До края на 19 век учените, изучаващи взаимодействието на електромагнитното излъчване (по-специално светлината) с атомите на материята, се натъкват на сериозни проблеми, които могат да бъдат решени само в рамките на квантовата механика, която в много отношения възниква поради на факта, че тези проблеми са възникнали. За да разберете първия и може би най-сериозен от тези проблеми, представете си голяма черна кутия с огледална вътрешна повърхност, а в една от стените има малък отвор. Лъч светлина, проникващ в кутия през микроскопичен отвор, остава вътре завинаги, безкрайно отразявайки се от стените. Обект, който не отразява светлината, а напълно я поглъща, изглежда черен, поради което обикновено се нарича черно тяло. (Черното тяло, подобно на много други концептуални физически явления, е чисто хипотетичен обект, въпреки че, например, куха, равномерно нагрята сфера, огледална отвътре, в която светлината прониква през една малка дупка, е добро приближение.)
Вие обаче вероятно сте виждали доста близки аналози на черно тяло в действителност. В камина, например, се случва няколко трупи да са подредени почти плътно една до друга и в тях да изгори доста голяма кухина. Външната страна на трупите остава тъмна и не свети, докато вътре в изгорялата кухина се натрупва топлина (инфрачервено лъчение) и светлина и тези лъчи се отразяват многократно от стените на кухината, преди да избягат навън. Ако погледнете в празнината между такива трупи, ще видите ярко жълто-оранжево високотемпературно сияние и оттам буквално ще пламнете от топлина. Лъчите просто са били уловени за известно време между трупите, точно както светлината е напълно уловена и погълната от черната кутия, описана по-горе.
Моделът на такава черна кутия ни помага да разберем как се държи светлината, погълната от черно тяло, взаимодействайки с атомите на неговото вещество. Тук е важно да се разбере, че светлината се абсорбира от един атом, веднага се излъчва от него и се абсорбира от друг атом, отново се излъчва и абсорбира и това ще се случи до достигане на състоянието на равновесно насищане. Когато черното тяло се нагрее до равновесно състояние, интензитетите на излъчване и поглъщане на лъчите вътре в черното тяло се изравняват: когато определено количество светлина с определена честота се абсорбира от един атом, друг атом някъде вътре едновременно излъчва същото количество светлина със същата честота. По този начин количеството абсорбирана светлина от всяка честота в едно черно тяло остава същото, въпреки че различните атоми на тялото я абсорбират и излъчват.
До този момент поведението на черното тяло остава съвсем разбираемо. Проблемите в рамките на класическата физика (под „класическа“ тук имаме предвид физиката преди появата на квантовата механика) започнаха, когато се опитахме да изчислим радиационната енергия, съхранявана вътре в черно тяло в равновесно състояние. И скоро станаха ясни две неща:
- колкото по-висока е честотата на вълната на лъчите, толкова повече от тях се натрупват вътре в черното тяло (т.е. колкото по-къси са дължините на вълната на изследваната част от спектъра на радиационните вълни, толкова повече лъчи от тази част от спектъра вътре в черното тяло са предвидени от класическата теория);
- Колкото по-висока е честотата на вълната, толкова повече енергия носи тя и съответно толкова повече от нея се складира вътре в черното тяло.
Взети заедно, тези две заключения доведоха до немислим резултат: радиационната енергия вътре в черно тяло трябва да е безкрайна! Тази зла подигравка със законите на класическата физика беше наречена ултравиолетово бедствие, тъй като високочестотното лъчение се намира в ултравиолетовата част на спектъра.
Редът е възстановен от немския физик Макс Планк ( см.Константата на Планк) - той показа, че проблемът се отстранява, ако приемем, че атомите могат да абсорбират и излъчват светлина само на части и само при определени честоти. (По-късно Алберт Айнщайн обобщава тази идея, като въвежда концепцията фотони- строго определени порции светлинно излъчване.) Съгласно тази схема, много честоти на излъчване, предвидени от класическата физика, просто не могат да съществуват вътре в черно тяло, тъй като атомите не са в състояние да ги абсорбират или излъчват; Съответно, тези честоти са изключени от разглеждане при изчисляване на равновесното излъчване вътре в черно тяло. Като остави само допустимите честоти, Планк предотврати ултравиолетовата катастрофа и постави науката по пътя към правилното разбиране на структурата на света на субатомно ниво. Освен това той изчислява характерното честотно разпределение на равновесното излъчване на черно тяло.
Това разпределение придоби световна известност много десетилетия след публикуването му от самия Планк, когато космолозите откриха, че откритото от тях космическо микровълново фоново лъчение ( см.Големият взрив) следва точно разпределението на Планк в своите спектрални характеристики и съответства на излъчване на черно тяло при температура около три градуса над абсолютната нула.
Напълно черно тяло, което напълно абсорбира електромагнитно излъчване от всякаква честота, когато се нагрява, излъчва енергия под формата на вълни, равномерно разпределени по целия честотен спектър
До края на 19 век учените, изучаващи взаимодействието на електромагнитното излъчване (по-специално светлината) с атомите на материята, се натъкват на сериозни проблеми, които могат да бъдат решени само в рамките на квантовата механика, която в много отношения възниква поради на факта, че тези проблеми са възникнали. За да разберете първия и може би най-сериозен от тези проблеми, представете си голяма черна кутия с огледална вътрешна повърхност, а в една от стените има малък отвор. Лъч светлина, проникващ в кутия през микроскопичен отвор, остава вътре завинаги, безкрайно отразявайки се от стените. Обект, който не отразява светлината, а напълно я поглъща, изглежда черен, поради което обикновено се нарича черно тяло. (Черното тяло, подобно на много други концептуални физически явления, е чисто хипотетичен обект, въпреки че, например, куха, равномерно нагрята сфера, огледална отвътре, в която светлината прониква през една малка дупка, е добро приближение.)
В природата не съществуват абсолютно черни тела, затова във физиката се използва модел за експерименти. Представлява непрозрачна затворена кухина с малък отвор, чиито стени имат еднаква температура. Светлината, влизаща през този отвор, след многократни отражения ще бъде напълно абсорбирана и външната страна на отвора ще изглежда напълно черна. Но когато тази кухина се нагрее, тя ще развие своя собствена видима радиация. Тъй като радиацията, излъчвана от вътрешните стени на кухината, преди да напусне (в края на краищата дупката е много малка), в преобладаващата част от случаите ще претърпи огромно количество ново поглъщане и излъчване, можем да кажем с увереност, че радиацията вътре в кухината е в термодинамично равновесие със стените. (Всъщност дупката изобщо не е важна за този модел, тя е необходима само за подчертаване на фундаменталната видимост на излъчването вътре; дупката може например да бъде напълно затворена и бързо отворена само когато вече е установено равновесие и измерването се извършва). |
Вие обаче вероятно сте виждали доста близки аналози на черно тяло в действителност. В камина, например, се случва няколко трупи да са подредени почти плътно една до друга и в тях да изгори доста голяма кухина. Външната страна на трупите остава тъмна и не свети, докато вътре в изгорялата кухина се натрупва топлина (инфрачервено лъчение) и светлина и тези лъчи се отразяват многократно от стените на кухината, преди да избягат навън. Ако погледнете в празнината между такива трупи, ще видите ярко жълто-оранжево високотемпературно сияние и оттам буквално ще пламнете от топлина. Лъчите просто са били уловени за известно време между трупите, точно както светлината е напълно уловена и погълната от черната кутия, описана по-горе.
Моделът на такава черна кутия ни помага да разберем как се държи светлината, погълната от черно тяло, взаимодействайки с атомите на неговото вещество. Тук е важно да се разбере, че светлината се абсорбира от един атом, веднага се излъчва от него и се абсорбира от друг атом, отново се излъчва и абсорбира и това ще се случи до достигане на състоянието на равновесно насищане. Когато черното тяло се нагрее до равновесно състояние, интензитетите на излъчване и поглъщане на лъчите вътре в черното тяло се изравняват: когато определено количество светлина с определена честота се абсорбира от един атом, друг атом някъде вътре едновременно излъчва същото количество светлина със същата честота. По този начин количеството абсорбирана светлина от всяка честота в едно черно тяло остава същото, въпреки че различните атоми на тялото я абсорбират и излъчват.
До този момент поведението на черното тяло остава съвсем разбираемо. Проблемите в рамките на класическата физика (под „класическа“ тук имаме предвид физиката преди появата на квантовата механика) започнаха, когато се опитахме да изчислим радиационната енергия, съхранявана вътре в черно тяло в равновесно състояние. И скоро станаха ясни две неща:
- колкото по-висока е честотата на вълната на лъчите, толкова повече от тях се натрупват вътре в черното тяло (т.е. колкото по-къси са дължините на вълната на изследваната част от спектъра на радиационните вълни, толкова повече лъчи от тази част от спектъра вътре в черното тяло са предвидени от класическата теория);
- Колкото по-висока е честотата на вълната, толкова повече енергия носи тя и съответно толкова повече от нея се складира вътре в черното тяло.
Немският физик Макс Планк успя да възстанови реда (вижте константата на Планк) - той показа, че проблемът се премахва, ако приемем, че атомите могат да поглъщат и излъчват светлина само на части и само на определени честоти. (По-късно Алберт Айнщайн обобщава тази идея, като въвежда концепцията за фотони - строго определени части от светлинното лъчение.) Според тази схема много честоти на лъчение, предвидени от класическата физика, просто не могат да съществуват в черно тяло, тъй като атомите не са в състояние да абсорбират или ги излъчват; Съответно, тези честоти са изключени от разглеждане при изчисляване на равновесното излъчване вътре в черно тяло. Като остави само допустимите честоти, Планк предотврати ултравиолетовата катастрофа и постави науката по пътя към правилното разбиране на структурата на света на субатомно ниво. Освен това той изчислява характерното честотно разпределение на равновесното излъчване на черно тяло.
Това разпределение придоби световна известност много десетилетия след публикуването му от самия Планк, когато космолозите откриха, че откритото от тях космическо микровълново фоново лъчение се подчинява точно на разпределението на Планк в своите спектрални характеристики и съответства на излъчването на напълно черно тяло при температура около три градуса над абсолютната нула.
Енциклопедия на Джеймс Трефил „Природата на науката. 200 закона на Вселената."
Джеймс Трефил е професор по физика в университета Джордж Мейсън (САЩ), един от най-известните западни автори на научно-популярни книги.
| Коментари: 0 |
Един от фактите на субатомния свят е, че неговите обекти - като електрони или фотони - изобщо не са подобни на обичайните обекти на макросвета. Те не се държат нито като частици, нито като вълни, а като напълно специални образувания, които показват както вълнови, така и корпускулярни свойства в зависимост от обстоятелствата. Едно е да се направи твърдение, а съвсем друго е да се свържат вълновите и частиците на поведението на квантовите частици, описвайки ги с точно уравнение. Точно това беше направено във връзката с де Бройл.
В ежедневието има два начина за пренос на енергия в космоса – чрез частици или вълни. В ежедневието няма видими противоречия между двата механизма на пренос на енергия. И така, баскетболната топка е частица, а звукът е вълна и всичко е ясно. В квантовата механика обаче нещата не са толкова прости. Дори от най-простите експерименти с квантови обекти много скоро става ясно, че в микросвета не важат познатите ни принципи и закони на макросвета. Светлината, която сме свикнали да мислим като вълна, понякога се държи така, сякаш се състои от поток от частици (фотони), а елементарните частици, като електрон или дори масивен протон, често проявяват свойствата на вълна.
Има редица видове електромагнитно излъчване, вариращи от радиовълни до гама лъчи. Всички видове електромагнитни лъчи се разпространяват във вакуум със скоростта на светлината и се различават един от друг само по дължина на вълната.
Макс Планк, един от основателите на квантовата механика, стигна до идеите за квантуване на енергията, опитвайки се да обясни теоретично процеса на взаимодействие между наскоро откритите електромагнитни вълни и атоми и по този начин да реши проблема с излъчването на черното тяло. Той осъзна, че за да се обясни наблюдаваният емисионен спектър на атомите, е необходимо да се приеме за даденост, че атомите излъчват и поглъщат енергия на части (които ученият нарича кванти) и само при индивидуални вълнови честоти.
Двойната частково-вълнова природа на квантовите частици се описва с диференциално уравнение.
Думата „квант“ произлиза от латинското quantum („колко, колко“) и английското quantum („количество, порция, количество“). „Механика“ отдавна е името, дадено на науката за движението на материята. Съответно терминът „квантова механика“ означава наука за движението на материята на порции (или, на съвременен научен език, наука за движението на квантована материя). Терминът „квант“ е въведен от немския физик Макс Планк, за да опише взаимодействието на светлината с атомите.
Най-вече Айнщайн протестира срещу необходимостта да се описват явленията на микросвета от гледна точка на вероятности и вълнови функции, а не от обичайната позиция на координатите и скоростите на частиците. Това имаше предвид с „хвърляне на зара“. Той признава, че описването на движението на електроните по отношение на техните скорости и координати противоречи на принципа на несигурността. Но, твърди Айнщайн, трябва да има някои други променливи или параметри, като се има предвид, че квантово-механичната картина на микросвета ще се върне към пътя на целостта и детерминизма. Тоест, настоя той, само на нас ни се струва, че Господ си играе на зарове с нас, защото не разбираме всичко. Така той е първият, който формулира хипотезата за скритата променлива в уравненията на квантовата механика. Той се крие във факта, че всъщност електроните имат фиксирани координати и скорост, подобно на билярдните топки на Нютон, а принципът на неопределеността и вероятностният подход за тяхното определяне в рамките на квантовата механика са резултат от непълнотата на самата теория, която е защо не им позволява със сигурност дефинирайте.
Светлината е в основата на живота на нашата планета. Отговаряйки на въпросите "Защо небето е синьо?" и „Защо тревата е зелена?“ можете да дадете категоричен отговор - „Благодарение на светлината“. Това е неразделна част от живота ни, но все още се опитваме да разберем феномена на светлината...
Вълните са един от двата начина за пренос на енергия в пространството (другият начин е корпускуларен, използвайки частици). Вълните обикновено се разпространяват в някаква среда (например вълни на повърхността на езеро се разпространяват във вода), но посоката на движение на самата среда не съвпада с посоката на движение на вълните. Представете си плувка, която се подклажда по вълните. Издигайки се и спускайки се, плувката следва движенията на водата, докато вълните минават покрай нея. Явлението интерференция възниква, когато две или повече вълни с еднаква честота, разпространяващи се в различни посоки, си взаимодействат.
Основите на явлението дифракция могат да бъдат разбрани чрез позоваване на принципа на Хюйгенс, според който всяка точка по пътя на разпространение на светлинен лъч може да се разглежда като нов независим източник на вторични вълни и се определя по-нататъшната дифракционна картина чрез интерференцията на тези вторични вълни. Когато светлинна вълна взаимодейства с препятствие, някои от вторичните вълни на Хюйгенс се блокират.
Законът на Кирхоф води до интересно следствие. Телата, които обменят топлина чрез радиация, получават (при еднакъв интензитет на електромагнитни вълни от техните съседи, независимо от материала и свойствата на тялото. За всяка дължина на вълната (или честота, това е едно и също нещо) и за всяка температура опитът води до универсална стойност По този начин съществува универсална функция на честотата на излъчване и температурата, която характеризира процеса на топлообмен чрез излъчване.
Функциите могат да получат визуално съдържание. Помислете за тяло, което абсорбира 100% от падащата върху него енергия при всички дължини на вълните. За такова напълно черно тяло и
Функцията е излъчвателната способност на напълно черно тяло. Но как да създадем тяло, което да абсорбира светлина с всякаква дължина на вълната? Разбира се, черни вещества като сажди ще ни позволят да се доближим до такова тяло. Няколко процента обаче винаги ще ни делят от условието. Може би по-гениално решение.
Представете си кутия с малък отвор. Като намалите размера на тази дупка, можете да я направите напълно черна. Тази особеност на дупките е добре известна от ежедневните наблюдения. Дълбока дупка, отворен прозорец в стая, която не е осветена отвътре, кладенец - това са примери за абсолютно черни „тела“. Съвсем ясно е какво се случва тук: лъч, влизащ в кухина през дупка, може да излезе само след многократни отражения (фиг. 187). Но с всяко отражение се губи част от енергията.
Следователно, с малък отвор в голяма кухина, лъчът няма да може да излезе, т.е. ще бъде напълно абсорбиран.
За измерване на излъчването на черното тяло се прави дълга тръба от огнеупорен материал, която се поставя в пещ и се нагрява. През отвора в тръбата естеството на излъчването се изследва с помощта на спектрограф. Резултатите от такива експерименти са показани на фиг. 188. Кривите представляват интензитета на радиацията като функция от дължината на вълната, начертана за няколко температури. Виждаме, че лъчението е концентрирано в относително тесен спектрален диапазон, лежащ в границите на Само при по-високи температури кривата обхваща областта на видимия спектър и започва да се движи към къси вълни. Вълните с дължина няколко микрона се наричат инфрачервени. Тъй като те поемат основната отговорност за преноса на енергия при обикновени температури, ние ги наричаме термични.
Кривата на топлинното излъчване има максимум, който е толкова по-изразен, колкото по-висока е температурата. С повишаването на температурата дължината на вълната, съответстваща на максимума на спектъра, се измества към по-къси вълни. Това изместване се подчинява на така наречения закон на Виен, който лесно се установява експериментално:
В тази формула дължината на вълната трябва да бъде изразена в микрони, в градуси по абсолютна скала. Наблюдаваме изместване на радиацията към къси вълни, когато наблюдаваме нагряването на метал - промяна от червено към жълто с повишаване на температурата.
Второто обстоятелство, на което обръщаме внимание при разглеждането на радиационните криви, е бързото нарастване на всички ординати на кривата с нарастване. Ако има интензитет за дадена вълна, тогава общият интензитет на спектъра ще бъде представен от интеграла
Този интеграл не е нищо повече от площта под радиационната крива. Колко бързо расте при увеличение от 7? Анализът на кривите показва, че много бързо - пропорционално на четвъртата степен на температурата:
където Това е законът на Стефан-Болцман.
И двата закона са важни за определяне на температурата на горещи тела далеч от нас. По този начин се определя температурата на Слънцето, звездите и горещия облак от атомна експлозия.
Законите на топлинното излъчване са в основата на определянето на температурата на разтопения метал. Принципът на оптичните пирометри е да се избере такава нажежаема жичка на електрическа лампа, при която блясъкът на тази нишка става същият като блясъка на разтопен метал. Използваме закона: ако радиацията е еднаква, то и температурите са еднакви. Що се отнася до температурата на горещата жичка, тя е в пряка зависимост от електрическия ток, преминаващ през жичката. Въз основа на това оптичният пирометър е лесен за калибриране.
Реалните тела не са абсолютно черни и за всяко от тях във формулата на Стефан-Болцман трябва да се въведе фактор, по-малък от единица (поглъщателната способност на даденото тяло). Тези фактори се определят емпирично и са от интерес за практическата топлотехника, за която проблемите на топлопреминаването чрез излъчване са изключително важни. Независимо от това, разглежданите закони са важни, тъй като законите на излъчване (промяна с температура, промяна с дължина на вълната) обикновено се запазват за нечерни тела. Теоретичното значение на въпроса за абсолютно черно тяло ще стане ясно в следващия параграф.
Топлинното излъчване е електромагнитно излъчване, което се излъчва от нагрети тела поради тяхната вътрешна енергия. Топлинното излъчване намалява вътрешната енергия на тялото и, следователно, неговата температура. Спектралната характеристика на топлинното излъчване е спектралната плътност на енергийната светимост.
2. Кое тяло се нарича абсолютно черно? Дайте примери за абсолютно черни тела.
Напълно черно тяло е тяло, което поглъща цялата енергия на падащото върху него лъчение с всякаква честота при произволна температура (черна дупка).
3. Какво е ултравиолетова катастрофа? Формулирайте квантовата хипотеза на Планк.
Ултравиолетовата катастрофа е несъответствието между експерименталните резултати и класическата вълнова теория. Квантовата хипотеза на Планк: Енергията и честотата на излъчване са свързани една с друга. Излъчването от молекулите и атомите на дадено вещество се извършва на отделни порции - кванти.
4. Каква микрочастица се нарича фотон? Избройте основните физически характеристики на фотона.
Фотонът е квант на електромагнитното излъчване.
1) енергията му е пропорционална на честотата на електромагнитното излъчване.
3) нейната скорост във всички отправни системи е равна на скоростта на светлината във вакуум.
4) неговата маса на покой е 0.
5) импулсът на фотона е равен на:
6) Налягане на електромагнитното излъчване:
5. Формулирайте законите на излъчването на черното тяло: законите на Виен и Стефан-Болцман.
Закон на Стефан-Болцман: интегралната светимост на напълно черно тяло зависи само от неговата температура
Кикоин А.К. Абсолютно черно тяло // Quantum. - 1985. - № 2. - С. 26-28.
По специално споразумение с редакционната колегия и редакторите на сп. "Квант"
Светлина и цвят
Когато гледаме различни тела около нас на дневна светлина (слънчева светлина), ние ги виждаме боядисани в различни цветове. И така, тревата и листата на дърветата са зелени, цветята са червени или сини, жълти или лилави. Има и черни, бели, сиви тела. Всичко това не може да не предизвика изненада. Изглежда, че всички тела са осветени от една и съща светлина - светлината на Слънцето. Защо цветовете им са различни? Нека се опитаме да отговорим на този въпрос.
Ще изхождаме от факта, че светлината е електромагнитна вълна, т.е. разпространяващо се променливо електромагнитно поле. Слънчевата светлина съдържа вълни, в които електрическите и магнитните полета осцилират с различни честоти.
Всяко вещество се състои от атоми и молекули, съдържащи заредени частици, които взаимодействат помежду си. Тъй като частиците са заредени, под въздействието на електрическо поле те могат да се движат, а ако полето е променливо, тогава те могат да осцилират и всяка частица в тялото има определена собствена честота на трептене.
Тази проста, макар и не много точна картина ще ни позволи да разберем какво се случва, когато светлината взаимодейства с материята.
Когато светлината падне върху тяло, „донесеното” от нея електрическо поле кара заредените частици в тялото да извършват принудителни трептения (полето на светлинната вълна е променливо!). В този случай за някои частици тяхната собствена честота на трептения може да съвпадне с някаква честота на трептения на полето на светлинната вълна. Тогава, както е известно, ще настъпи явлението резонанс - рязко увеличаване на амплитудата на трептенията (за това става дума в § 9 и 20 на Физика 10). По време на резонанс енергията, донесена от вълната, се прехвърля към атомите на тялото, което в крайна сметка го кара да се нагрява. Светлината, чиято честота резонира, се казва, че се абсорбира от тялото.
Но някои вълни от падащата светлина не резонират. Те обаче също карат частиците в тялото да вибрират, но да вибрират с малка амплитуда. Самите частици стават източници на така наречените вторични електромагнитни вълни със същата честота. Вторичните вълни, добавени към падащата вълна, образуват отразена или пропусната светлина.
Ако тялото е непрозрачно, тогава абсорбцията и отражението са всичко, което може да се случи на светлината, падаща върху тялото: светлината, която не резонира, се отразява, а светлината, която достига, се абсорбира. Това е "тайната" на цвета на телата. Ако, например, вибрации, съответстващи на червения цвят, са включени в резонанса от състава на падащата слънчева светлина, тогава те няма да присъстват в отразената светлина. И нашето око е устроено така, че слънчевата светлина, лишена от червената си част, предизвиква усещането за зелено. Следователно цветът на непрозрачните тела зависи от това кои честоти на падащата светлина липсват в светлината, отразена от тялото.
Има тела, в които заредените частици имат толкова много различни естествени честоти на вибрации, че всяка или почти всяка честота в падащата светлина попада в резонанс. Тогава цялата падаща светлина се абсорбира и просто няма какво да се отразява. Такива тела се наричат черни, тоест тела с черен цвят. В действителност черното не е цвят, а липсата на цвят.
Има и тела, в които нито една честота в падащата светлина не попада в резонанс, тогава изобщо няма поглъщане и цялата падаща светлина се отразява. Такива тела се наричат бели. Бялото също не е цвят, то е смесица от всички цветове.
Излъчване на светлина
Известно е, че всяко тяло само по себе си може да стане източник на светлина. Това е разбираемо - в крайна сметка във всяко тяло има осцилиращи заредени частици, които могат да станат източници на излъчвани вълни. Но при нормални условия - при ниски температури - честотите на тези вибрации са относително малки, а излъчваните дължини на вълните значително надвишават дължините на вълните на видимата светлина (инфрачервена светлина). При висока температура в тялото се "включват" вибрации с по-високи честоти и то започва да излъчва светлинни вълни, видими за окото.
Каква светлина излъчва едно тяло, какви честотни вибрации могат да се „включат“ при нагряване? Очевидно могат да възникнат само трептения със собствени честоти. При ниски температури броят на заредените частици с високи собствени честоти на трептене е малък и тяхното излъчване е незабележимо. С повишаването на температурата броят на тези частици се увеличава и излъчването на видима светлина става възможно.
Връзка между излъчване и поглъщане на светлина
Абсорбцията и излъчването са противоположни явления. Между тях обаче има нещо общо.
Да абсорбира означава да „вземе“, да излъчва означава да „даде“. Какво „поема” тялото, когато абсорбира светлина? Очевидно това, което може да приеме, е светлина от тези честоти, които са равни на естествените честоти на вибрации на неговите частици. Какво „дава” тялото, когато излъчва светлина? Това, което има, е светлина, съответстваща на собствените му честоти на вибрация. Следователно трябва да има тясна връзка между способността на тялото да излъчва светлина и способността му да я абсорбира. И тази връзка е проста: колкото повече излъчва едно тяло, толкова повече поглъща. В този случай, естествено, най-яркият излъчвател трябва да бъде черно тяло, което абсорбира вибрации от всички честоти. Тази връзка е установена математически през 1859 г. от немския физик Густав Кирхоф.
Нека наречем излъчвателната способност на тялото енергията, излъчвана от единица площ от повърхността му за единица време, и я обозначим с дλ,T . Тя е различна за различните дължини на вълната ( λ ) и различни температури ( T), следователно индексите λ И T. Капацитетът на поглъщане на тялото е съотношението на светлинната енергия, погълната от тялото за единица време, към падащата енергия. Нека го обозначим с Аλ,T - също е различно за различни λ И T.
Законът на Кирхоф гласи, че съотношението на емисионните и абсорбционните способности е еднакво за всички тела:
\(~\frac(E_(\lambda, T))(A_(\lambda, T)) = C\) .
величина СЪСне зависи от природата на телата, а зависи от дължината на вълната на светлината и температурата: ° С = f(λ , T). Според закона на Кирхоф тяло, което поглъща по-добре при дадена температура, трябва да излъчва по-интензивно.
Чисто черно тяло
Законът на Кирхоф е валиден за всички тела. Това означава, че може да се приложи и към тяло, което абсорбира всички дължини на вълните без изключение. Такова тяло се нарича напълно черно. За него капацитетът на поглъщане е равен на единица, така че законът на Кирхоф приема формата
\(~E_(\lambda, T) = C = f(\lambda, T)\) .
Така значението на функцията става ясно f(λ , T): равна е на излъчвателната способност на напълно черно тяло. Проблем с намирането на функция ° С = f(λ , T) се превърна в проблема за намиране на зависимостта на енергията на излъчване на напълно черно тяло от температурата и дължината на вълната. Най-накрая, след две десетилетия напразни опити, проблемът беше разрешен. Неговото решение, дадено от немския физик теоретик Макс Планк, се превърна в началото на нова физика - квантовата физика.
Обърнете внимание, че в природата не съществуват абсолютно черни тела. Дори най-черното от всички известни вещества - саждите - поглъща не 100, а 98% от светлината, която пада върху него. Затова е използвано изкуствено устройство за експериментално изследване на радиацията на черното тяло.
Оказа се, че свойствата на абсолютно черно тяло притежава... затворена кухина с малък отвор (виж фигурата). Всъщност, когато лъч светлина навлезе в дупка, той изпитва много последователни отражения вътре в кухината, така че има много малък шанс да напусне дупката навън. (По същата причина отворен прозорец в къщата изглежда тъмен дори в ярък слънчев ден). Ако такова тяло се нагрее, тогава излъчването, излъчвано от дупката, практически не се различава от излъчването на абсолютно черно тяло.
Тръба, чийто един край е затворен, също може да служи като добра имитация на напълно черно тяло. Ако тръбата се нагрее, нейният отворен край блести като напълно черно тяло. При нормални температури изглежда напълно черен, като дупката в кухината.
