosphère terrestre perpendiculaire aux rayons du soleil, en une minute en petites calories. A partir d'un grand nombre d'observations actinométriques de nombreux observatoires géophysiques, la valeur suivante a été obtenue pour la constante solaire : A = 1,94 cal/cm2 min. Sur 1 mètre carré de la surface du site faisant face au Soleil au voisinage de la Terre, 1400 J d'énergie transportée par le rayonnement électromagnétique solaire par seconde entrent. Cette valeur s'appelle la constante solaire. En d'autres termes, la densité de flux d'énergie du rayonnement solaire est de 1,4 kW/m 2 . SPECTRE SOLAIRE - la distribution de l'énergie du rayonnement électromagnétique du Soleil dans la gamme de longueurs d'onde allant de quelques fractions de nm (rayonnement gamma) aux ondes radiomètres. Dans le visible, le spectre solaire est proche du spectre d'un corps absolument noir à une température d'environ 5800 K ; a un maximum d'énergie dans la région de 430-500 nm. Le spectre solaire est un spectre continu, sur lequel se superposent plus de 20 000 raies d'absorption (raies de Fraunhofer) de divers éléments chimiques. Actine O mètre- un appareil de mesure de l'intensité du rayonnement solaire direct. Le principe de fonctionnement de A. repose sur l'absorption du rayonnement incident par une surface noircie et la conversion de son énergie en chaleur. A. est un appareil relatif, parce que. l'intensité du rayonnement est jugée par divers phénomènes accompagnant le chauffage, contrairement aux pyrhéliomètres - instruments absolus. Par exemple, le principe de fonctionnement de l'actinomètre de Michelson repose sur l'échauffement d'une plaque bimétallique noircie de suie par les rayons solaires. 1
, pressé à partir de fer et d'invar Lorsqu'il est chauffé, le fer s'allonge et l'invar ne subit presque pas de dilatation thermique, de sorte que la plaque se plie. L'amplitude de la courbure sert de mesure de l'intensité du rayonnement solaire. A l'aide d'un microscope, on observe le mouvement d'un filament de quartz ,
situé en bout de plateau. Département de l'éducation du district de Kirovsky. Ministère de l'Enseignement général et secondaire Établissement d'enseignement municipal n ° 204 "École d'élite" Direction scientifique et technique. Le sujet de la physique. Corps entièrement noir Artiste : Maksim Karpov, élève de 11e année Responsable : Bondina Marina Yurievna Ekaterinbourg 2007 Présentation p.2 Théorie du corps noir page 5 Partie pratique p.15 Conclusion p.17 Littérature p.18 Introduction A la fin du XIXème siècle. de nombreux scientifiques pensaient que le développement de la physique était achevé pour les raisons suivantes : 1. Depuis plus de 200 ans, les lois de la mécanique, la théorie de la gravitation universelle, les lois de conservation (énergie, quantité de mouvement, quantité de mouvement, masse et charge électrique) existent. 2. MKT est développé. 3. Une base solide a été posée pour la thermodynamique. 4. La théorie maxwellienne de l'électromagnétisme est formulée. 5. Loi relativiste de conservation de l'énergie - masse. Fin XIX - début XX siècle. découvert par V. Roentgen - rayons X (rayons X), A. Becquerel - le phénomène de la radioactivité, J. Thomson - un électron. Cependant, la physique classique n'a pas réussi à expliquer ces phénomènes. La théorie de la relativité d'A. Einstein a nécessité une révision radicale du concept d'espace et de temps. Des expériences spéciales ont confirmé la validité de l'hypothèse de J. Maxwell sur la nature électromagnétique de la lumière. On pourrait supposer que le rayonnement des ondes électromagnétiques par des corps chauffés est dû au mouvement oscillatoire des électrons. Mais cette hypothèse a dû être confirmée en comparant les données théoriques et expérimentales. Pour une considération théorique des lois du rayonnement, le modèle d'un corps complètement noir a été utilisé, c'est-à-dire un corps qui absorbe complètement les ondes électromagnétiques de n'importe quelle longueur et, par conséquent, rayonne toutes les longueurs d'onde des ondes électromagnétiques. J'ai rencontré le phénomène d'absorption d'énergie par les corps en rentrant chez moi un soir d'automne. Ce soir-là, il faisait humide et je pouvais à peine voir la route sur laquelle je marchais. Et quand il a neigé une semaine plus tard, la route était clairement visible. J'ai donc d'abord rencontré le phénomène d'un corps complètement noir, un corps qui n'existe pas dans la nature, et ça m'a intéressé. Et comme je cherchais depuis longtemps le matériel qui m'intéressait, le rassemblant morceau par morceau, j'ai décidé d'écrire un document de recherche dans lequel tout sera connecté et organisé dans un ordre logique. Aussi, pour une perception plus pratique de la partie théorique, j'ai donné des exemples pratiques d'expériences sur lesquelles vous pouvez observer le phénomène ci-dessus. En étudiant les matériaux sur la question de la réflexion et de l'absorption de l'énergie lumineuse, j'ai supposé qu'un corps complètement noir est un corps qui absorbe toute l'énergie. Cependant, est-ce possible en pratique ? Je pense que non seulement j'ai trouvé cette question intéressante. Par conséquent, le but de mon travail est de prouver que le rayonnement des ondes électromagnétiques par des corps chauffés est dû au mouvement oscillatoire des électrons. Mais ce problème est pertinent car il n'est pas écrit dans nos manuels, dans quelques ouvrages de référence, vous pouvez lire sur un corps complètement noir. Pour ce faire, je me suis fixé plusieurs tâches : trouver autant d'informations que possible sur cette question; étudier la théorie d'un corps complètement noir; confirmer empiriquement les concepts théoriques et les phénomènes donnés dans l'abstrait ; Le résumé comprend les parties suivantes : introduction; théorie du corps noir; partie pratique; conclusion. théorie du corps noir 1. Historique de l'étude de la question. La physique classique n'a pas pu obtenir une formule raisonnable pour la densité spectrale (cette formule se vérifie facilement : un corps complètement noir est un four, un spectromètre est placé, le rayonnement se déploie dans le spectre, et pour chaque bande du spectre on peut trouver l'énergie dans cet intervalle de longueur d'onde). La physique classique ne pouvait pas seulement donner la valeur correcte de la fonction, elle ne pouvait même pas donner une valeur raisonnable, à savoir, il s'est avéré que cette fonction grandit avec une longueur d'onde décroissante, et cela n'a tout simplement aucun sens, cela signifie que tout corps dans la région visible rayonne, et encore plus aux basses fréquences, et l'énergie de rayonnement totale tend vers l'infini. Cela signifie qu'il existe dans la nature des phénomènes qui ne peuvent être décrits par les lois de la physique classique. À la fin du XIXe siècle, l'échec des tentatives de création d'une théorie du rayonnement du corps noir basée sur les lois de la physique classique a été révélé. Des lois de la physique classique, il s'ensuit qu'une substance doit émettre des ondes électromagnétiques à n'importe quelle température, perdre de l'énergie et abaisser la température au zéro absolu. Autrement dit. l'équilibre thermique entre la matière et le rayonnement était impossible. Mais cela était en contradiction avec l'expérience quotidienne. Cela peut être expliqué plus en détail comme suit. Il y a le concept d'un corps complètement noir - un corps qui absorbe le rayonnement électromagnétique de n'importe quelle longueur d'onde. Son spectre d'émission est déterminé par sa température. Il n'y a pas de corps absolument noirs dans la nature. Un corps complètement noir correspond le plus précisément à un corps creux opaque fermé avec un trou. Tout morceau de matière brille lorsqu'il est chauffé et, avec une nouvelle augmentation de la température, il devient d'abord rouge, puis blanc. La couleur de la substance ne dépend presque pas, pour un corps complètement noir, elle est déterminée uniquement par sa température. Imaginez une telle cavité fermée, qui est maintenue à une température constante et qui contient des corps matériels capables d'émettre et d'absorber des rayonnements. Si la température de ces corps au moment initial différait de la température de la cavité, alors au fil du temps le système (cavité plus corps) tendra vers l'équilibre thermodynamique, qui se caractérise par un équilibre entre l'énergie absorbée et mesurée par unité de temps G. Kirchhoff a établi que cet état d'équilibre est caractérisé par une certaine distribution spectrale de la densité d'énergie du rayonnement contenu dans la cavité, et aussi que la fonction qui détermine la distribution spectrale (fonction de Kirchhoff) dépend de la température de la cavité et ne ne dépend ni de la taille de la cavité ni de sa forme, ni des propriétés des corps matériels qui y sont placés. Puisque la fonction de Kirchhoff est universelle, c'est-à-dire est le même pour tout corps noir, alors l'hypothèse est apparue que sa forme est déterminée par certaines dispositions de la thermodynamique et de l'électrodynamique. Cependant, des tentatives de ce genre se sont avérées intenables. Il découlait de la loi de D. Rayleigh que la densité spectrale de l'énergie de rayonnement devait augmenter de manière monotone avec l'augmentation de la fréquence, mais l'expérience a témoigné du contraire : au début, la densité spectrale augmentait avec l'augmentation de la fréquence, puis diminuait. Résoudre le problème du rayonnement du corps noir nécessitait une approche fondamentalement nouvelle. Il a été trouvé par M. Planck. Planck en 1900 a formulé le postulat selon lequel une substance ne peut émettre de l'énergie de rayonnement que dans des portions finies proportionnelles à la fréquence de ce rayonnement. Ce concept a conduit à un changement dans les dispositions traditionnelles qui sous-tendent la physique classique. L'existence d'une action discrète indiquait la relation entre la localisation d'un objet dans l'espace et le temps et son état dynamique. L. de Broglie soulignait que « du point de vue de la physique classique, ce lien semble tout à fait inexplicable et bien plus incompréhensible dans les conséquences auxquelles il conduit que le lien entre les variables spatiales et le temps établi par la théorie de la relativité ». Le concept quantique dans le développement de la physique était destiné à jouer un rôle énorme. Ainsi, une nouvelle approche a été trouvée pour expliquer la nature du corps noir (sous la forme d'un concept quantique). 2. Capacité d'absorption du corps. Pour décrire le processus d'absorption du rayonnement par les corps, nous introduisons l'absorbance spectrale du corps. Pour ce faire, après avoir choisi un intervalle de fréquence étroit de à , nous considérons le flux de rayonnement , qui tombe sur la surface du corps. Si dans ce cas une partie de ce flux est absorbée par le corps, alors la capacité d'absorption du corps à une fréquence est définie comme une grandeur sans dimension qui caractérise la proportion de rayonnement de fréquence incident sur le corps, absorbé par le corps. L'expérience montre que tout corps réel absorbe le rayonnement de différentes fréquences de différentes manières, en fonction de sa température. Par conséquent, l'absorbance spectrale du corps est fonction de la fréquence, dont la forme change avec les changements de température corporelle. Par définition, la capacité d'absorption d'un corps ne peut être supérieure à un. Dans ce cas, un corps dont la capacité d'absorption est inférieure à l'unité et est la même sur toute la gamme de fréquences est appelé un corps gris. Une place particulière dans la théorie du rayonnement thermique est occupée par un corps complètement noir. Ainsi, G. Kirchhoff a appelé le corps, dans lequel à toutes les fréquences et à toutes les températures, la capacité d'absorption est égale à un. Un corps réel réfléchit toujours une partie de l'énergie du rayonnement incident sur lui (Fig. 1.2). Même la suie n'approche les propriétés d'un corps complètement noir que dans la gamme optique. 1 - corps absolument noir; 2 - corps gris; 3 - corps réel Un corps absolument noir est un corps de référence dans la théorie du rayonnement thermique. Et, bien qu'il n'y ait pas de corps absolument noir dans la nature, il suffit d'implémenter simplement un modèle pour lequel l'absorptivité à toutes les fréquences différera de manière négligeable de l'unité. Un tel modèle de corps complètement noir peut être réalisé sous la forme d'une cavité fermée (Fig. 1.3), équipée d'un petit trou dont le diamètre est bien inférieur aux dimensions transversales de la cavité. Dans ce cas, la cavité peut avoir presque n'importe quelle forme et être réalisée en n'importe quel matériau. Un petit trou a la propriété d'absorber presque complètement le rayonnement incident sur lui, et avec une diminution de la taille du trou, sa capacité d'absorption tend vers l'unité. En effet, le rayonnement traversant le trou frappe les parois de la cavité en étant partiellement absorbé par celles-ci. Avec des trous de petite taille, le faisceau doit subir de nombreuses réflexions avant de pouvoir sortir du trou, c'est-à-dire formellement d'en être réfléchi. Avec de multiples réflexions répétées sur les parois de la cavité, le rayonnement qui pénètre dans la cavité est presque complètement absorbé. Notez que si les parois de la cavité sont maintenues à une certaine température , alors le trou rayonnera, et ce rayonnement peut être considéré avec une grande précision comme le rayonnement d'un corps absolument noir ayant une température . En étudiant la répartition énergétique de ce rayonnement sur le spectre oC (Langley, E. Pringsheim, O. Lummer, F. Kurlbaum, etc.), il est possible de déterminer expérimentalement l'émissivité d'un corps noir et . Les résultats de ces expériences à diverses températures sont présentés sur les Fig. 1.4. De ces considérations, il s'ensuit que la capacité d'absorption et la couleur du corps sont interdépendantes. 3. Loi de Kirchhoff. La loi de Kirchhoff. Il doit y avoir un lien entre les propriétés émettrices et absorbantes de tout corps. En effet, dans une expérience avec un rayonnement thermique à l'équilibre (Fig. 1.1) p Par conséquent, conformément à ce principe d'équilibre détaillé, le rapport des pouvoirs d'émission et d'absorption est le même pour tous les corps de la nature, y compris un corps noir, et à une température donnée est la même fonction universelle de fréquence (longueur d'onde). Cette loi du rayonnement thermique, établie en 1859 par G. Kirchhoff en considérant les lois thermodynamiques des systèmes d'équilibre avec rayonnement, peut s'écrire comme la relation où les indices 1, 2, 3... correspondent à différents corps réels. Il découle de la loi de Kirchhoff que les fonctions universelles sont respectivement l'émissivité spectrale et le corps noir à l'échelle des fréquences ou des longueurs d'onde. Par conséquent, la relation entre eux est déterminée par la formule Le rayonnement du corps noir a un caractère universel dans la théorie du rayonnement thermique. Un corps réel rayonne à n'importe quelle température toujours moins d'énergie qu'un corps complètement noir. Connaissant l'émissivité d'un corps noir (fonction universelle de Kirchhoff) et l'absorptivité d'un corps réel, la loi de Kirchhoff permet de déterminer l'énergie émise par ce corps dans n'importe quelle gamme de fréquence ou de longueur d'onde. Cela signifie que cette énergie rayonnée par le corps est définie comme la différence entre le pouvoir émissif d'un corps noir et le pouvoir absorbant d'un corps réel. 4. Loi de Stefan-Boltzmann Loi de Stefan Boltzmann. Des études expérimentales (1879 J. Stefan) et théoriques (1884 L. Boltzmann) ont permis de prouver l'importante loi du rayonnement thermique d'un corps entièrement noir. Cette loi stipule que la luminosité énergétique d'un corps noir est proportionnelle à la quatrième puissance de sa température absolue, c'est-à-dire Cette loi est souvent utilisée en astronomie pour déterminer la luminosité d'une étoile par sa température. Pour ce faire, il faut passer de la densité de rayonnement à une grandeur observable - le flux. La formule du flux de rayonnement intégré sur le spectre sera dérivée dans le troisième chapitre. Selon les mesures modernes, la constante de Stefan-Boltzmann Pour les corps réels, la loi de Stefan-Boltzmann n'est remplie que qualitativement, c'est-à-dire qu'avec l'augmentation de la température, les luminosités énergétiques de tous les corps augmentent. Cependant, pour les corps réels, la dépendance de la luminosité énergétique à la température n'est plus décrite par la simple relation (1.7), mais a la forme Le coefficient de (1.8), qui est toujours inférieur à l'unité, peut être appelé la capacité d'absorption intégrale du corps. Les valeurs, qui dépendent généralement de la température, sont connues pour de nombreux matériaux techniquement importants. Donc, dans une gamme assez large de températures pour les métaux, et pour le charbon et les oxydes métalliques. Pour les corps réels non noirs, on peut introduire le concept de température de rayonnement effective, qui est définie comme la température d'un corps complètement noir qui a la même luminosité énergétique qu'un corps réel. La température corporelle de rayonnement est toujours inférieure à la température corporelle réelle. En effet, pour un vrai corps La température de rayonnement des corps incandescents fortement chauffés peut être déterminée à l'aide d'un pyromètre à rayonnement (Fig. 1.5), dans lequel l'image d'une source chauffée suffisamment éloignée Et est projetée avec une lentille sur le récepteur P de sorte que l'image de l'émetteur se chevauche complètement le récepteur. Des bolomètres métalliques ou semi-conducteurs ou des thermocouples sont généralement utilisés pour estimer l'énergie du rayonnement qui frappe le récepteur. L'action des bolomètres est basée sur une variation de la résistance électrique d'un métal ou d'un semi-conducteur avec une variation de température provoquée par l'absorption d'un flux de rayonnement incident. La modification de la température de la surface absorbante des thermoéléments entraîne l'apparition de thermo-EMF en eux. La lecture de l'appareil relié à un bolomètre ou à un thermoélément s'avère être proportionnelle à l'énergie de rayonnement qui a frappé le récepteur du pyromètre. Après avoir préalablement calibré le pyromètre en fonction du rayonnement d'un étalon de corps noir à différentes températures, il est possible de mesurer les températures de rayonnement de divers corps chauffés à l'échelle de l'appareil. Connaissant l'absorbance intégrale du matériau de l'émetteur, il est possible de convertir la température de rayonnement mesurée de l'émetteur en sa température réelle par la formule En particulier, si un pyromètre à rayonnement indique la température K lors de l'observation de la surface chaude d'un émetteur de tungstène (), alors sa vraie température est K. De cela, nous pouvons conclure que la luminosité de tout corps peut être déterminée par sa température. 5. Loi de déplacement de Wien En 1893, le physicien allemand V. Win considère théoriquement le processus thermodynamique de compression du rayonnement contenu dans une cavité aux parois idéalement miroir. Tenant compte du changement de fréquence de rayonnement dû à l'effet Doppler lors de la réflexion d'un miroir mobile, Win est arrivé à la conclusion que l'émissivité d'un corps complètement noir devrait avoir la forme Voici une certaine fonction dont la forme spécifique ne peut être établie par des méthodes thermodynamiques. En passant dans cette formule de Wien de la fréquence à la longueur d'onde, conformément à la règle de transition (1.3), on obtient Comme on peut le voir, la température n'entre dans l'expression de l'émissivité que sous la forme d'un produit. Déjà cette circonstance nous permet de prédire certaines caractéristiques de la fonction . En particulier, cette fonction atteint un maximum à une certaine longueur d'onde , qui, lorsque la température corporelle change, change de sorte que la condition est remplie : . Ainsi, V. Vin a formulé la loi du rayonnement thermique selon laquelle la longueur d'onde, qui représente l'émissivité maximale d'un corps entièrement noir, est inversement proportionnelle à sa température absolue. Cette loi peut s'écrire La valeur de la constante dans cette loi, obtenue à partir d'expériences, s'est avérée égale à m La loi de Wien est appelée loi de déplacement, soulignant ainsi qu'avec une augmentation de la température d'un corps complètement noir, la position du maximum de son émissivité se déplace vers la région des courtes longueurs d'onde. Les résultats expérimentaux montrés dans les Fig. 1.4 confirment cette conclusion non seulement qualitativement, mais aussi quantitativement, strictement conformément à la formule (1.11). Pour les corps réels, la loi de Wien n'est satisfaite que qualitativement. Lorsque la température d'un corps augmente, la longueur d'onde à proximité de laquelle le corps émet le plus d'énergie se déplace également vers des longueurs d'onde plus courtes. Ce déplacement, cependant, n'est plus décrit par la simple formule (1.11), qui pour le rayonnement des corps réels ne peut être utilisée qu'à titre d'estimation. De la loi de déplacement de Wien, il s'avère que la température d'un corps et la longueur d'onde de son émissivité sont interdépendantes. 6. Formule Rayleigh-Jeans Dans la gamme des fréquences extrêmement basses, appelée région de Rayleigh-Jeans, la densité d'énergie est proportionnelle à la température T et au carré de la fréquence ω : Dans la Figure 2.1.1, cette zone est marquée par une voie de circulation. La formule de Rayleigh-Jeans peut être dérivée purement de manière classique, sans faire intervenir de concepts quantiques. Plus la température du corps noir est élevée, plus la gamme de fréquences dans laquelle cette formule est valide est large. Elle est expliquée dans la théorie classique, mais elle ne peut pas être étendue aux hautes fréquences (ligne pointillée sur la Fig. 2.1.1), car la densité d'énergie sommée sur le spectre dans ce cas est infiniment grande : Cette caractéristique de la loi de Rayleigh-Jeans est appelée la "catastrophe ultraviolette". D'après la formule de Rayleigh-Jeans, on peut voir que la température corporelle ne s'applique pas aux hautes fréquences. 7. Formule Vin Dans la gamme des hautes fréquences (région B de la Fig. 2.1.1), la formule de Wien est valable : On voit clairement que le membre de droite varie de manière non monotone. Si la fréquence n'est pas trop élevée, alors le facteur ω3 prévaut et la fonction Uω augmente. Lorsque la fréquence augmente, la croissance de Uω ralentit, elle passe par un maximum, puis décroît en raison d'un facteur exponentiel. La présence d'un maximum dans le spectre d'émission distingue la gamme Wien de la région de Rayleigh-Jeans. Plus la température corporelle est élevée, plus la fréquence de coupure est élevée, à partir de laquelle la formule de Wien est remplie. La valeur du paramètre a dans l'exposant de droite dépend du choix des unités dans lesquelles la température et la fréquence sont mesurées. Cela signifie que la formule de Wien nécessite l'utilisation de concepts quantiques de la nature de la lumière. Ainsi, j'ai considéré les questions qui m'étaient posées. Il est facile de voir que les lois existantes de la physique du XIXème siècle. étaient superficiels, ils ne reliaient pas toutes les caractéristiques (longueur d'onde, température, fréquence, etc.) des corps physiques. Toutes les lois ci-dessus se complétaient, mais pour une compréhension complète de cette question, il était nécessaire d'impliquer des idées quantiques sur la nature de la lumière. Partie pratique Comme je l'ai dit à plusieurs reprises, le phénomène d'un corps complètement noir n'existe pas dans la pratique aujourd'hui, en tout cas, nous ne pouvons pas le créer et le voir. Cependant, nous pouvons effectuer un certain nombre d'expériences qui démontrent les calculs théoriques ci-dessus. Le blanc peut-il être plus noir que le noir ? Commençons par une observation très simple. Si vous placez des feuilles de papier blanc et noir les unes à côté des autres et créez de l'obscurité dans la pièce. Il est clair qu'alors vous ne verrez pas une seule feuille, c'est-à-dire que les deux seront également noires. Il semblerait qu'en aucun cas le papier blanc ne puisse être plus noir que le noir. Et pourtant il n'en est rien. Un corps qui, à n'importe quelle température, absorbe complètement le rayonnement de n'importe quelle fréquence incidente sur lui est appelé absolument noir. Il est clair qu'il s'agit d'une idéalisation : il n'y a pas de corps absolument noirs dans la nature. Les corps que nous appelons habituellement noirs (suie, suie, velours noir et papier, etc.) sont en réalité gris, c'est-à-dire ils absorbent partiellement et diffusent partiellement la lumière qui tombe sur eux. Il s'avère qu'une cavité sphérique avec un petit trou peut servir de très bon modèle de corps noir. Si le diamètre du trou ne dépasse pas 1/10 du diamètre de la cavité, alors (comme le montre le calcul correspondant) le faisceau lumineux qui est entré dans le trou ne pourra en ressortir qu'après de multiples diffusions ou réflexions de différents points de la paroi de la cavité. Mais à chaque "contact" du faisceau avec le mur, l'énergie lumineuse est partiellement absorbée, de sorte que la fraction de Afin d'observer simplement le phénomène, vous pouvez faire encore plus simple (mais moins intéressant). Vous devez prendre une tasse en porcelaine blanche et la fermer avec un couvercle en papier noir avec un petit trou - l'effet sera presque le même. Veuillez noter que si vous regardez les fenêtres de la rue par une belle journée ensoleillée, elles nous semblent sombres. Soit dit en passant, Eric Rogers, professeur à l'Université de Princeton, qui a écrit Physics for the Curious, publié non seulement ici, a donné une "description" particulière d'un corps absolument noir: "Aucune peinture noire sur une niche ne semble plus noire qu'une porte ouverte pour un chien .” Après avoir retiré les autocollants de deux canettes vides identiques et fumé ou peint une canette avec de la peinture noire, laissant l'autre lumière, versant de l'eau chaude dans les deux canettes et voyant laquelle d'entre elles refroidit plus rapidement (l'expérience peut également être réalisée dans l'obscurité); vous observez le phénomène de rayonnement thermique. De plus, le phénomène de rayonnement thermique peut être observé en regardant le fonctionnement d'un radiateur électrique de pièce, constitué d'une spirale incandescente et d'une surface métallique concave bien polie. Il est curieux que : La relation entre la lumière et les rayons de chaleur est connue depuis l'antiquité. De plus, le mot "focus" en latin signifie "feu", "foyer", ce qui, appliqué aux miroirs concaves et aux lentilles, indique une attention prioritaire à la concentration des rayons thermiques plutôt que lumineux. Parmi les nombreuses expériences des XVIe-XVIIIe siècles, se distingue celle menée par Edm Mariotte, dans laquelle la poudre à canon était enflammée par des rayons de chaleur réfléchis par un miroir concave en... glace. William Herschel, célèbre pour la découverte de la planète Uranus, ayant découvert des rayons invisibles - infrarouges - dans le spectre du Soleil, en fut tellement émerveillé qu'il en garda le silence pendant vingt ans. Mais le fait que Mars soit habitée et habitée, il n'en doutait pas... après que l'analyse spectrale ait montré la présence dans l'atmosphère du Soleil de nombreux éléments chimiques, dont de l'or, un banquier a dit à Kirchhoff : « Eh bien, à quoi sert votre or solaire ? Après tout, il ne peut pas être livré sur Terre de toute façon ! " Quelques années ont passé et Kirchhoff a reçu une médaille d'or d'Angleterre et un prix en espèces pour ses recherches remarquables. Montrant cet argent au banquier, il a dit: "Regardez, j'ai quand même réussi à obtenir de l'or du Soleil après tout." sur la tombe de Fraunhofer, qui a découvert des lignes sombres dans le spectre du Soleil et étudié les spectres des planètes et des étoiles, des compatriotes reconnaissants ont érigé un monument avec l'inscription "A rapproché les étoiles". Les exemples pratiques que j'ai donnés confirment les calculs de la partie théorique. Conclusion J'ai passé en revue les questions qui m'ont été posées. Il est facile de voir que les lois existantes de la physique du XIXème siècle. étaient superficiels, ils ne reliaient pas toutes les caractéristiques (longueur d'onde, température, fréquence, etc.) des corps physiques. Toutes les lois ci-dessus se complétaient, mais pour une compréhension complète de cette question, il était nécessaire d'impliquer des idées quantiques sur la nature de la lumière. La création de la théorie quantique a permis d'expliquer de nombreux phénomènes, comme le phénomène d'un corps complètement noir, c'est-à-dire un corps qui absorbe complètement les ondes électromagnétiques de n'importe quelle longueur et, par conséquent, rayonne toutes les longueurs d'onde des ondes électromagnétiques. Il a également permis d'expliquer la relation entre l'absorptivité et la couleur du corps, la dépendance de la luminosité du corps à sa température. Par la suite, ces phénomènes ont été expliqués par la physique classique. J'ai rempli le but de mon travail - j'ai présenté à tout le monde le problème d'un corps complètement noir. Pour ce faire, j'ai effectué les tâches suivantes : trouvé autant d'informations que possible sur ce problème; étudié la théorie d'un corps complètement noir; confirmé empiriquement les concepts théoriques et les phénomènes donnés dans l'abstrait; Pour une considération théorique des lois du rayonnement, le modèle d'un corps complètement noir a été utilisé, c'est-à-dire un corps qui absorbe complètement les ondes électromagnétiques de n'importe quelle longueur et, par conséquent, rayonne toutes les longueurs d'onde des ondes électromagnétiques. Liste de la littérature utilisée : Myakishev G. Ya., Physique 11, M., 2000. Kasyanov V.A., Physique 11, M., 2004. Landsberg G.S., Manuel élémentaire de physique, volume III, M., 1986. http://ru.wikipedia.org/wiki/Absolutely_black_body.absolument Paradoxalement. Noir trou se comporte comme corps avec une température égale à absolu zéro... car avec noir des trous... Alors noir le trou rayonne comme un parfait noir corps(prise de conscience inattendue... À la fin du XIXe siècle, les scientifiques, étudiant l'interaction du rayonnement électromagnétique (en particulier de la lumière) avec les atomes de matière, étaient confrontés à de graves problèmes qui ne pouvaient être résolus que dans le cadre de la mécanique quantique, qui, à bien des égards, était né en raison du fait que ces problèmes ont surgi. Pour comprendre le premier et peut-être le plus grave de ces problèmes, imaginez une grande boîte noire avec un intérieur en miroir, avec un petit trou percé dans l'une de ses parois. Un faisceau de lumière qui pénètre dans la boîte par un trou microscopique reste à l'intérieur pour toujours, se reflétant sans fin sur les murs. Un objet qui ne réfléchit pas la lumière, mais l'absorbe complètement, a l'air noir, c'est pourquoi on l'appelle communément corps noir. (Un corps noir parfait est, comme beaucoup d'autres phénomènes physiques conceptuels, un objet purement hypothétique, bien que, par exemple, une sphère creuse, uniformément chauffée et reflétée de l'intérieur, dans laquelle la lumière pénètre par un seul petit trou, soit une bonne approximation. ) Cependant, vous avez probablement vu en réalité des analogues assez proches d'un corps noir. Dans le foyer, par exemple, il arrive que plusieurs bûches soient pliées presque étroitement et qu'une cavité assez grande brûle à l'intérieur. À l'extérieur, les bûches restent sombres et ne brillent pas, tandis que la chaleur (rayonnement infrarouge) et la lumière s'accumulent à l'intérieur de la cavité brûlée, et avant d'éclater, ces rayons sont réfléchis à plusieurs reprises par les parois de la cavité. Si vous regardez dans l'espace entre ces bûches, vous verrez une lueur jaune-orange brillante à haute température et, à partir de là, vous brûlerez littéralement de chaleur. C'est juste que les rayons ont été piégés entre les bûches pendant un certain temps, tout comme la lumière est complètement captée et absorbée par la boîte noire décrite ci-dessus. Le modèle d'une telle boîte noire nous aide à comprendre comment la lumière absorbée par un corps noir se comporte lorsqu'elle interagit avec les atomes de sa matière. Ici, il est important de comprendre que la lumière est absorbée par un atome, immédiatement émise par lui et absorbée par un autre atome, à nouveau émise et absorbée, et ceci jusqu'à ce que l'état de saturation d'équilibre soit atteint. Lorsqu'un corps noir est chauffé à un état d'équilibre, l'intensité d'émission et d'absorption des rayons à l'intérieur du corps noir s'égalise : lorsqu'une certaine quantité de lumière d'une certaine fréquence est absorbée par un atome, un autre atome quelque part à l'intérieur émet simultanément la même quantité de lumière de même fréquence. Ainsi, la quantité de lumière absorbée de chaque fréquence à l'intérieur d'un corps noir reste la même, bien qu'elle soit absorbée et émise par différents atomes du corps. Jusqu'ici, le comportement du corps noir reste assez clair. Les problèmes dans le cadre de la physique classique (par "classique" nous entendons ici la physique avant l'avènement de la mécanique quantique) ont commencé par des tentatives de calcul de l'énergie de rayonnement stockée à l'intérieur d'un corps noir dans un état d'équilibre. Et deux choses sont vite devenues claires : Prises ensemble, ces deux conclusions ont conduit à un résultat impensable : l'énergie de rayonnement à l'intérieur du corps noir doit être infinie ! Cette parodie diabolique des lois de la physique classique a été baptisée catastrophe ultraviolette, puisque le rayonnement à haute fréquence se situe dans la partie ultraviolette du spectre. L'ordre a été rétabli par le physicien allemand Max Planck ( cm. constante de Planck) - il a montré que le problème est résolu si nous supposons que les atomes ne peuvent absorber et émettre de la lumière que par portions et uniquement à certaines fréquences. (Plus tard, Albert Einstein a généralisé cette idée en introduisant le concept photons- portions strictement définies de rayonnement lumineux.) Selon ce schéma, de nombreuses fréquences de rayonnement prédites par la physique classique ne peuvent tout simplement pas exister à l'intérieur d'un corps noir, car les atomes ne sont pas capables de les absorber ou de les émettre ; par conséquent, ces fréquences ne sont pas prises en compte lors du calcul du rayonnement d'équilibre à l'intérieur d'un corps noir. Ne laissant que des fréquences acceptables, Planck a empêché une catastrophe ultraviolette et a orienté la science sur la voie d'une véritable compréhension de la structure du monde au niveau subatomique. De plus, il a calculé la distribution de fréquence caractéristique du rayonnement d'équilibre d'un corps noir. Cette distribution a acquis une renommée mondiale plusieurs décennies après sa publication par Planck lui-même, lorsque les cosmologistes ont découvert que le rayonnement de fond micro-onde qu'ils avaient découvert ( cm. Le Big Bang) obéit exactement à la distribution de Planck en termes de caractéristiques spectrales et correspond au rayonnement d'un corps noir à une température d'environ trois degrés au-dessus du zéro absolu.
(1)
(2)
(3)
. (4)
l'équilibre du système ne peut s'établir que si chaque corps émet autant d'énergie par unité de temps qu'il en absorbe. Cela signifie que les corps qui absorbent plus intensément le rayonnement de n'importe quelle fréquence émettront ce rayonnement plus intensément.
.
W / (m 2 (K4).
. De là, nous trouvons que , c'est-à-dire puisque les corps réels ont .
(1.9)
(1.10)
mK.
le rayonnement des trous est négligeable. Par conséquent, on peut supposer que l'ouverture de la cavité absorbe presque complètement la lumière de n'importe quelle longueur d'onde, tout comme un corps complètement noir. Et l'appareil lui-même pour l'expérience peut être fait, par exemple, comme ça. Du carton, vous devez coller à 
une boîte mesurant environ 100x100x100 mm avec un couvercle ouvrant. De l'intérieur, la boîte doit être collée avec du papier blanc et à l'extérieur - peinte à l'encre noire, à la gouache ou, mieux encore, collée avec du papier provenant de paquets de photos. Dans le couvercle, vous devez faire un trou d'un diamètre ne dépassant pas 10 mm. Montrant l'expérience, il est nécessaire d'éclairer le couvercle de la boîte avec une lampe de table, puis le trou aura l'air plus noir que le couvercle noir.
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