બ્લેક બોડી રેડિયેશન સ્પેક્ટ્રમ. સંદર્ભ સ્ત્રોતો - બ્લેકબોડી મોડલ્સ

કિરોવ પ્રદેશના શિક્ષણ વિભાગ. સામાન્ય અને માધ્યમિક શિક્ષણ મંત્રાલય

મ્યુનિસિપલ શૈક્ષણિક સંસ્થા નં. 204

"ભદ્ર શાળા"

વૈજ્ઞાનિક અને તકનીકી દિશા.

ભૌતિકશાસ્ત્ર વિષય.

ચોક્કસ કાળું શરીર

કલાકાર: 11મા ધોરણનો વિદ્યાર્થી મેક્સિમ કાર્પોવ

વડા: બોન્ડિના મરિના યુરીવેના

એકટેરિનબર્ગ 2007

પરિચય પૃષ્ઠ 2

બ્લેક બોડી થિયરી p.5

વ્યવહારુ ભાગ p.15

નિષ્કર્ષ p.17

સાહિત્ય પૃ.18

પરિચય

19મી સદીના અંતમાં. ઘણા વૈજ્ઞાનિકો માનતા હતા કે ભૌતિકશાસ્ત્રનો વિકાસ નીચેના કારણોસર પૂર્ણ થયો હતો:

1. મિકેનિક્સ અને સિદ્ધાંતના નિયમો 200 થી વધુ વર્ષોથી અસ્તિત્વમાં છે સાર્વત્રિક ગુરુત્વાકર્ષણ, સંરક્ષણ કાયદા (ઊર્જા, વેગ, કોણીય વેગ, સમૂહ અને ઇલેક્ટ્રિક ચાર્જ).

2. MKT વિકસાવવામાં આવી હતી.

3. થર્મોડાયનેમિક્સ માટે નક્કર પાયો નાખવામાં આવ્યો છે.

4. ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિઝમનો મેક્સવેલનો સિદ્ધાંત ઘડવામાં આવ્યો હતો.

5. ઊર્જાના સંરક્ષણનો સાપેક્ષ કાયદો - સમૂહ.

19મીના અંતમાં - 20મી સદીની શરૂઆતમાં. વી. રોન્ટજેન દ્વારા શોધાયેલ - એક્સ-રે ( એક્સ-રે), એ. બેકરેલ - કિરણોત્સર્ગીતાની ઘટના, જે. થોમસન - ઇલેક્ટ્રોન. જો કે, શાસ્ત્રીય ભૌતિકશાસ્ત્ર આ ઘટનાઓને સમજાવવામાં અસમર્થ હતું.

A. આઈન્સ્ટાઈનના સાપેક્ષતાના સિદ્ધાંતને અવકાશ અને સમયની વિભાવનાના આમૂલ પુનરાવર્તનની જરૂર હતી. વિશેષ પ્રયોગોએ જે. મેક્સવેલની પૂર્વધારણાની માન્યતાની પુષ્ટિ કરી ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક પ્રકૃતિસ્વેતા. એવું માની શકાય છે કે ગરમ શરીર દ્વારા ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગોનું ઉત્સર્જન ઇલેક્ટ્રોનની ઓસીલેટરી ગતિને કારણે છે. પરંતુ સૈદ્ધાંતિક અને પ્રાયોગિક ડેટાની તુલના કરીને આ ધારણાની પુષ્ટિ કરવી જરૂરી હતી. રેડિયેશનના નિયમોને સૈદ્ધાંતિક રીતે ધ્યાનમાં લેવા માટે, અમે બ્લેક બોડી મોડેલનો ઉપયોગ કર્યો, એટલે કે. એક શરીર જે કોઈપણ લંબાઈના ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગોને સંપૂર્ણપણે શોષી લે છે અને તે મુજબ, તમામ લંબાઈના ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગો બહાર કાઢે છે.

પાનખરની સાંજે ઘરે પરત ફરતી વખતે મને શરીર ઊર્જા શોષી લેતી ઘટનાનો સામનો કરવો પડ્યો. તે સાંજે તે ભીની હતી અને હું જે માર્ગ પર ચાલતો હતો તે ભાગ્યે જ જોઈ શક્યો. અને જ્યારે એક અઠવાડિયા પછી બરફ પડ્યો, ત્યારે રસ્તો સ્પષ્ટ દેખાતો હતો. આ રીતે મેં સૌપ્રથમ એકદમ કાળા શરીરની ઘટનાનો સામનો કર્યો, એક એવું શરીર જે પ્રકૃતિમાં અસ્તિત્વમાં નથી, અને મને તેમાં રસ પડ્યો. અને મને રસ હોય તેવી સામગ્રી શોધવામાં લાંબો સમય વિતાવ્યો હોવાથી, તેને ટુકડે-ટુકડે એકત્રિત કરીને, મેં લખવાનું નક્કી કર્યું. સંશોધન કાર્ય, જેમાં તે બધાને તાર્કિક ક્રમમાં જોડવામાં આવશે અને ગોઠવવામાં આવશે. ઉપરાંત, સૈદ્ધાંતિક ભાગની વધુ અનુકૂળ સમજણ માટે, મેં પ્રયોગોના પ્રાયોગિક ઉદાહરણો આપ્યા છે જેમાં તમે ઉપર જણાવેલી ઘટનાનું અવલોકન કરી શકો છો.

પ્રકાશ ઊર્જાના પ્રતિબિંબ અને શોષણના મુદ્દા પર સામગ્રીનો અભ્યાસ કરતી વખતે, મેં ધાર્યું કે સંપૂર્ણપણે કાળું શરીર એ એક શરીર છે જે બધી ઊર્જાને શોષી લે છે. જો કે, શું આ વ્યવહારમાં શક્ય છે? મને લાગે છે કે હું એકલો જ ન હતો જેને આ પ્રશ્ન રસપ્રદ લાગ્યો. તેથી, મારા કાર્યનો ધ્યેય એ સાબિત કરવાનો છે કે ગરમ શરીર દ્વારા ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગોનું ઉત્સર્જન ઇલેક્ટ્રોનની ઓસીલેટરી ગતિને કારણે છે. પરંતુ આ સમસ્યા સંબંધિત છે કારણ કે તે અમારા પાઠ્યપુસ્તકોમાં લખાયેલ નથી; આ કરવા માટે, મેં મારી જાતને ઘણા કાર્યો સેટ કર્યા છે:

શક્ય તેટલું શોધો વધુ માહિતીઆ મુદ્દા પર;

બ્લેક બોડી સિદ્ધાંતનો અભ્યાસ કરો;

અમૂર્તમાં પ્રસ્તુત સૈદ્ધાંતિક ખ્યાલો અને ઘટનાઓની પ્રાયોગિક રીતે પુષ્ટિ કરો;

અમૂર્ત નીચેના ભાગો સમાવે છે:

પરિચય;

બ્લેક બોડી સિદ્ધાંત;

વ્યવહારુ ભાગ;

નિષ્કર્ષ

બ્લેક બોડી થિયરી

1. મુદ્દાના અભ્યાસનો ઇતિહાસ.

શાસ્ત્રીય ભૌતિકશાસ્ત્ર માટે વાજબી સૂત્ર મેળવી શક્યું નથી વર્ણપટની ઘનતા(આ સૂત્ર સરળતાથી ચકાસી શકાય છે: એકદમ બ્લેક બોડી એ ભઠ્ઠી છે, સ્પેક્ટ્રોમીટર ઇન્સ્ટોલ કરેલું છે, રેડિયેશન સ્પેક્ટ્રમમાં ફેરવાય છે, અને સ્પેક્ટ્રમના દરેક બેન્ડ માટે આ તરંગલંબાઇ અંતરાલમાં ઊર્જા શોધી શકાય છે). શાસ્ત્રીય ભૌતિકશાસ્ત્ર માત્ર આપી શક્યું નથી યોગ્ય મૂલ્યકાર્ય, તે વાજબી મૂલ્ય પણ આપી શક્યું નથી, એટલે કે, તે બહાર આવ્યું છે કે આ કાર્ય ઘટતી તરંગલંબાઇ સાથે વધે છે, અને આ ફક્ત અર્થહીન છે, આનો અર્થ એ છે કે દૃશ્યમાન પ્રદેશમાં કોઈપણ શરીર ઉત્સર્જન કરે છે, અને ઓછી ફ્રીક્વન્સીઝ પર પણ વધુ, અને કુલ ઊર્જા કિરણોત્સર્ગ અનંત તરફ વલણ ધરાવે છે. આનો અર્થ એ છે કે પ્રકૃતિમાં એવી ઘટનાઓ છે જેનું વર્ણન શાસ્ત્રીય ભૌતિકશાસ્ત્રના નિયમો દ્વારા કરી શકાતું નથી.

19મી સદીના અંતમાં, શાસ્ત્રીય ભૌતિકશાસ્ત્રના નિયમોના આધારે બ્લેક બોડી રેડિયેશનની થિયરી બનાવવાના પ્રયાસોની અસંગતતા બહાર આવી હતી. કાયદાઓમાંથી શાસ્ત્રીય ભૌતિકશાસ્ત્રતે અનુસરે છે કે પદાર્થ કોઈપણ તાપમાને ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગો ઉત્સર્જન કરે છે, ઊર્જા ગુમાવે છે અને તાપમાનને સંપૂર્ણ શૂન્ય સુધી ઘટાડવું જોઈએ. બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો. પદાર્થ અને કિરણોત્સર્ગ વચ્ચે થર્મલ સંતુલન અશક્ય હતું. પરંતુ આ રોજબરોજના અનુભવ સાથે વિરોધાભાસી હતી.

આને નીચે પ્રમાણે વધુ વિગતવાર સમજાવી શકાય છે. એકદમ કાળા શરીરનો ખ્યાલ છે - એક શરીર જે શોષી લે છે ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક રેડિયેશનકોઈપણ તરંગલંબાઇ. તેના રેડિયેશનનું વર્ણપટ તેના તાપમાન દ્વારા નક્કી થાય છે. કુદરતમાં બિલકુલ બ્લેક બોડી નથી. એકદમ કાળા શરીર માટેનો સૌથી સચોટ પત્રવ્યવહાર એ છિદ્ર સાથેનું બંધ, અપારદર્શક, હોલો બોડી છે. પદાર્થનો કોઈપણ ભાગ જ્યારે ગરમ થાય છે ત્યારે ચમકે છે અને તાપમાનમાં વધુ વધારા સાથે, પહેલા લાલ અને પછી સફેદ બને છે. રંગ એ પદાર્થથી લગભગ સ્વતંત્ર છે; એકદમ કાળા શરીર માટે તે ફક્ત તેના તાપમાન દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે. ચાલો આપણે આવા બંધ પોલાણની કલ્પના કરીએ, જે સતત તાપમાને જાળવવામાં આવે છે અને જે સમાવે છે ભૌતિક સંસ્થાઓ, કિરણોત્સર્ગ ઉત્સર્જન અને શોષવામાં સક્ષમ. જો પ્રારંભિક ક્ષણે આ સંસ્થાઓનું તાપમાન પોલાણના તાપમાનથી અલગ હોય, તો સમય જતાં સિસ્ટમ (પોલાણ વત્તા શરીર) થર્મોડાયનેમિક સંતુલન તરફ વળશે, જે એકમ સમય દીઠ શોષાયેલી અને માપવામાં આવતી ઊર્જા વચ્ચેના સંતુલન દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે.

જી. કિર્ચહોફે સ્થાપિત કર્યું કે સંતુલનની આ સ્થિતિ પોલાણમાં સમાયેલ રેડિયેશનની ઊર્જા ઘનતાના ચોક્કસ વર્ણપટના વિતરણ દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે, અને તે પણ કાર્ય નક્કી કરે છે. સ્પેક્ટ્રલ વિતરણ(કિર્ચહોફ ફંક્શન), પોલાણના તાપમાન પર આધાર રાખે છે અને તે પોલાણના કદ અથવા તેના આકાર પર અથવા તેમાં મૂકવામાં આવેલા ભૌતિક શરીરના ગુણધર્મો પર આધારિત નથી. કિર્ચહોફ કાર્ય સાર્વત્રિક હોવાથી, એટલે કે. કોઈપણ બ્લેક બોડી માટે સમાન છે, પછી ધારણા ઊભી થઈ કે તેનો દેખાવ થર્મોડાયનેમિક્સ અને ઇલેક્ટ્રોડાયનેમિક્સની કેટલીક જોગવાઈઓ દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે. જો કે, આ પ્રકારના પ્રયાસો નિષ્ફળ ગયા. ડી. રેલેના કાયદામાંથી તે અનુસરવામાં આવ્યું હતું કે રેડિયેશન એનર્જીની વર્ણપટની ઘનતા વધતી આવર્તન સાથે એકવિધ રીતે વધવી જોઈએ, પરંતુ પ્રયોગે અન્યથા સૂચવ્યું: પહેલા સ્પેક્ટ્રલ ઘનતા વધતી આવર્તન સાથે વધી, અને પછી ઘટી.

બ્લેક બોડી રેડિયેશનની સમસ્યાને ઉકેલવા માટે મૂળભૂત રીતે નવા અભિગમની જરૂર છે.

તે એમ. પ્લાન્ક દ્વારા મળી આવ્યું હતું.

1900 માં, પ્લાન્કે એક અનુમાન ઘડ્યું જે મુજબ દ્રવ્ય આ કિરણોત્સર્ગની આવર્તનના પ્રમાણમાં મર્યાદિત ભાગોમાં જ રેડિયેશન ઊર્જાનું ઉત્સર્જન કરી શકે છે. આ ખ્યાલને કારણે શાસ્ત્રીય ભૌતિકશાસ્ત્ર અંતર્ગત પરંપરાગત જોગવાઈઓમાં ફેરફાર થયો. સ્વતંત્ર ક્રિયાનું અસ્તિત્વ અવકાશ અને સમય અને તેની ગતિશીલ સ્થિતિમાં ઑબ્જેક્ટના સ્થાનિકીકરણ વચ્ચેનો સંબંધ દર્શાવે છે. એલ. ડી બ્રોગ્લીએ ભારપૂર્વક જણાવ્યું હતું કે "શાસ્ત્રીય ભૌતિકશાસ્ત્રના દૃષ્ટિકોણથી, આ જોડાણ સાપેક્ષતાના સિદ્ધાંત દ્વારા સ્થાપિત અવકાશી ચલો અને સમય વચ્ચેના જોડાણ કરતાં પરિણામોમાં સંપૂર્ણપણે અસ્પષ્ટ અને વધુ અગમ્ય લાગે છે ભૌતિકશાસ્ત્રના વિકાસમાં મોટી ભૂમિકા ભજવવાનું નક્કી કરવામાં આવ્યું હતું.

તેથી તે મળી આવ્યું હતું નવો અભિગમબ્લેક બોડીની પ્રકૃતિની સમજૂતી માટે (ક્વોન્ટમ ખ્યાલના સ્વરૂપમાં).

2. શરીરની શોષણ ક્ષમતા.

શરીર દ્વારા કિરણોત્સર્ગના શોષણની પ્રક્રિયાનું વર્ણન કરવા માટે, અમે શરીરની સ્પેક્ટ્રલ શોષણ ક્ષમતા રજૂ કરીએ છીએ. આ કરવા માટે, થી સુધીના સાંકડા આવર્તન અંતરાલને ઓળખ્યા પછી, અમે શરીરની સપાટી પર પડતા રેડિયેશન ફ્લક્સને ધ્યાનમાં લઈશું. જો તે જ સમયે આ પ્રવાહનો ભાગ શરીર દ્વારા શોષાય છે, તો પછી આવર્તન પર શરીરની શોષણ ક્ષમતાને પરિમાણહીન જથ્થા તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવશે.

શરીર દ્વારા શોષાય છે તે શરીર પર આવર્તન કિરણોત્સર્ગ ઘટનાના અપૂર્ણાંકને દર્શાવવું.

અનુભવ દર્શાવે છે કે કોઈપણ વાસ્તવિક શરીર તેના તાપમાનના આધારે જુદી જુદી ફ્રીક્વન્સીના રેડિયેશનને અલગ રીતે શોષી લે છે. તેથી, શરીરની સ્પેક્ટ્રલ શોષણ ક્ષમતા એ આવર્તનનું કાર્ય છે, જેનો પ્રકાર શરીરના તાપમાનમાં ફેરફાર સાથે બદલાય છે.

તેની વ્યાખ્યા મુજબ, શરીરની શોષણ ક્ષમતા એક કરતા વધારે ન હોઈ શકે. આ કિસ્સામાં, જે શરીરની શોષણ ક્ષમતા એકતા કરતા ઓછી હોય અને સમગ્ર આવર્તન શ્રેણીમાં સમાન હોય તેને ગ્રે બોડી કહેવામાં આવે છે.

થર્મલ રેડિયેશનના સિદ્ધાંતમાં એક વિશિષ્ટ સ્થાન સંપૂર્ણપણે કાળા શરીર દ્વારા કબજે કરવામાં આવે છે. આને જી. કિર્ચહોફે એક એવું શરીર કહે છે જેની શોષણ ક્ષમતા તમામ ફ્રીક્વન્સીઝ અને તમામ તાપમાને એકતા સમાન હોય છે. વાસ્તવિક શરીર હંમેશા તેના પર રેડિયેશનની ઘટનાની ઊર્જાના ભાગને પ્રતિબિંબિત કરે છે (ફિગ. 1.2). સૂટ પણ સંપૂર્ણપણે કાળા શરીરના ગુણધર્મોને માત્ર ઓપ્ટિકલ શ્રેણીમાં જ પહોંચે છે.

1 - એકદમ કાળા શરીર; 2 - ગ્રે બોડી; 3 - વાસ્તવિક શરીર

બ્લેક બોડી એ થર્મલ રેડિયેશનના સિદ્ધાંતમાં સંદર્ભ શરીર છે. અને, જો કે પ્રકૃતિમાં બિલકુલ બ્લેક બોડી નથી, તે મોડેલને અમલમાં મૂકવું એકદમ સરળ છે જેના માટે તમામ ફ્રીક્વન્સીઝ પર શોષણ ક્ષમતા એકતાથી નહિવત્ રીતે અલગ હશે. એકદમ કાળા શરીરના આવા મોડેલને બંધ પોલાણ (ફિગ. 1.3) ના રૂપમાં બનાવી શકાય છે, જે નાના છિદ્રથી સજ્જ છે, જેનો વ્યાસ પોલાણના ટ્રાંસવર્સ પરિમાણો કરતા નોંધપાત્ર રીતે નાનો છે. આ કિસ્સામાં, પોલાણમાં લગભગ કોઈપણ આકાર હોઈ શકે છે અને તે કોઈપણ સામગ્રીથી બનેલો હોઈ શકે છે.

નાના છિદ્રમાં લગભગ સંપૂર્ણપણે રેડિયેશન શોષી લેવાની મિલકત હોય છે, અને જેમ જેમ છિદ્રનું કદ ઘટતું જાય છે તેમ તેમ તેની શોષણ ક્ષમતા એકતા તરફ વળે છે. ખરેખર, છિદ્ર દ્વારા કિરણોત્સર્ગ પોલાણની દિવાલોને ફટકારે છે, તેમના દ્વારા આંશિક રીતે શોષાય છે. નાના છિદ્રના કદ માટે, બીમ છિદ્રમાંથી બહાર નીકળી શકે તે પહેલાં તે ઘણા પ્રતિબિંબમાંથી પસાર થવું જોઈએ, એટલે કે, ઔપચારિક રીતે, તેમાંથી પ્રતિબિંબિત થાય છે. પોલાણની દિવાલો પર બહુવિધ પુનરાવર્તિત પ્રતિબિંબ સાથે, પોલાણમાં પ્રવેશતા કિરણોત્સર્ગ લગભગ સંપૂર્ણ રીતે શોષાય છે.

નોંધ કરો કે જો પોલાણની દિવાલો ચોક્કસ તાપમાને જાળવવામાં આવે છે, તો છિદ્ર રેડિયેટ થશે, અને આ રેડિયેશનને તાપમાન ધરાવતા કાળા શરીરના કિરણોત્સર્ગ તરીકે ઉચ્ચ ડિગ્રી ચોકસાઈ સાથે ગણી શકાય. સ્પેક્ટ્રમ oC પર આ કિરણોત્સર્ગની ઊર્જાના વિતરણનો અભ્યાસ કરીને, E. Pringsheim, O. Lümmer, F. Kurlbaum, વગેરે), તે પ્રાયોગિક ધોરણે બ્લેક બોડીની ઉત્સર્જિતતા નક્કી કરવાનું શક્ય છે. વિવિધ તાપમાને આવા પ્રયોગોના પરિણામો ફિગમાં બતાવવામાં આવ્યા છે. 1.4.

આ વિચારણાઓ પરથી તે અનુસરે છે કે શોષણ ક્ષમતા અને શરીરનો રંગ એકબીજા સાથે સંબંધિત છે.

3. કિર્ચહોફનો કાયદો.

કિર્ચહોફનો કાયદો. કોઈપણ શરીરના ઉત્સર્જન અને શોષણ ગુણધર્મો વચ્ચે જોડાણ હોવું જોઈએ. ખરેખર, સંતુલન થર્મલ રેડિયેશન (ફિગ. 1.1) સાથેના પ્રયોગમાં સિસ્ટમમાં સંતુલન ત્યારે જ સ્થાપિત થઈ શકે છે જ્યારે દરેક શરીર એકમ સમય દીઠ તેટલી ઊર્જાનું ઉત્સર્જન કરે છે જેટલી તે શોષી લે છે. આનો અર્થ એ છે કે શરીર જે કોઈપણ આવર્તનના રેડિયેશનને વધુ તીવ્રતાથી શોષી લે છે તે આ રેડિયેશન વધુ તીવ્રતાથી ઉત્સર્જન કરશે.

તેથી, વિગતવાર સમતુલાના આ સિદ્ધાંત અનુસાર, ઉત્સર્જન અને શોષક શક્તિઓનો ગુણોત્તર કાળા શરીર સહિત પ્રકૃતિના તમામ શરીર માટે સમાન છે અને આપેલ તાપમાને સમાન છે. સાર્વત્રિક કાર્યફ્રીક્વન્સીઝ (તરંગલંબાઇ).

કિરણોત્સર્ગ સાથે સંતુલન પ્રણાલીઓના થર્મોડાયનેમિક નિયમોને ધ્યાનમાં લેતા જી. કિર્ચહોફ દ્વારા 1859માં સ્થાપિત થર્મલ રેડિયેશનનો આ નિયમ સંબંધ તરીકે લખી શકાય છે.

જ્યાં સૂચકાંકો 1, 2, 3... વિવિધ વાસ્તવિક સંસ્થાઓને અનુરૂપ છે.

કિર્ચહોફના કાયદા પરથી તે અનુસરે છે કે સાર્વત્રિક કાર્યો અનુક્રમે ફ્રીક્વન્સી અથવા તરંગલંબાઇના સ્કેલ પર બ્લેક બોડીની સ્પેક્ટ્રલ ઉત્સર્જન છે. તેથી, તેમની વચ્ચેનું જોડાણ સૂત્ર દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે .

થર્મલ રેડિયેશનના સિદ્ધાંતમાં બ્લેક બોડી રેડિયેશન એક સાર્વત્રિક પાત્ર ધરાવે છે. એક વાસ્તવિક શરીર હંમેશા સંપૂર્ણપણે કાળા શરીર કરતાં કોઈપણ તાપમાને ઓછી ઊર્જા ઉત્સર્જન કરે છે. બ્લેક બોડી (યુનિવર્સલ કિર્ચહોફ ફંક્શન) ની ઉત્સર્જન અને વાસ્તવિક શરીરની શોષણક્ષમતાને જાણીને, કિર્ચહોફના નિયમમાંથી વ્યક્તિ કોઈપણ આવર્તન શ્રેણી અથવા તરંગલંબાઇમાં આ શરીર દ્વારા ઉત્સર્જિત ઊર્જા નક્કી કરી શકે છે.

આનો અર્થ એ છે કે શરીર દ્વારા ઉત્સર્જિત આ ઊર્જાને કાળા શરીરની ઉત્સર્જન ક્ષમતા અને વાસ્તવિક શરીરની શોષણ ક્ષમતા વચ્ચેના તફાવત તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે.

4. સ્ટેફન-બોલ્ટ્ઝમેન કાયદો

સ્ટેફન-બોલ્ટ્ઝમેન કાયદો. પ્રાયોગિક (1879 જે. સ્ટેફન) અને સૈદ્ધાંતિક (1884 એલ. બોલ્ટ્ઝમેન) અભ્યાસોએ સાબિત કરવાનું શક્ય બનાવ્યું. મહત્વપૂર્ણ કાયદોસંપૂર્ણપણે કાળા શરીરનું થર્મલ રેડિયેશન. આ કાયદો જણાવે છે કે કાળા શરીરની ઊર્જાસભર તેજ તેના સંપૂર્ણ તાપમાનની ચોથી શક્તિના પ્રમાણસર છે, એટલે કે

આ નિયમનો ઉપયોગ ખગોળશાસ્ત્રમાં તેના તાપમાનના આધારે તારાની તેજસ્વીતા નક્કી કરવા માટે થાય છે. આ કરવા માટે, કિરણોત્સર્ગની ઘનતામાંથી અવલોકનક્ષમ જથ્થામાં ખસેડવું જરૂરી છે - પ્રવાહ. સ્પેક્ટ્રમ પર સંકલિત રેડિયેશન ફ્લક્સ માટેનું સૂત્ર ત્રીજા પ્રકરણમાં મેળવવામાં આવશે.

આધુનિક માપદંડો અનુસાર, સ્ટેફન-બોલ્ટ્ઝમેન સતત W/(m2 (K4).

માટે વાસ્તવિક સંસ્થાઓસ્ટેફન-બોલ્ટ્ઝમેન કાયદો માત્ર ગુણાત્મક રીતે સંતુષ્ટ છે, એટલે કે, વધતા તાપમાન સાથે, તમામ શરીરની ઊર્જાસભર તેજસ્વીતા વધે છે. જો કે, વાસ્તવિક સંસ્થાઓ માટે તાપમાન પર ઊર્જાસભર તેજની અવલંબન હવે સરળ સંબંધ (1.7) દ્વારા વર્ણવવામાં આવતી નથી, પરંતુ તેનું સ્વરૂપ છે.

(1.8) માં ગુણાંક, હંમેશા એકતા કરતા ઓછો હોય છે, તેને શરીરની અભિન્ન શોષણ ક્ષમતા કહી શકાય. મૂલ્યો, માં સામાન્ય કેસતાપમાન આધારિત ઘણી તકનીકી રીતે મહત્વપૂર્ણ સામગ્રી માટે જાણીતા છે. તેથી, ધાતુઓ અને કોલસો અને મેટલ ઓક્સાઇડ માટે એકદમ વિશાળ તાપમાન શ્રેણીમાં.

વાસ્તવિક બિન-બ્લેક બોડીઓ માટે, અમે અસરકારક રેડિયેશન તાપમાનની વિભાવના રજૂ કરી શકીએ છીએ, જે એકદમ કાળા શરીરના તાપમાન સમાન હોય છે. ઊર્જાસભર તેજ, જે વાસ્તવિક શરીર જેવું જ છે. રેડિયેશન શરીરનું તાપમાન સાચા શરીરના તાપમાન કરતા હંમેશા ઓછું હોય છે. ખરેખર, વાસ્તવિક શરીર માટે . અહીંથી આપણે શોધીએ છીએ કે, એટલે કે, વાસ્તવિક શરીર માટે.

અત્યંત ગરમ ગરમ શરીરનું રેડિયેશન તાપમાન રેડિયેશન પાયરોમીટર (ફિગ. 1.5) નો ઉપયોગ કરીને નક્કી કરી શકાય છે, જેમાં પર્યાપ્ત દૂરના ગરમ સ્ત્રોત I ની છબી રીસીવર P પર લેન્સનો ઉપયોગ કરીને અંદાજવામાં આવે છે જેથી ઉત્સર્જકની છબી સંપૂર્ણપણે ઓવરલેપ થાય. રીસીવર મેટલ અથવા સેમિકન્ડક્ટર બોલોમીટર અથવા થર્મોલિમેન્ટ્સનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે રીસીવર પર રેડિયેશનની ઘટનાની ઊર્જાનો અંદાજ કાઢવા માટે થાય છે. બોલોમીટરની ક્રિયા ઘટના કિરણોત્સર્ગ પ્રવાહના શોષણને કારણે તાપમાનમાં ફેરફાર સાથે મેટલ અથવા સેમિકન્ડક્ટરના વિદ્યુત પ્રતિકારમાં ફેરફાર પર આધારિત છે. થર્મોલિમેન્ટ્સની શોષક સપાટીના તાપમાનમાં ફેરફાર થર્મો-ઇએમએફના દેખાવ તરફ દોરી જાય છે.

બોલોમીટર અથવા થર્મોલિમેન્ટ સાથે જોડાયેલ ઉપકરણનું વાંચન પાયરોમીટર રીસીવર પર રેડિયેશન એનર્જી ઘટનાના પ્રમાણસર હોવાનું બહાર આવ્યું છે. પર બ્લેક બોડી સ્ટાન્ડર્ડના રેડિયેશન અનુસાર પિરોમીટરને અગાઉ માપાંકિત કર્યા પછી વિવિધ તાપમાન, તમે વિવિધ ગરમ શરીરોના રેડિયેશન તાપમાનને માપવા માટે ઉપકરણના સ્કેલનો ઉપયોગ કરી શકો છો.

ઉત્સર્જક સામગ્રીની અભિન્ન શોષણ ક્ષમતાને જાણીને, સૂત્રનો ઉપયોગ કરીને ઉત્સર્જકના માપેલા રેડિયેશન તાપમાનને તેના સાચા તાપમાનમાં રૂપાંતરિત કરવું શક્ય છે.

ખાસ કરીને, જો રેડિયેશન પિરોમીટર ટંગસ્ટન ઉત્સર્જક () ની ગરમ સપાટીનું નિરીક્ષણ કરતી વખતે તાપમાન K દર્શાવે છે, તો તેનું સાચું તાપમાન K છે.

આના પરથી આપણે નિષ્કર્ષ પર આવી શકીએ કે કોઈપણ શરીરની તેજસ્વીતા તેના તાપમાન દ્વારા નક્કી કરી શકાય છે.

5. વિએનનો વિસ્થાપન કાયદો

1893 માં, જર્મન ભૌતિકશાસ્ત્રી ડબલ્યુ. વિયેને સૈદ્ધાંતિક રીતે અરીસાની દિવાલો સાથેના પોલાણમાં બંધાયેલા રેડિયેશનના સંકોચનની થર્મોડાયનેમિક પ્રક્રિયાની સૈદ્ધાંતિક તપાસ કરી. મૂવિંગ મિરરમાંથી પ્રતિબિંબિત થવા પર ડોપ્લર અસરને કારણે રેડિયેશનની આવૃત્તિમાં થતા ફેરફારને ધ્યાનમાં લેતા, વિએન એવા નિષ્કર્ષ પર આવ્યા કે સંપૂર્ણપણે કાળા શરીરની ઉત્સર્જનનું સ્વરૂપ હોવું જોઈએ.

(1.9)

અહીં એક ચોક્કસ કાર્ય છે, જેનું વિશિષ્ટ સ્વરૂપ થર્મોડાયનેમિક પદ્ધતિઓ દ્વારા નક્કી કરી શકાતું નથી.

આ વિએન સૂત્રમાં આવર્તનથી તરંગલંબાઇ સુધી પસાર થતાં, સંક્રમણ નિયમ (1.3) અનુસાર, આપણે મેળવીએ છીએ

(1.10)

જેમ જોઈ શકાય છે, ઉત્સર્જન માટેની અભિવ્યક્તિમાં માત્ર ઉત્પાદનના સ્વરૂપમાં તાપમાનનો સમાવેશ થાય છે. આ સંજોગો જ કાર્યની કેટલીક વિશેષતાઓની આગાહી કરવાનું શક્ય બનાવે છે. ખાસ કરીને, આ કાર્ય ચોક્કસ તરંગલંબાઇ પર મહત્તમ પહોંચે છે, જે, જ્યારે શરીરનું તાપમાન બદલાય છે, બદલાય છે જેથી સ્થિતિ સંતુષ્ટ થાય: .

આમ, વી. વિને થર્મલ રેડિયેશનનો નિયમ ઘડ્યો, જે મુજબ તરંગલંબાઇ કે જેના પર એકદમ કાળા શરીરની મહત્તમ ઉત્સર્જન થાય છે તે તેના વિપરિત પ્રમાણસર હોય છે. સંપૂર્ણ તાપમાન. આ કાયદો ફોર્મમાં લખી શકાય છે

પ્રયોગોમાંથી મેળવેલ આ નિયમમાં અચળનું મૂલ્ય m બરાબર નીકળ્યું mK

વિએનના કાયદાને વિસ્થાપન કાયદો કહેવામાં આવે છે, ત્યાં ભારપૂર્વક જણાવે છે કે જેમ જેમ એકદમ કાળા શરીરનું તાપમાન વધે છે, તેમ તેમ તેની મહત્તમ ઉત્સર્જનની સ્થિતિ ટૂંકી તરંગલંબાઇના પ્રદેશમાં બદલાય છે. ફિગમાં દર્શાવેલ પ્રાયોગિક પરિણામો. 1.4 આ નિષ્કર્ષને માત્ર ગુણાત્મક રીતે જ નહીં, પરંતુ માત્રાત્મક રીતે પણ સૂત્ર (1.11) અનુસાર સખત રીતે પુષ્ટિ આપે છે.

વાસ્તવિક સંસ્થાઓ માટે, વિએનનો કાયદો માત્ર ગુણાત્મક રીતે સંતુષ્ટ છે. જેમ જેમ કોઈપણ શરીરનું તાપમાન વધે છે, તે તરંગલંબાઇ કે જેની નજીક શરીર સૌથી વધુ ઉર્જા ઉત્સર્જન કરે છે તે પણ ટૂંકી તરંગલંબાઇ તરફ વળે છે. આ વિસ્થાપન, જોકે, હવે સરળ સૂત્ર (1.11) દ્વારા વર્ણવવામાં આવતું નથી, જેનો વાસ્તવિક શરીરના રેડિયેશન માટે માત્ર અંદાજ તરીકે ઉપયોગ કરી શકાય છે.

વિએનના વિસ્થાપન કાયદામાંથી, તે તારણ આપે છે કે શરીરનું તાપમાન અને તેની ઉત્સર્જનની તરંગલંબાઇ એકબીજા સાથે સંબંધિત છે.

6. રેલે-જીન્સ ફોર્મ્યુલા

અત્યંત ઓછી ફ્રીક્વન્સીઝની શ્રેણીમાં,

રેલે-જીન્સ પ્રદેશ કહેવાય છે, ઉર્જા ઘનતા તાપમાન T અને આવર્તનના વર્ગ ωના પ્રમાણસર છે:

ફિગ. 2.1.1 માં આ વિસ્તારને RD તરીકે ચિહ્નિત કરવામાં આવ્યો છે. રેલે-જીન્સ સૂત્ર શુદ્ધ રીતે મેળવી શકાય છે

ક્લાસિકલી, ક્વોન્ટમ વિભાવનાઓને સામેલ કર્યા વિના. બ્લેક બોડીનું તાપમાન જેટલું ઊંચું હોય છે, તેટલી વિશાળ આવર્તન શ્રેણી જેમાં આ સૂત્ર માન્ય છે. તે માં સમજાવેલ છે શાસ્ત્રીય સિદ્ધાંત, પરંતુ તે ઉચ્ચ ફ્રીક્વન્સીઝ (ફિગ. 2.1.1 માં ડેશેડ લાઇન) સુધી વિસ્તૃત કરી શકાતી નથી, કારણ કે આ કિસ્સામાં સ્પેક્ટ્રમ પર સમાયેલ ઊર્જા ઘનતા અનંત મોટી છે:

રેલે-જીન્સ કાયદાના આ લક્ષણને "અલ્ટ્રાવાયોલેટ આપત્તિ" કહેવામાં આવે છે.

રેલે-જીન્સ ફોર્મ્યુલા પરથી તે સ્પષ્ટ છે કે શરીરનું તાપમાન ઉચ્ચ ફ્રીક્વન્સી સુધી વિસ્તરતું નથી.

7. વાઇન ફોર્મ્યુલા

ઉચ્ચ આવર્તન શ્રેણીમાં (ફિગ. 2.1.1 માં પ્રદેશ B), વિએનનું સૂત્ર માન્ય છે:

તે સ્પષ્ટપણે જોઈ શકાય છે જમણી બાજુબિન-એકવિધ રીતે બદલાય છે. જો આવર્તન ખૂબ વધારે ન હોય, તો પરિબળ ω3 પ્રવર્તે છે અને કાર્ય Uω વધે છે. જેમ જેમ આવર્તન વધે છે તેમ, Uω ની વૃદ્ધિ ધીમી પડે છે, તે મહત્તમમાંથી પસાર થાય છે, અને પછી ઘાતાંકીય પરિબળને કારણે ઘટે છે. ઉત્સર્જન સ્પેક્ટ્રમમાં મહત્તમની હાજરી વિએન શ્રેણીને રેલે-જીન્સ પ્રદેશથી અલગ પાડે છે.

શરીરનું તાપમાન જેટલું ઊંચું હોય છે, તેટલી ઊંચી કટઓફ આવર્તન, જેમાંથી વિએન સૂત્ર કરવામાં આવે છે. જમણી બાજુના ઘાતાંકમાં પરિમાણ aનું મૂલ્ય એકમોની પસંદગી પર આધાર રાખે છે જેમાં તાપમાન અને આવર્તન માપવામાં આવે છે.

આનો અર્થ એ છે કે વિએનના સૂત્રને પ્રકાશની પ્રકૃતિ વિશે ક્વોન્ટમ વિચારોનો ઉપયોગ કરવાની જરૂર છે.

આમ મેં મારી સામે ઊભા થયેલા પ્રશ્નોને ધ્યાનમાં લીધા. તે જોવાનું સરળ છે કે 19મી સદીના ભૌતિકશાસ્ત્રના હાલના નિયમો. સુપરફિસિયલ હતા, તેઓ ભૌતિક શરીરની તમામ લાક્ષણિકતાઓ (તરંગલંબાઇ, તાપમાન, આવર્તન, વગેરે) ને એકસાથે જોડતા ન હતા. ઉપરોક્ત તમામ કાયદાઓ એકબીજાના પૂરક છે, પરંતુ સંપૂર્ણ સમજણ માટે આ મુદ્દોપ્રકાશની પ્રકૃતિ વિશે ક્વોન્ટમ વિચારોને સામેલ કરવું જરૂરી હતું.

વ્યવહારુ ભાગ

જેમ કે મેં પહેલેથી જ ઘણી વખત કહ્યું છે કે, એકદમ કાળા શરીરની ઘટના આજે વ્યવહારમાં અસ્તિત્વમાં નથી, આપણે તેને બનાવી શકતા નથી કે જોઈ શકતા નથી. જો કે, અમે ઉપરોક્ત સૈદ્ધાંતિક ગણતરીઓ દર્શાવતા સંખ્યાબંધ પ્રયોગો કરી શકીએ છીએ.

શું સફેદ કાળા કરતાં કાળો હોઈ શકે? ચાલો એક ખૂબ જ સરળ અવલોકન સાથે પ્રારંભ કરીએ. જો તમે સફેદ અને કાળા કાગળના ટુકડાને બાજુમાં રાખો અને રૂમમાં અંધકાર સર્જો. તે સ્પષ્ટ છે કે પછી તમને એક પણ પાંદડા દેખાશે નહીં, એટલે કે, તે બંને સમાન કાળા હશે. એવું લાગે છે કે કોઈ પણ સંજોગોમાં સફેદ કાગળ કાળા કરતાં કાળો હોઈ શકે નહીં. અને છતાં આ એવું નથી. જે શરીર, કોઈપણ તાપમાને, તેના પરની કોઈપણ આવર્તન ઘટનાના કિરણોત્સર્ગને સંપૂર્ણપણે શોષી લે છે તેને સંપૂર્ણપણે કાળો કહેવામાં આવે છે. તે સ્પષ્ટ છે કે આ એક આદર્શીકરણ છે: પ્રકૃતિમાં કોઈ સંપૂર્ણપણે કાળા શરીર નથી. શરીર કે જેને આપણે સામાન્ય રીતે કાળો (સૂટ, સૂટ, કાળો મખમલ અને કાગળ વગેરે) કહીએ છીએ તે વાસ્તવમાં ગ્રે છે, એટલે કે. તેઓ તેમના પર પડતા પ્રકાશને આંશિક રીતે શોષી લે છે અને આંશિક રીતે વિખેરી નાખે છે.

તે તારણ આપે છે કે નાના છિદ્ર સાથે ગોળાકાર પોલાણ સંપૂર્ણપણે કાળા શરીરના સંપૂર્ણ સારા મોડેલ તરીકે સેવા આપી શકે છે. જો છિદ્રનો વ્યાસ પોલાણના વ્યાસના 1/10 કરતા વધુ ન હોય, તો પછી (જેમ કે અનુરૂપ ગણતરી બતાવે છે) છિદ્રમાં પ્રવેશતો પ્રકાશ કિરણ બહુવિધ છૂટાછવાયા અથવા પ્રતિબિંબ પછી જ બહાર નીકળી શકે છે. વિવિધ બિંદુઓપોલાણની દિવાલો. પરંતુ દિવાલ સાથેના બીમના દરેક "સંપર્ક" સાથે, પ્રકાશ ઊર્જા આંશિક રીતે શોષાય છે, જેથી તેનો અંશ અંશમાંથી પાછો આવે છે. રેડિયેશન હોલ નજીવું નાનું છે. તેથી, અમે ધારી શકીએ છીએ કે પોલાણનું ઉદઘાટન સંપૂર્ણપણે કાળા શરીરની જેમ, કોઈપણ તરંગલંબાઇના પ્રકાશને લગભગ સંપૂર્ણપણે શોષી લે છે. અને પ્રાયોગિક ઉપકરણ પોતે બનાવી શકાય છે, ઉદાહરણ તરીકે, આના જેવું. કાર્ડબોર્ડને ગુંદર કરવાની જરૂર છે લગભગ 100x100x100 mm માપવા માટેનું બોક્સ ખોલવાના ઢાંકણ સાથે. બૉક્સની અંદરનો ભાગ સફેદ કાગળથી ઢંકાયેલો હોવો જોઈએ, અને બહારનો ભાગ કાળી શાહી, ગૌચે અથવા વધુ સારી રીતે, ફોટો પેકેજોમાંથી કાગળથી ઢંકાયેલો હોવો જોઈએ. તમારે 10 મીમીથી વધુના વ્યાસ સાથે ઢાંકણમાં એક છિદ્ર બનાવવાની જરૂર છે. પ્રયોગ તરીકે, તમારે ટેબલ લેમ્પ વડે બૉક્સના ઢાંકણને પ્રકાશિત કરવાની જરૂર છે, પછી છિદ્ર કાળા ઢાંકણ કરતાં કાળું દેખાશે.

કોઈ ઘટનાને ફક્ત અવલોકન કરવા માટે, તમે તેને વધુ સરળ (પરંતુ ઓછા રસપ્રદ) કરી શકો છો. તમારે સફેદ પોર્સેલેઇન કપ લેવાની જરૂર છે અને તેને કાળા કાગળના ઢાંકણ સાથે નાના છિદ્ર સાથે આવરી લેવાની જરૂર છે - અસર લગભગ સમાન હશે.

મહેરબાની કરીને નોંધ કરો કે જો તમે તેજસ્વી સન્ની દિવસે શેરીમાંથી વિંડોઝ જુઓ છો, તો તે અમને અંધકારમય દેખાય છે.

બાય ધ વે, પ્રિન્સટન યુનિવર્સિટીના પ્રોફેસર એરિક રોજર્સ, જેમણે “ફિઝિક્સ ફોર ધ ક્યુરિયસ” લખ્યું હતું, જે ફક્ત અહીં જ નહીં પ્રકાશિત થયું હતું, તેણે એકદમ કાળા શરીરનું અનોખું “વર્ણન” આપ્યું હતું: “ડોગ કેનલ પરનો કોઈ કાળો રંગ દરવાજો ખુલ્લા કરતાં કાળો દેખાતો નથી. એક કૂતરા માટે."

બે સરખા ખાલી ડબ્બામાંથી સ્ટીકરોને દૂર કરીને અને ધૂમ્રપાન કરીને અથવા એક ડબ્બાને કાળા રંગથી પેઇન્ટ કરીને, બીજો પ્રકાશ છોડીને, બંને કેનમાં ગરમ ​​પાણી રેડવું અને તેમાંથી પાણી ઝડપથી ઠંડુ થાય છે તે જોવું (પ્રયોગ આમાં કરી શકાય છે. શ્યામ); તમે થર્મલ રેડિયેશનની ઘટનાનું અવલોકન કરશો.

થર્મલ રેડિયેશનની ઘટના ઇલેક્ટ્રિક રૂમ હીટરના સંચાલનને જોઈને પણ જોઈ શકાય છે, જેમાં અગ્નિથી પ્રકાશિત કોઇલ અને સારી રીતે પોલિશ્ડ અંતર્મુખ ધાતુની સપાટી હોય છે.

તે રસપ્રદ છે કે:

પ્રકાશ અને ગરમીના કિરણો વચ્ચેનું જોડાણ પ્રાચીનકાળથી જાણીતું છે. તદુપરાંત, "ફોકસ" શબ્દનો અર્થ થાય છે લેટિન"અગ્નિ", "હર્થ", જે અંતર્મુખ અરીસાઓ અને લેન્સ પર લાગુ કરવામાં આવે ત્યારે પ્રકાશ કિરણોને બદલે ગરમીની સાંદ્રતા તરફ પ્રાથમિક ધ્યાન સૂચવે છે. 16મી-18મી સદીના ઘણા પ્રયોગો પૈકી, એડમસ મેરીઓટ દ્વારા હાથ ધરવામાં આવેલો પ્રયોગ અદ્વિતીય છે, જેમાં પ્રતિબિંબિત ગરમીના કિરણો દ્વારા ગનપાઉડર સળગાવવામાં આવતો હતો. અંતર્મુખ અરીસોબરફમાંથી બનાવેલ છે.

વિલિયમ હર્ષલ તેની શોધ માટે પ્રખ્યાત યુરેનસ ગ્રહસૂર્યના સ્પેક્ટ્રમમાં અદ્રશ્ય - ઇન્ફ્રારેડ - કિરણો શોધી કાઢ્યા પછી, તે એટલો આશ્ચર્યચકિત થઈ ગયો કે તે વીસ વર્ષ સુધી તેના વિશે મૌન રહ્યો.

પરંતુ તેને કોઈ શંકા ન હતી કે મંગળ વસવાટ અને વસ્તી ધરાવતો છે ... પછીસ્પેક્ટ્રલ વિશ્લેષણ સૂર્યના વાતાવરણમાં સોના સહિત ઘણા રાસાયણિક તત્વોની હાજરી બતાવી, એક બેંકરે કિર્ચહોફને કહ્યું: "સારું, તમારા સૌર સોનાનો શું ઉપયોગ છે, તે કોઈપણ રીતે પૃથ્વી પર પહોંચાડી શકાતો નથી!"ઘણા વર્ષો વીતી ગયા, અને કિર્ચહોફને ઈંગ્લેન્ડ તરફથી મળ્યો સુવર્ણ ચંદ્રકઅને તેમના નોંધપાત્ર સંશોધન માટે રોકડ પુરસ્કાર. આ પૈસા બેંકરને બતાવતા તેણે કહ્યું: “જુઓ, હું હજી પણ વ્યવસ્થાપિત છું

છેવટે

, સૂર્ય પાસેથી થોડું સોનું મેળવો." ફ્રાઉનહોફરની કબર પર, જેમણે સૂર્યના સ્પેક્ટ્રમમાં કાળી રેખાઓ શોધી કાઢી હતી અને ગ્રહો અને તારાઓના સ્પેક્ટ્રાનો અભ્યાસ કર્યો હતો, આભારી દેશબંધુઓએ શિલાલેખ સાથે એક સ્મારક બનાવ્યું હતું "તારાઓને નજીક લાવ્યા."મારા દ્વારા લાવવામાં આવેલ

વ્યવહારુ ઉદાહરણો

સૈદ્ધાંતિક ભાગની ગણતરીની પુષ્ટિ કરો.

નિષ્કર્ષ

મેં મને પૂછેલા પ્રશ્નો પર વિચાર કર્યો. તે જોવાનું સરળ છે કે 19મી સદીના ભૌતિકશાસ્ત્રના હાલના નિયમો. સુપરફિસિયલ હતા, તેઓ ભૌતિક શરીરની તમામ લાક્ષણિકતાઓ (તરંગલંબાઇ, તાપમાન, આવર્તન, વગેરે) ને એકસાથે જોડતા ન હતા. ઉપરોક્ત તમામ કાયદાઓ એકબીજાના પૂરક છે, પરંતુ આ મુદ્દાને સંપૂર્ણ રીતે સમજવા માટે પ્રકાશની પ્રકૃતિ વિશે ક્વોન્ટમ ખ્યાલો સામેલ કરવા જરૂરી હતા. ક્વોન્ટમ થિયરીની રચનાએ ઘણી ઘટનાઓને સમજાવવાનું શક્ય બનાવ્યું, જેમ કે એકદમ કાળા શરીરની ઘટના, એટલે કે. એક શરીર જે કોઈપણ લંબાઈના ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગોને સંપૂર્ણપણે શોષી લે છે અને તે મુજબ, તમામ લંબાઈના ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગો બહાર કાઢે છે. તે શોષણ અને શરીરના રંગ વચ્ચેના સંબંધને અને તેના તાપમાન પર શરીરની તેજસ્વીતાની અવલંબનને સમજાવવાનું પણ શક્ય બનાવ્યું. ત્યારબાદ, આ ઘટનાઓ શાસ્ત્રીય ભૌતિકશાસ્ત્ર દ્વારા સમજાવવામાં આવી હતી. મેં મારા કાર્યનું લક્ષ્ય પૂરું કર્યું - મેં દરેકને સંપૂર્ણપણે કાળા શરીરની સમસ્યાથી વાકેફ કર્યા. આ કરવા માટે, મેં નીચેના કાર્યો પૂર્ણ કર્યા:

આ સમસ્યા પર શક્ય તેટલી વધુ માહિતી મળી;

બ્લેક બોડી સિદ્ધાંતનો અભ્યાસ કર્યો;

અમૂર્તમાં પ્રસ્તુત સૈદ્ધાંતિક ખ્યાલો અને ઘટનાઓની પ્રાયોગિક રીતે પુષ્ટિ કરી;

રેડિયેશનના નિયમોને સૈદ્ધાંતિક રીતે ધ્યાનમાં લેવા માટે, અમે બ્લેક બોડી મોડેલનો ઉપયોગ કર્યો, એટલે કે. એક શરીર જે કોઈપણ લંબાઈના ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગોને સંપૂર્ણપણે શોષી લે છે અને તે મુજબ, તમામ લંબાઈના ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગો બહાર કાઢે છે.

વપરાયેલ સાહિત્યની સૂચિ:

માયાકિશેવ જી. યા., ભૌતિકશાસ્ત્ર 11, એમ., 2000.

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

વિરોધાભાસી. કાળોછિદ્ર જેવું વર્તે છે શરીરસમાન તાપમાન સાથે સંપૂર્ણશૂન્ય... કારણ કે મદદ સાથે કાળોછિદ્રો... આમ, કાળોછિદ્ર સંપૂર્ણ તરીકે ફેલાય છે કાળો શરીર(અનપેક્ષિત રીતે સમજાયું ...

ફેડરલ એજન્સી ફોર એજ્યુકેશન

રાજ્ય શૈક્ષણિક સંસ્થાઉચ્ચ વ્યાવસાયિક શિક્ષણ

"ટ્યુમેન સ્ટેટ ઓઇલ એન્ડ ગેસ યુનિવર્સિટી"

શિસ્ત પર અમૂર્ત

"તકનીકી ઓપ્ટિક્સ"

વિષય: "એકદમ કાળો શરીર"

દ્વારા પૂર્ણ: વિદ્યાર્થી gr. OBDzs-07

કોબાસ્ન્યાન સ્ટેપન સેર્ગેવિચ દ્વારા ચકાસાયેલ: શિસ્તના શિક્ષક

સિડોરોવા એનાસ્તાસિયા એડ્યુઆર્ડોવના

ટ્યુમેન 2009

એકદમ કાળું શરીર- થર્મોડાયનેમિક્સમાં વપરાતું ભૌતિક એબ્સ્ટ્રેક્શન, એક એવું શરીર જે તેના પર તમામ ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક રેડિયેશન ઘટનાને તમામ શ્રેણીઓમાં શોષી લે છે અને કંઈપણ પ્રતિબિંબિત કરતું નથી. નામ હોવા છતાં, સંપૂર્ણ કાળો પદાર્થ પોતે કોઈપણ આવર્તનના ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક રેડિયેશનનું ઉત્સર્જન કરી શકે છે અને દૃષ્ટિની રંગ ધરાવે છે. એકદમ કાળા શરીરનું રેડિયેશન સ્પેક્ટ્રમ તેના તાપમાન દ્વારા જ નક્કી થાય છે.

બ્લેક બોડી મોડેલ

બ્લેક બોડી રેડિયેશનના નિયમો

ઉત્તમ અભિગમ

બ્લેક બોડી રેડિયેશનના નિયમોનો અભ્યાસ દેખાવ માટે પૂર્વજરૂરીયાતોમાંની એક હતી ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સ.

વિએનનો રેડિયેશનનો પ્રથમ નિયમ

1893 માં, વિલ્હેમ વિએન, વિચારો પર આધારિત ક્લાસિકલ થર્મોડાયનેમિક્સ, બહાર લાવ્યા નીચેનું સૂત્ર:

પ્રથમ વિએન સૂત્રમાંથી કોઈ વ્યક્તિ વિએન વિસ્થાપન કાયદો (મહત્તમ કાયદો) અને સ્ટેફન-બોલ્ટ્ઝમેન કાયદો મેળવી શકે છે, પરંતુ આ કાયદાઓમાં સમાવિષ્ટ સ્થિરાંકોના મૂલ્યો શોધી શકતા નથી.

ઐતિહાસિક રીતે, તે વિએનનો પ્રથમ કાયદો હતો જેને વિસ્થાપન કાયદો કહેવામાં આવે છે, પરંતુ હાલમાં "વિએનનો વિસ્થાપન કાયદો" શબ્દ મહત્તમ કાયદાનો સંદર્ભ આપે છે.

વિએનનો રેડિયેશનનો બીજો નિયમ

અનુભવ દર્શાવે છે કે વિએનનું બીજું સૂત્ર ફક્ત મર્યાદામાં જ માન્ય છે ઉચ્ચ આવર્તન(ટૂંકી તરંગલંબાઇ). તે વિએનના પ્રથમ કાયદાનો વિશેષ કેસ છે.

પાછળથી, મેક્સ પ્લાન્કે દર્શાવ્યું કે વિએનનો બીજો નિયમ ઉચ્ચ ક્વોન્ટમ એનર્જી માટે પ્લાન્કના કાયદાને અનુસરે છે, અને તેણે સ્થિરાંકો પણ શોધી કાઢ્યા. સી 1 અને સી 2. આને ધ્યાનમાં લેતા, વિએનનો બીજો કાયદો આ રીતે લખી શકાય છે:

રેલે-જીન્સ કાયદો

આ સૂત્ર તેની આવર્તનના આધારે રેડિયેશનની વર્ણપટની ઘનતામાં ચતુર્ભુજ વધારો ધારે છે. વ્યવહારમાં, આવા કાયદાનો અર્થ દ્રવ્ય અને કિરણોત્સર્ગ વચ્ચે થર્મોડાયનેમિક સંતુલનની અશક્યતા હશે, કારણ કે તે બધા અનુસાર થર્મલ ઊર્જાસ્પેક્ટ્રમના ટૂંકા-તરંગ પ્રદેશમાં કિરણોત્સર્ગ ઊર્જામાં પરિવર્તિત થવું પડશે. આ કાલ્પનિક ઘટનાને અલ્ટ્રાવાયોલેટ આપત્તિ કહેવામાં આવી હતી.

તેમ છતાં, રેલે-જીન્સ રેડિયેશન કાયદો સ્પેક્ટ્રમના લાંબા-તરંગ વિસ્તાર માટે માન્ય છે અને રેડિયેશનની પ્રકૃતિનું પર્યાપ્ત રીતે વર્ણન કરે છે. આવા પત્રવ્યવહારની હકીકત માત્ર ક્વોન્ટમ યાંત્રિક અભિગમનો ઉપયોગ કરીને સમજાવી શકાય છે, જે મુજબ રેડિયેશન સ્પષ્ટ રીતે થાય છે. પર આધારિત છે ક્વોન્ટમ કાયદાતમે પ્લાન્કનું સૂત્ર મેળવી શકો છો, જે માટે રેલે-જીન્સ સૂત્ર સાથે સુસંગત હશે.

આ હકીકત પત્રવ્યવહારના સિદ્ધાંતનું ઉત્તમ ઉદાહરણ છે, જે મુજબ નવા ભૌતિક સિદ્ધાંતજૂનું સમજાવવા સક્ષમ હતું તે બધું સમજાવવું જોઈએ.

પ્લાન્કનો કાયદો

તરંગલંબાઇ પર બ્લેક બોડીની રેડિયેશન પાવરની અવલંબન

એકદમ કાળા શરીરની રેડિયેશનની તીવ્રતા, તાપમાન અને આવર્તન પર આધાર રાખીને, દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે પ્લાન્કનો કાયદો :

જ્યાં આઈ (ν) ડીν - ν થી ν + આવર્તન શ્રેણીમાં રેડિયેશન સપાટીના એકમ ક્ષેત્ર દીઠ રેડિયેશન પાવર ડી ν.

સમાનરૂપે,

,

જ્યાં u (λ) ડીλ - λ થી λ + તરંગલંબાઇની શ્રેણીમાં ઉત્સર્જિત સપાટીના એકમ ક્ષેત્ર દીઠ રેડિયેશન પાવર ડી λ.

સ્ટેફન-બોલ્ટ્ઝમેન કાયદો

કુલ ઊર્જાથર્મલ રેડિયેશન નક્કી કરવામાં આવે છે સ્ટેફન-બોલ્ટ્ઝમેન કાયદો :

જ્યાં jરેડિએટિંગ સપાટીના એકમ ક્ષેત્ર દીઠ શક્તિ છે, અને

W/(m²·K 4) ​​- સ્ટેફન-બોલ્ટ્ઝમેન સતત .

આમ, એકદમ કાળા શરીર ટી= 100 K 5.67 વોટ ઉત્સર્જન કરે છે ચોરસ મીટરતેની સપાટી. 1000 K ના તાપમાને, કિરણોત્સર્ગ શક્તિ પ્રતિ ચોરસ મીટર 56.7 કિલોવોટ સુધી વધે છે.

વિએનનો વિસ્થાપન કાયદો

તરંગલંબાઇ કે જેના પર સંપૂર્ણપણે કાળા શરીરની કિરણોત્સર્ગ ઊર્જા મહત્તમ છે તે દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે વિએનનો વિસ્થાપન કાયદો :

જ્યાં ટીકેલ્વિનમાં તાપમાન છે, અને λ મહત્તમ એ મીટરમાં મહત્તમ તીવ્રતા સાથેની તરંગલંબાઇ છે.

દૃશ્યમાન રંગસાથે સંપૂર્ણપણે કાળા શરીર વિવિધ તાપમાનઆકૃતિમાં રજૂ કરેલ છે.

બ્લેકબોડી રેડિયેશન

ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક રેડિયેશન જે આપેલ તાપમાને બ્લેકબોડી સાથે થર્મોડાયનેમિક સંતુલનમાં હોય છે (ઉદાહરણ તરીકે, બ્લેકબોડીમાં પોલાણની અંદર રેડિયેશન) તેને બ્લેકબોડી (અથવા થર્મલ સંતુલન) રેડિયેશન કહેવામાં આવે છે. સંતુલન થર્મલ રેડિયેશન સજાતીય, આઇસોટ્રોપિક અને અધ્રુવીકરણ છે, તેમાં કોઈ ઊર્જા સ્થાનાંતરણ નથી, તેની તમામ લાક્ષણિકતાઓ ફક્ત બ્લેકબોડી ઉત્સર્જકના તાપમાન પર આધારિત છે (અને, કારણ કે બ્લેકબોડી રેડિયેશન થર્મલ સંતુલનઆપેલ શરીર સાથે, આ તાપમાન રેડિયેશનને આભારી હોઈ શકે છે). બલ્ક ઘનતાબ્લેકબોડી રેડિયેશનની ઊર્જા સમાન છે, તેનું દબાણ બરાબર છે . કહેવાતા કોસ્મિક માઇક્રોવેવ પૃષ્ઠભૂમિ, અથવા કોસ્મિક માઇક્રોવેવ પૃષ્ઠભૂમિ, તેના ગુણધર્મોમાં બ્લેક-બોડી રેડિયેશનની ખૂબ નજીક છે, એક રેડિયેશન જે બ્રહ્માંડને લગભગ 3 K તાપમાનથી ભરી દે છે.

બ્લેકબોડી રંગીનતા

નોંધ:ડિફ્યુઝ ડેલાઇટ (D 65) ની સરખામણીમાં રંગો આપવામાં આવ્યા છે. પ્રકાશની સ્થિતિમાં આંખના અનુકૂલનને કારણે વાસ્તવિક દેખાતો રંગ વિકૃત થઈ શકે છે.

એકદમ બ્લેક બોડી એ થર્મોડાયનેમિક્સમાં વપરાતું ભૌતિક એબ્સ્ટ્રેક્શન છે, એક એવું શરીર જે તેના પર તમામ ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક રેડિયેશનની ઘટનાઓને તમામ શ્રેણીઓમાં શોષી લે છે અને કંઈપણ પ્રતિબિંબિત કરતું નથી. નામ હોવા છતાં, સંપૂર્ણ કાળો પદાર્થ પોતે કોઈપણ આવર્તનના ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક રેડિયેશનનું ઉત્સર્જન કરી શકે છે અને દૃષ્ટિની રંગ ધરાવે છે. એકદમ કાળા શરીરનું રેડિયેશન સ્પેક્ટ્રમ તેના તાપમાન દ્વારા જ નક્કી થાય છે.

સૌથી કાળા વાસ્તવિક પદાર્થો, ઉદાહરણ તરીકે, સૂટ, દૃશ્યમાન તરંગલંબાઇની શ્રેણીમાં 99% જેટલા કિરણોત્સર્ગ (એટલે ​​​​કે, અલ્બેડો 0.01 ધરાવે છે) શોષી લે છે, જો કે ઇન્ફ્રારેડ રેડિયેશનતેમના દ્વારા વધુ ખરાબ રીતે શોષાય છે. સૂર્યમંડળના શરીરોમાં, એકદમ કાળા શરીરના ગુણધર્મો સૌથી મોટી હદ સુધીસૂર્ય ધરાવે છે. આ શબ્દ ગુસ્તાવ કિર્ચહોફ દ્વારા 1862 માં રજૂ કરવામાં આવ્યો હતો.

******બોડી મોડેલ દોરો.******

બ્લેક બોડી મોડેલ

સંપૂર્ણપણે કાળા પદાર્થો પ્રકૃતિમાં અસ્તિત્વમાં નથી, તેથી ભૌતિકશાસ્ત્રમાં પ્રયોગો માટે મોડેલનો ઉપયોગ થાય છે. તે નાના છિદ્ર સાથે બંધ પોલાણ છે. આ છિદ્રમાંથી પ્રવેશતો પ્રકાશ પુનરાવર્તિત પ્રતિબિંબ પછી સંપૂર્ણપણે શોષાઈ જશે, અને છિદ્ર બહારથી સંપૂર્ણપણે કાળો દેખાશે. પરંતુ જ્યારે આ પોલાણ ગરમ થાય છે, ત્યારે તે તેના પોતાના દૃશ્યમાન કિરણોત્સર્ગનો વિકાસ કરશે.

વિએનનો રેડિયેશનનો પ્રથમ નિયમ

1893 માં, વિલ્હેમ વિએન.

વિએનનું પ્રથમ સૂત્ર તમામ ફ્રીક્વન્સીઝ માટે માન્ય છે. કોઈપણ વધુ ચોક્કસ સૂત્ર (ઉદાહરણ તરીકે, પ્લાન્કનો કાયદો) વિએનના પ્રથમ સૂત્રને સંતોષે છે.

વિએનનો રેડિયેશનનો બીજો નિયમ

1896 માં, વિયેને વધારાની ધારણાઓના આધારે બીજો કાયદો મેળવ્યો:

વિએનનું બીજું સૂત્ર માત્ર ઉચ્ચ ફ્રીક્વન્સીઝ (ટૂંકી તરંગલંબાઇ)ની મર્યાદામાં જ માન્ય છે. તે વિએનના પ્રથમ કાયદાનો વિશેષ કેસ છે.

રેલે-જીન્સ કાયદો

પર આધારિત સંપૂર્ણપણે કાળા શરીરના રેડિયેશનનું વર્ણન કરવાનો પ્રયાસ શાસ્ત્રીય સિદ્ધાંતોથર્મોડાયનેમિક્સ અને ઇલેક્ટ્રોડાયનેમિક્સ રેલે-જીન્સ કાયદા તરફ દોરી જાય છે:

વ્યવહારમાં, આવા કાયદાનો અર્થ દ્રવ્ય અને કિરણોત્સર્ગ વચ્ચે થર્મોડાયનેમિક સંતુલનની અશક્યતા હશે, કારણ કે તે મુજબ તમામ થર્મલ ઊર્જાને સ્પેક્ટ્રમના ટૂંકા-તરંગ પ્રદેશમાં રેડિયેશન ઊર્જામાં રૂપાંતરિત કરવું પડશે. આ કાલ્પનિક ઘટનાને અલ્ટ્રાવાયોલેટ આપત્તિ કહેવામાં આવી હતી.

પ્લાન્કનો નિયમ તાપમાન અને આવર્તનના આધારે સંપૂર્ણપણે કાળા શરીરના રેડિયેશનની તીવ્રતા નક્કી કરે છે

સ્ટેફન-બોલ્ટ્ઝમેન કાયદો કાયદા દ્વારા નિર્ધારિત થર્મલ રેડિયેશનની કુલ ઊર્જા નક્કી કરે છે

તરંગલંબાઇ કે જેના પર એકદમ કાળા શરીરની કિરણોત્સર્ગ ઊર્જા મહત્તમ છે તે વિએનના વિસ્થાપન કાયદા દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે:

તેથી, જો આપણે પ્રથમ અંદાજ તરીકે માની લઈએ કે માનવ ત્વચા એકદમ કાળા શરીરના ગુણધર્મમાં નજીક છે, તો 36°C (309 K) ના તાપમાને મહત્તમ રેડિયેશન સ્પેક્ટ્રમ 9400 nm ની તરંગલંબાઇ પર રહેલું છે. સ્પેક્ટ્રમનો ઇન્ફ્રારેડ પ્રદેશ).

19મી સદીના અંત સુધીમાં, વિજ્ઞાનીઓ, પદાર્થના અણુઓ સાથે ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક રેડિયેશન (ખાસ કરીને, પ્રકાશ) ની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાનો અભ્યાસ કરતા, ગંભીર સમસ્યાઓનો સામનો કરવો પડ્યો જે માત્ર ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સના માળખામાં જ ઉકેલી શકાય છે, જે ઘણી રીતે, કારણભૂત છે. હકીકત એ છે કે આ સમસ્યાઓ ઊભી થઈ છે. આમાંની પ્રથમ અને કદાચ સૌથી ગંભીર સમસ્યાઓને સમજવા માટે, અરીસાવાળી આંતરિક સપાટી સાથેના મોટા બ્લેક બોક્સની કલ્પના કરો, અને દિવાલોમાંથી એકમાં એક નાનો છિદ્ર બનાવવામાં આવ્યો છે. માઇક્રોસ્કોપિક છિદ્ર દ્વારા બૉક્સમાં પ્રવેશતા પ્રકાશનું કિરણ હંમેશ માટે અંદર રહે છે, દિવાલોને અવિરતપણે પ્રતિબિંબિત કરે છે. એક પદાર્થ જે પ્રકાશને પ્રતિબિંબિત કરતું નથી, પરંતુ તેને સંપૂર્ણપણે શોષી લે છે, તે કાળો દેખાય છે, તેથી તેને સામાન્ય રીતે કહેવામાં આવે છે કાળું શરીર. (એકદમ બ્લેક બોડી - અન્ય ઘણા વિભાવનાઓની જેમ ભૌતિક ઘટના- ઑબ્જેક્ટ સંપૂર્ણપણે કાલ્પનિક છે, જો કે, ઉદાહરણ તરીકે, અંદરથી અરીસામાં એક હોલો, સમાન રીતે ગરમ ગોળા, જેમાં પ્રકાશ એક નાના છિદ્ર દ્વારા પ્રવેશ કરે છે, તે એક સારો અંદાજ છે.)

જો કે, તમે કદાચ વાસ્તવિકતામાં બ્લેક બોડીના એકદમ નજીકના એનાલોગ જોયા હશે. ફાયરપ્લેસમાં, ઉદાહરણ તરીકે, એવું બને છે કે ઘણા લોગ લગભગ એકસાથે ચુસ્તપણે સ્ટેક કરવામાં આવે છે, અને તેની અંદર એક જગ્યાએ મોટી પોલાણ બળી જાય છે. લોગની બહાર અંધારું રહે છે અને તે ચમકતું નથી, જ્યારે બળી ગયેલી પોલાણની અંદર ગરમી (ઇન્ફ્રારેડ રેડિયેશન) અને પ્રકાશ એકઠા થાય છે, અને આ કિરણો બહાર નીકળતા પહેલા પોલાણની દિવાલોમાંથી વારંવાર પ્રતિબિંબિત થાય છે. જો તમે આવા લૉગ્સ વચ્ચેના અંતરને જોશો, તો તમે તેજસ્વી પીળો-નારંગી ઉચ્ચ-તાપમાન ગ્લો જોશો અને ત્યાંથી તમે શાબ્દિક રીતે ગરમીથી ઝળહળતા હશો. કિરણો ફક્ત લોગની વચ્ચે થોડા સમય માટે ફસાયેલા હતા, જેમ કે ઉપર વર્ણવેલ બ્લેક બોક્સ દ્વારા પ્રકાશ સંપૂર્ણપણે ફસાઈ જાય છે અને શોષાય છે.

આવા બ્લેક બોક્સનું મોડેલ આપણને એ સમજવામાં મદદ કરે છે કે બ્લેક બોડી દ્વારા શોષાયેલો પ્રકાશ તેના પદાર્થના અણુઓ સાથે કેવી રીતે વર્તે છે. અહીં એ સમજવું અગત્યનું છે કે પ્રકાશ એક અણુ દ્વારા શોષાય છે, તેના દ્વારા તરત જ ઉત્સર્જિત થાય છે અને બીજા અણુ દ્વારા શોષાય છે, ફરીથી ઉત્સર્જિત અને શોષાય છે, અને જ્યાં સુધી સંતુલન સંતૃપ્તિની સ્થિતિ ન આવે ત્યાં સુધી આવું થશે. જ્યારે કાળા શરીરને સમતુલા સ્થિતિમાં ગરમ ​​કરવામાં આવે છે, ત્યારે કાળા શરીરની અંદર કિરણોના ઉત્સર્જન અને શોષણની તીવ્રતા સમાન થાય છે: જ્યારે ચોક્કસ આવર્તનનો પ્રકાશનો ચોક્કસ જથ્થો એક અણુ દ્વારા શોષાય છે, ત્યારે અંદર ક્યાંક બીજો અણુ વારાફરતી બહાર કાઢે છે. સમાન આવર્તનના પ્રકાશની માત્રા. આમ, બ્લેક બોડીની અંદર દરેક ફ્રીક્વન્સીના શોષિત પ્રકાશનું પ્રમાણ સમાન રહે છે, જો કે તે શોષાય છે અને બહાર ફેંકાય છે. વિવિધ અણુઓસંસ્થાઓ

આ ક્ષણ સુધી, કાળા શરીરનું વર્તન તદ્દન સમજી શકાય તેવું રહે છે. શાસ્ત્રીય ભૌતિકશાસ્ત્રની અંદરની સમસ્યાઓ (અહીં "શાસ્ત્રીય" દ્વારા અમારો અર્થ ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સના આગમન પહેલા ભૌતિકશાસ્ત્ર છે) જ્યારે કાળા શરીરની અંદર સંગ્રહિત રેડિયેશન ઊર્જાની ગણતરી કરવાનો પ્રયાસ કરવામાં આવ્યો ત્યારે શરૂ થયો. સંતુલન સ્થિતિ. અને બે બાબતો ટૂંક સમયમાં સ્પષ્ટ થઈ ગઈ:

• કિરણોની તરંગની આવર્તન જેટલી વધારે છે, તેમાંથી વધુ કાળા શરીરની અંદર એકઠા થાય છે (એટલે ​​​​કે, રેડિયેશન તરંગોના સ્પેક્ટ્રમના અભ્યાસ કરેલા ભાગની તરંગલંબાઇ જેટલી ઓછી હોય છે, કાળા શરીરની અંદર સ્પેક્ટ્રમના આ ભાગની વધુ કિરણો હોય છે. શાસ્ત્રીય સિદ્ધાંત દ્વારા આગાહી કરવામાં આવે છે);
• તરંગની આવર્તન જેટલી વધારે છે, તે વધુ ઊર્જા વહન કરે છે અને તે મુજબ, તેનો વધુ ભાગ બ્લેક બોડીની અંદર સંગ્રહિત થાય છે.

એકસાથે લેવામાં આવે તો, આ બે તારણો એક અકલ્પ્ય પરિણામ તરફ દોરી ગયા: કાળા શરીરની અંદરની રેડિયેશન ઊર્જા અનંત હોવી જોઈએ! શાસ્ત્રીય ભૌતિકશાસ્ત્રના નિયમોની આ દુષ્ટ ઉપહાસને ડબ કરવામાં આવી હતી અલ્ટ્રાવાયોલેટ આપત્તિ, કારણ કે ઉચ્ચ-આવર્તન કિરણોત્સર્ગ સ્પેક્ટ્રમના અલ્ટ્રાવાયોલેટ ભાગમાં રહેલું છે.

જર્મન ભૌતિકશાસ્ત્રી મેક્સ પ્લાન્ક દ્વારા ઓર્ડર પુનઃસ્થાપિત કરવામાં આવ્યો હતો ( સેમીપ્લાન્કનો કોન્સ્ટન્ટ) - તેણે બતાવ્યું કે જો આપણે ધારીએ કે અણુઓ માત્ર ભાગોમાં અને માત્ર અમુક ફ્રીક્વન્સીઝ પર પ્રકાશને શોષી શકે છે અને ઉત્સર્જિત કરી શકે છે તો સમસ્યા દૂર થાય છે. (આલ્બર્ટ આઈન્સ્ટાઈને પાછળથી આ વિચારની રજૂઆત કરીને સામાન્યીકરણ કર્યું ફોટોન- પ્રકાશ કિરણોત્સર્ગના સખત રીતે વ્યાખ્યાયિત ભાગો.) આ યોજના અનુસાર, ઘણી રેડિયેશન ફ્રીક્વન્સીઝની આગાહી શાસ્ત્રીય ભૌતિકશાસ્ત્ર, ફક્ત કાળા શરીરની અંદર અસ્તિત્વમાં નથી, કારણ કે અણુઓ તેમને શોષી અથવા ઉત્સર્જન કરવામાં અસમર્થ છે; તદનુસાર, બ્લેક બોડીની અંદર સંતુલન કિરણોત્સર્ગની ગણતરી કરતી વખતે આ ફ્રીક્વન્સીઝને ધ્યાનમાં લેવાથી બાકાત રાખવામાં આવે છે. માત્ર અનુમતિપાત્ર ફ્રીક્વન્સીઝ છોડીને, પ્લાન્કે અટકાવ્યું અલ્ટ્રાવાયોલેટ આપત્તિઅને સબએટોમિક સ્તરે વિશ્વની રચનાની સાચી સમજણના માર્ગ સાથે વિજ્ઞાનને દિશામાન કર્યું. વધુમાં, તેમણે સંતુલન બ્લેક બોડી રેડિયેશનના લાક્ષણિક આવર્તન વિતરણની ગણતરી કરી.

આ વિતરણને પ્લાન્ક દ્વારા તેના પ્રકાશનના ઘણા દાયકાઓ પછી વિશ્વભરમાં ખ્યાતિ મળી, જ્યારે બ્રહ્માંડશાસ્ત્રીઓએ શોધ્યું કે તેઓ જે અવશેષ સામગ્રી શોધે છે. માઇક્રોવેવ રેડિયેશન (સેમીબિગ બેંગ) તેના સંદર્ભમાં પ્લાન્ક વિતરણનું બરાબર પાલન કરે છે સ્પેક્ટ્રલ લાક્ષણિકતાઓઅને સંપૂર્ણ શૂન્યથી લગભગ ત્રણ ડિગ્રી ઉપરના તાપમાને બ્લેક બોડી રેડિયેશનને અનુરૂપ છે.

સંપૂર્ણ કાળો શરીર એ માનસિક શારીરિક છે આદર્શ પદાર્થ. રસપ્રદ રીતે, તે વાસ્તવમાં કાળું હોવું જરૂરી નથી. અહીં મામલો અલગ છે.

આલ્બેડો

આપણે બધા યાદ કરીએ છીએ (અથવા ઓછામાં ઓછું યાદ રાખવું જોઈએ). શાળા અભ્યાસક્રમભૌતિકશાસ્ત્રીઓ કહે છે કે "આલ્બેડો" ની વિભાવના શરીરની સપાટીની પ્રકાશને પ્રતિબિંબિત કરવાની ક્ષમતા સૂચવે છે. તેથી, ઉદાહરણ તરીકે, બરફના આવરણઆપણા ગ્રહની બરફની ટોપીઓ તેમના પર પડેલા 90% સુધી પ્રતિબિંબિત કરવામાં સક્ષમ છે સૂર્યપ્રકાશ. આનો અર્થ એ છે કે તેઓ ઉચ્ચ અલ્બેડો દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે. તે આશ્ચર્યજનક નથી કે ધ્રુવીય સ્ટેશનોના કર્મચારીઓને ઘણીવાર સનગ્લાસ પહેરીને કામ કરવાની ફરજ પાડવામાં આવે છે. બધા પછી, જુઓ શુદ્ધ બરફ- લગભગ નરી આંખે સૂર્યને જોવા જેવું જ. આ સંદર્ભે, સમગ્ર પરાવર્તકતાને રેકોર્ડ કરો સૌર સિસ્ટમશનિનો ચંદ્ર એન્સેલેડસ ધરાવે છે, જે લગભગ સંપૂર્ણ રીતે પાણીનો બરફ ધરાવે છે સફેદઅને તેની સપાટી પર લગભગ તમામ કિરણોત્સર્ગ ઘટનાઓને પ્રતિબિંબિત કરે છે. બીજી તરફ, સૂટ જેવા પદાર્થમાં 1% કરતા ઓછો અલ્બેડો હોય છે. એટલે કે, તે લગભગ 99% ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક રેડિયેશનને શોષી લે છે.

સંપૂર્ણ કાળો શરીર: વર્ણન

અહીં આપણે સૌથી મહત્વની વાત પર આવીએ છીએ. ચોક્કસ વાચકે અનુમાન લગાવ્યું છે કે સંપૂર્ણ કાળો પદાર્થ એ એક પદાર્થ છે જેની સપાટી તેના પરની તમામ કિરણોત્સર્ગ ઘટનાઓને શોષી લેવામાં સક્ષમ છે. જો કે, આનો અર્થ એ નથી કે આવી વસ્તુ અદ્રશ્ય હશે અને સૈદ્ધાંતિક રીતે, પ્રકાશ ઉત્સર્જન કરી શકશે નહીં. ના, તેને બ્લેક હોલ સાથે ભેળસેળ ન કરવી જોઈએ. તેનો રંગ હોઈ શકે છે અને તે તદ્દન દૃશ્યમાન પણ હોઈ શકે છે, પરંતુ સંપૂર્ણપણે કાળા શરીરનું રેડિયેશન હંમેશા તેના પોતાના તાપમાન દ્વારા નક્કી કરવામાં આવશે, પરંતુ પ્રતિબિંબિત પ્રકાશ દ્વારા નહીં. માર્ગ દ્વારા, આ ફક્ત માનવ આંખને દૃશ્યમાન સ્પેક્ટ્રમ જ નહીં, પણ અલ્ટ્રાવાયોલેટ, ઇન્ફ્રારેડ રેડિયેશન, રેડિયો તરંગો, એક્સ-રે, ગામા રેડિયેશન વગેરેને પણ ધ્યાનમાં લે છે. પહેલેથી જ ઉલ્લેખ કર્યો છે તેમ, પ્રકૃતિમાં એકદમ કાળા શરીરનું અસ્તિત્વ નથી. જો કે, તેની લાક્ષણિકતાઓ આપણામાં છે સ્ટાર સિસ્ટમસૌથી સંપૂર્ણ જવાબ સૂર્ય છે, જે ઉત્સર્જન કરે છે પરંતુ લગભગ પ્રકાશને પ્રતિબિંબિત કરતું નથી (અન્ય તારાઓમાંથી નીકળે છે).

પ્રયોગશાળા આદર્શીકરણ

ત્યારથી પ્રકાશને પ્રતિબિંબિત ન કરતી વસ્તુઓ ઉત્પન્ન કરવાના પ્રયાસો કરવામાં આવ્યા છે XIX ના અંતમાંસદી વાસ્તવમાં, આ સમસ્યા ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સના ઉદભવ માટેની પૂર્વજરૂરીયાતોમાંની એક બની ગઈ. સૌ પ્રથમ, એ નોંધવું અગત્યનું છે કે અણુ દ્વારા શોષાયેલ કોઈપણ ફોટોન (અથવા ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક રેડિયેશનનો અન્ય કોઈ કણ) તેના દ્વારા તરત જ ઉત્સર્જિત થાય છે અને પડોશી અણુ દ્વારા શોષાય છે, અને ફરીથી ઉત્સર્જિત થાય છે. શરીરમાં સંતુલન સંતૃપ્તિની સ્થિતિ પ્રાપ્ત ન થાય ત્યાં સુધી આ પ્રક્રિયા ચાલુ રહેશે. જો કે, જ્યારે કાળા શરીરને સમાન સંતુલન સ્થિતિમાં ગરમ ​​કરવામાં આવે છે, ત્યારે તે જે પ્રકાશ ફેંકે છે તેની તીવ્રતા તે શોષી લેતી પ્રકાશની તીવ્રતા જેટલી બને છે.

ભૌતિકશાસ્ત્રીઓના વૈજ્ઞાનિક સમુદાયમાં, આ કિરણોત્સર્ગ ઊર્જા શું હોવી જોઈએ તેની ગણતરી કરવાનો પ્રયાસ કરતી વખતે સમસ્યા ઊભી થાય છે, જે સંતુલનમાં કાળા શરીરની અંદર સંગ્રહિત છે. અને અહીં એક અદ્ભુત ક્ષણ આવે છે. સંતુલનની સ્થિતિમાં એકદમ બ્લેક બોડીના વર્ણપટમાં ઊર્જાનું વિતરણ એટલે તેની અંદરની રેડિયેશન ઊર્જાની શાબ્દિક અનંતતા. આ સમસ્યાને અલ્ટ્રાવાયોલેટ ડિઝાસ્ટર કહેવામાં આવે છે.

પ્લાન્કનો ઉકેલ

પ્રથમ જેણે આ સમસ્યાનો સ્વીકાર્ય ઉકેલ શોધવામાં વ્યવસ્થાપિત કર્યું તે જર્મન ભૌતિકશાસ્ત્રી મેક્સ પ્લાન્ક હતા. તેમણે સૂચવ્યું હતું કે કોઈપણ કિરણોત્સર્ગ અણુઓ દ્વારા સતત નહીં, પરંતુ વિવેકપૂર્ણ રીતે શોષાય છે. એટલે કે ભાગોમાં. પાછળથી, આવા ભાગોને ફોટોન કહેવામાં આવ્યાં. વધુમાં, રેડિયોમેગ્નેટિક તરંગો ચોક્કસ ફ્રીક્વન્સીઝ પર અણુઓ દ્વારા જ શોષી શકાય છે. અયોગ્ય ફ્રીક્વન્સીઝ ખાલી પસાર થાય છે, જે સમસ્યાનું નિરાકરણ લાવે છે અનંત ઊર્જાજરૂરી સમીકરણ.

તાપમાન અને આવર્તન પર આધાર રાખીને બ્લેક બોડી રેડિયેશનની તીવ્રતા પ્લાન્કના નિયમ દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે:

જ્યાં આઈ (?) ડી ? – આવર્તન શ્રેણીમાં પ્રતિ એકમ ઘન કોણ ઉત્સર્જન કરતી સપાટીની એકમ ક્ષેત્ર દીઠ રેડિયેશન શક્તિ? માટે? + ડી ?

થર્મલ રેડિયેશનની કુલ ઊર્જા સ્ટેફન-બોલ્ટ્ઝમેન કાયદા દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે:

જ્યાં એફ રેડિએટિંગ સપાટીના એકમ ક્ષેત્ર દીઠ શક્તિ છે, અને

W / (m 2 K 4) – સ્ટેફન-બોલ્ટ્ઝમેન બન્યા.

તરંગલંબાઇ કે જેના પર રેડિયેશન ઊર્જા મહત્તમ છે તે વિએનના વિસ્થાપન કાયદા દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે:

જ્યાં ટીકેલ્વિનમાં તાપમાન છે, અને ? મહત્તમ- મીટરમાં મહત્તમ તીવ્રતા સાથે તરંગલંબાઇ.
જુદા જુદા તાપમાને સંપૂર્ણપણે કાળા પદાર્થોનો દેખીતો રંગ જમણી બાજુના ચિત્રમાં બતાવવામાં આવ્યો છે.
એકદમ કાળા શરીરમાં પ્રકાશ કિરણોની હિલચાલ કૃત્રિમ રીતે લગભગ એકદમ કાળા શરીરનું નિર્માણ કરી શકે છે આંતરિક સપાટીચોક્કસ તાપમાને ગરમ અપારદર્શક શરીરપોલાણ અને નાના છિદ્ર સાથે. પોલાણ C માં છિદ્ર Aમાંથી પસાર થતી કોઈપણ કિરણ વ્યવહારીક રીતે પાછી બહાર આવતી નથી, અને તેથી તે બહુવિધ પ્રતિબિંબ અને શોષણનો અનુભવ કરે છે. તેથી, છિદ્ર A સંપૂર્ણપણે કાળા શરીરની જેમ કિરણોને શોષી લે છે.
એ નોંધવું જોઈએ કે એકદમ કાળા શરીરના ભૌમિતિક પરિમાણો લંબાઈ પર કુદરતી નિયંત્રણો લાદે છે. ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગ, તેમાં ફેલાઈ શકે છે. ખરેખર, જો તરંગલંબાઇ મોટા કદકાળો શરીર, પછી તે ફક્ત તેમાંની દિવાલોથી દૂર જોવા માટે સમર્થ હશે નહીં. બ્રહ્માંડ વિજ્ઞાનમાં આ હકીકત ખાસ કરીને મહત્વપૂર્ણ છે, જ્યારે બ્રહ્માંડને સંપૂર્ણપણે કાળા શરીરના સ્વરૂપમાં મોડેલિંગ કરવામાં આવે છે. પ્રારંભિક તબક્કાવિકાસ, ખાસ કરીને જ્યારે કોસ્મિક માઇક્રોવેવ પૃષ્ઠભૂમિ કિરણોત્સર્ગને ધ્યાનમાં લેતા.
એસ્ટ્રોફિઝિક્સમાં સંપૂર્ણ બ્લેક બોડીનો ખ્યાલ વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાય છે. સૂર્યનું કિરણોત્સર્ગ 6000K તાપમાન સાથે આવા શરીરના કિરણોત્સર્ગની નજીક છે. આખું બ્રહ્માંડ કહેવાતા સાથે સમાયેલું છે કોસ્મિક માઇક્રોવેવ પૃષ્ઠભૂમિ રેડિયેશન, 3K તાપમાન સાથે બ્લેક બોડી રેડિયેશનની નજીક. આવા શરીરના કિરણોત્સર્ગ સાથે તારાઓના કુલ કિરણોત્સર્ગની તુલના આપણને અંદાજે અંદાજ કાઢવાની મંજૂરી આપે છે અસરકારક તાપમાનતારાઓ બ્લેક બોડીમાંથી તારાના કિરણોત્સર્ગનું વિચલન ઘણીવાર નોંધપાત્ર હોય છે. સૂર્ય અને તારાઓની ઊંડાઈમાં, લાખો ડિગ્રી સુધી ગરમ, કિરણોત્સર્ગ ઉચ્ચ ચોકસાઈ સાથે આવા કિરણોત્સર્ગને અનુરૂપ છે.
માટે વ્યવહારુ અમલીકરણબ્લેક બોડી મોડેલ માટે, પોલાણની દિવાલોની સમાન ગરમી અને નાના છિદ્ર દ્વારા રેડિયેશન બહાર નીકળવાની સંભાવનાને સુનિશ્ચિત કરવી જરૂરી છે. બ્લેક બોડીના પ્રથમ પ્રાયોગિક નમૂનાઓમાંનું એક લુમર અને પ્રિંગશેમ દ્વારા બનાવવામાં આવેલ ઉપકરણ હતું. તે ડબલ દિવાલો સાથે મેટલ કન્ટેનર હતું (થર્મોસ્ટેટ જેવું જ). ચોક્કસ અને સમાન તાપમાન જાળવવા માટે દિવાલો વચ્ચેની જગ્યાનો ઉપયોગ "તાપમાન સ્નાન" તરીકે કરવામાં આવતો હતો. આ ઉકળતા પાણી દ્વારા અથવા વરાળ પસાર કરીને પ્રાપ્ત થયું હતું નીચા તાપમાન- બરફ, ઘન કાર્બન ડાયોક્સાઇડ, પ્રવાહી હવા વગેરે ભરીને.
ખાતે રેડિયેશનનો અભ્યાસ કરવો ઉચ્ચ તાપમાનએક અલગ ડિઝાઇનની બ્લેક બોડીનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. પ્લેટિનમ શીટથી બનેલું સિલિન્ડર, જેના દ્વારા વિદ્યુત પ્રવાહ, આંતરિક પોર્સેલિન સિલિન્ડરની સમાન ગરમી માટે જરૂરી છે. સિલિન્ડરની અંદરનું તાપમાન થર્મોકોપલ દ્વારા માપવામાં આવતું હતું, અને ડાયાફ્રેમ્સ ઘૂસી રહેલી હવા દ્વારા ઠંડકને અટકાવે છે.
સમાન સરળ ઉપકરણોનો ઉપયોગ કરીને - બ્લેક બોડી મોડલ્સ, રેડિયેશનના નિયમોનો પ્રાયોગિક રીતે અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો હતો, તેના સ્થિરાંકો ચોક્કસ રીતે નક્કી કરવામાં આવ્યા હતા અને તેજના વર્ણપટના વિતરણનો અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો હતો.