Juodojo kūno spinduliuotės spektras. Nuorodos šaltiniai – juodųjų korpusų modeliai

Kirovo srities švietimo skyrius. Bendrojo ir vidurinio ugdymo ministerija

Savivaldybės ugdymo įstaiga Nr.204

"elitinė mokykla"

Mokslinė ir techninė kryptis.

Fizikos dalykas.

absoliučiai juodas kūnas

Atlikėjas: 11 klasės mokinys Karpovas Maksimas

Vadovas: Bondina Marina Jurievna

Jekaterinburgas 2007 m

2 įvado puslapis

Juodojo kūno teorija p.5

Praktinė dalis 15 psl

Išvada p.17

Literatūra p.18

Įvadas

pabaigoje – XIX a. Daugelis mokslininkų manė, kad fizikos plėtra buvo baigta dėl šių priežasčių:

1. Mechanikos ir teorijos dėsniai gyvuoja daugiau nei 200 metų universalioji gravitacija, išsaugojimo dėsniai (energija, impulsas, kampinis momentas, masė ir elektros krūvis).

2. Sukurta MKT.

3. Termodinamikai padėtas tvirtas pagrindas.

4. Suformuluota Maksvelo elektromagnetizmo teorija.

5. Reliatyvistinis energijos tvermės dėsnis – masė.

XIX amžiaus pabaigoje – XX amžiaus pradžioje. atrado V. Rentgenas – rentgeno spinduliai ( rentgeno spinduliai), A. Becquerel – radioaktyvumo fenomenas, J. Thomson – elektronas. Tačiau klasikinė fizika nesugebėjo paaiškinti šių reiškinių.

A. Einšteino reliatyvumo teorija reikalavo radikaliai peržiūrėti erdvės ir laiko sampratą. Specialūs eksperimentai patvirtino J. Maxwello hipotezės apie elektromagnetinė prigimtis Sveta. Galima daryti prielaidą, kad įkaitusių kūnų elektromagnetines bangas skleidžia svyruojantis elektronų judėjimas. Tačiau šią prielaidą teko patvirtinti lyginant teorinius ir eksperimentinius duomenis. Norėdami teoriškai apsvarstyti spinduliavimo dėsnius, naudojome juodojo kūno modelį, t.y. kūnas, kuris visiškai sugeria bet kokio ilgio elektromagnetines bangas ir atitinkamai skleidžia visų ilgių elektromagnetines bangas.

Su reiškiniu, kai kūnai sugeria energiją, susidūriau grįždama namo rudens vakarą. Tą vakarą buvo drėgna ir aš beveik nemačiau kelio, kuriuo ėjau. O kai po savaitės iškrito sniegas, kelias buvo aiškiai matomas. Taip pirmą kartą susidūriau su absoliučiai juodo kūno fenomenu, kūno, kurio gamtoje nėra, ir pradėjau juo domėtis. O kadangi ilgai ieškojau mane dominančios medžiagos, rinkau ją po gabalėlį, nusprendžiau parašyti tiriamąjį darbą, kuriame visa tai bus sujungta ir išdėstyta logiška tvarka. Taip pat, kad būtų patogiau suprasti teorinę dalį, pateikiau praktinius eksperimentų pavyzdžius, kuriuose galite stebėti minėtą reiškinį.

Studijuodamas medžiagą šviesos energijos atspindžio ir sugerties tema maniau, kad visiškai juodas kūnas yra kūnas, kuris sugeria visą energiją. Tačiau ar tai įmanoma praktiškai? Manau, kad ne man vienam šis klausimas buvo įdomus. Todėl mano darbo tikslas – įrodyti, kad įkaitusių kūnų elektromagnetinių bangų spinduliavimas yra dėl elektronų svyruojančio judėjimo. Tačiau ši problema yra aktuali, nes apie ją nėra parašyta mūsų vadovėliuose, apie kuriuos galite perskaityti apie visiškai juodą kūną. Norėdami tai padaryti, iškėliau sau keletą užduočių:

rasti kuo daugiau daugiau informacijosšiuo klausimu;

studijuoti juodojo kūno teoriją;

eksperimentiškai patvirtinti abstrakčiai pateiktas teorines sąvokas ir reiškinius;

Santrauka susideda iš šių dalių:

įvadas;

juodo kūno teorija;

praktinė dalis;

išvada.

Juodojo kūno teorija

1. Klausimo tyrimo istorija.

Klasikinė fizika negalėjo gauti pagrįstos formulės spektrinis tankis(šią formulę galima nesunkiai patikrinti: absoliučiai juodas korpusas yra krosnis, sumontuotas spektrometras, spinduliuotė paverčiama spektru ir kiekvienai spektro juostai galima rasti energiją šiame bangos ilgio intervale). Klasikinė fizika galėjo ne tik duoti teisinga vertė funkcija, ji net negalėjo suteikti pagrįstos reikšmės, o būtent, paaiškėjo, kad ši funkcija auga mažėjant bangos ilgiui, ir tai yra tiesiog beprasmiška, tai reiškia, kad bet kuris kūnas matomoje srityje skleidžia, o juo labiau žemais dažniais, ir visos energijos spinduliuotė linkusi į begalybę. Tai reiškia, kad gamtoje yra reiškinių, kurių neįmanoma aprašyti klasikinės fizikos dėsniais.

pabaigoje atsiskleidė bandymų sukurti juodojo kūno spinduliavimo teoriją, pagrįstą klasikinės fizikos dėsniais, nenuoseklumas. Iš įstatymų klasikinė fizika iš to seka, kad medžiaga turi skleisti elektromagnetines bangas esant bet kokiai temperatūrai, prarasti energiją ir sumažinti temperatūrą iki absoliutaus nulio. Kitaip tariant. Šiluminė pusiausvyra tarp medžiagos ir spinduliuotės buvo neįmanoma. Tačiau tai prieštarauja kasdienei patirčiai.

Tai galima išsamiau paaiškinti taip. Egzistuoja absoliučiai juodo kūno samprata – kūnas, kuris sugeria elektromagnetinė spinduliuotė bet koks bangos ilgis. Jo spinduliavimo spektrą lemia jo temperatūra. Gamtoje nėra visiškai juodų kūnų. Tiksliausias absoliučiai juodo kūno atitikimas yra uždaras, nepermatomas, tuščiaviduris korpusas su skylute. Bet koks medžiagos gabalas kaitinant švyti ir, toliau kylant temperatūrai, pirmiausia tampa raudonas, o paskui baltas. Spalva beveik nepriklauso nuo medžiagos, jei ji yra visiškai juoda, ją lemia tik jo temperatūra. Įsivaizduokime tokią uždarą ertmę, kurioje palaikoma pastovi temperatūra ir kurioje yra materialūs kūnai, galinčios skleisti ir sugerti spinduliuotę. Jei šių kūnų temperatūra pradiniu momentu skyrėsi nuo ertmės temperatūros, tai laikui bėgant sistema (ertmė plius kūnai) bus linkusi į termodinaminę pusiausvyrą, kuriai būdinga pusiausvyra tarp sugertos ir išmatuotos energijos per laiko vienetą.

G. Kirchhoffas nustatė, kad šiai pusiausvyros būsenai būdingas tam tikras ertmėje esančios spinduliuotės energijos tankio spektrinis pasiskirstymas, taip pat funkcija, lemianti spektrinis pasiskirstymas(Kirchhoff funkcija), priklauso nuo ertmės temperatūros ir nepriklauso nei nuo ertmės dydžio, nei nuo jos formos, nei nuo joje esančių materialių kūnų savybių. Kadangi Kirchhoff funkcija yra universali, t.y. yra vienodas bet kuriam juodam kūnui, tada atsirado prielaida, kad jo išvaizdą lemia kai kurios termodinamikos ir elektrodinamikos nuostatos. Tačiau tokio pobūdžio bandymai buvo nesėkmingi. Iš D. Rayleigh dėsnio išplaukė, kad didėjant dažniui spinduliuotės energijos spektrinis tankis turi didėti monotoniškai, tačiau eksperimentas parodė priešingai: iš pradžių spektrinis tankis didėjo didėjant dažniui, o paskui mažėjo.

Sprendžiant juodojo kūno spinduliuotės problemą reikėjo iš esmės naujo požiūrio.

Jį rado M. Planckas.

1900 m. Planckas suformulavo postulatą, pagal kurį materija gali spinduliuoti spinduliavimo energiją tik baigtinėmis dalimis, proporcingomis šios spinduliuotės dažniui. Ši koncepcija lėmė tradicinių klasikinės fizikos principų pasikeitimą. Diskretaus veiksmo egzistavimas parodė ryšį tarp objekto lokalizacijos erdvėje ir laike bei jo dinaminės būsenos. L. de Broglie pabrėžė, kad „klasikinės fizikos požiūriu šis ryšys atrodo visiškai nepaaiškinamas ir daug labiau nesuprantamas pasekmių, į kurias jis veda, nei ryšys tarp erdvinių kintamųjų ir laiko, kurį nustato reliatyvumo teorija Kvantinė samprata buvo lemta vaidinti didžiulį vaidmenį fizikos raidoje.

Taigi buvo rasta naujas požiūrisį juodojo kūno prigimties paaiškinimą (kvantinės sąvokos pavidalu).

2. Organizmo gebėjimas sugerti.

Norėdami apibūdinti kūnų spinduliuotės sugerties procesą, pristatome kūno spektrinį sugerties pajėgumą. Norėdami tai padaryti, nustatę siaurą dažnio intervalą nuo iki , apsvarstysime spinduliuotės srautą, kuris patenka į kūno paviršių. Jei tuo pačiu metu dalis šio srauto yra absorbuojama kūno, tada kūno sugerties gebėjimas dažniu bus apibrėžiamas kaip bematis dydis

apibūdinantis dažnio spinduliuotės, patenkančios į kūną, dalį, kurią kūnas sugeria.

Patirtis rodo, kad bet kuris tikras kūnas skirtingai sugeria skirtingo dažnio spinduliuotę, priklausomai nuo jo temperatūros. Todėl kūno spektrinis sugerties pajėgumas yra dažnio funkcija, kurios tipas kinta keičiantis kūno temperatūrai.

Pagal savo apibrėžimą kūno absorbcijos geba negali būti didesnė už vieną. Šiuo atveju kūnas, kurio sugerties geba yra mažesnė už vienetą ir yra vienoda visame dažnių diapazone, vadinamas pilku kūnu.

Ypatingą vietą šiluminės spinduliuotės teorijoje užima absoliučiai juodas kūnas. Taip G. Kirchhoffas įvardijo kūną, kurio sugerties galia yra lygi vienybei visais dažniais ir visomis temperatūromis. Tikras kūnas visada atspindi dalį į jį patenkančios spinduliuotės energijos (1.2 pav.). Net suodžiai priartėja prie visiškai juodo kūno savybių tik optiniame diapazone.

1 - visiškai juodas korpusas; 2 - pilkas korpusas; 3 - tikras kūnas

Juodas kūnas yra atskaitos kūnas šiluminės spinduliuotės teorijoje. Ir nors gamtoje nėra absoliučiai juodo kūno, gana paprasta įgyvendinti modelį, kurio sugerties geba visais dažniais nežymiai skirsis nuo vienybės. Tokį absoliučiai juodo korpuso modelį galima padaryti uždaros ertmės pavidalu (1.3 pav.), su maža skylute, kurios skersmuo yra žymiai mažesnis už skersinius ertmės matmenis. Šiuo atveju ertmė gali būti beveik bet kokios formos ir pagaminta iš bet kokios medžiagos.

Maža skylė turi savybę beveik visiškai sugerti ant jos patenkančią spinduliuotę, o skylės dydžiui mažėjant, jos sugerties geba linksta į vienybę. Iš tiesų, spinduliuotė per skylę patenka į ertmės sienas, jas iš dalies sugeria. Esant mažo dydžio skylėms, spindulys turi daug atsispindėti, kad galėtų išeiti iš skylės, ty formaliai atsispindėti nuo jos. Daugkartiniai atspindžiai ant ertmės sienelių, į ertmę patenkanti spinduliuotė beveik visiškai sugeriama.

Atkreipkite dėmesį, kad jei ertmės sienos bus palaikomos tam tikroje temperatūroje, skylė spinduliuos, ir ši spinduliuotė gali būti labai tiksliai laikoma juodo kūno, turinčio temperatūrą, spinduliuote. Tiriant šios spinduliuotės energijos pasiskirstymą spektre oC Langley, E. Pringsheim, O. Lümmer, F. Kurlbaum ir kt.), galima eksperimentiniu būdu nustatyti juodojo kūno spinduliuotę ir . Tokių eksperimentų esant skirtingoms temperatūroms rezultatai parodyti Fig. 1.4.

Iš šių samprotavimų matyti, kad sugerties pajėgumas ir kūno spalva yra tarpusavyje susiję.

3. Kirchhoffo dėsnis.

Kirchhoffo dėsnis. Turi būti ryšys tarp bet kurio kūno emisijos ir absorbcijos savybių. Išties, eksperimente su pusiausvyros šilumine spinduliuote (1.1 pav.) p Pusiausvyra sistemoje gali būti nustatyta tik tada, kai kiekvienas kūnas per laiko vienetą išskiria tiek energijos, kiek sugeria. Tai reiškia, kad bet kokio dažnio spinduliuotę intensyviau sugeriantys kūnai šią spinduliuotę skleis intensyviau.

Todėl pagal šį detalios pusiausvyros principą spinduliavimo ir sugerties galių santykis yra vienodas visiems gamtos kūnams, įskaitant juodąjį kūną, ir esant tam tikrai temperatūrai yra vienodas. universali funkcija dažniai (bangos ilgiai).

Šį šiluminės spinduliuotės dėsnį, kurį 1859 m. nustatė G. Kirchhoffas, nagrinėdamas pusiausvyros sistemų su spinduliuote termodinaminius dėsnius, galima parašyti kaip ryšį

kur indeksai 1, 2, 3... atitinka įvairius realius kūnus.

Iš Kirchhoffo dėsnio išplaukia, kad universaliosios funkcijos yra juodo kūno spektrinė spinduliuotė atitinkamai dažnių arba bangos ilgių skalėje. Todėl ryšys tarp jų nustatomas pagal formulę .

Juodojo kūno spinduliuotė šiluminės spinduliuotės teorijoje turi universalų pobūdį. Tikras kūnas bet kokioje temperatūroje visada skleidžia mažiau energijos nei visiškai juodas kūnas. Žinant juodo kūno spinduliuotę (universalią Kirchhofo funkciją) ir tikrojo kūno sugertį, pagal Kirchhofo dėsnį galima nustatyti šio kūno skleidžiamą energiją bet kuriame dažnių diapazone ar bangos ilgiu.

Tai reiškia, kad ši kūno skleidžiama energija apibrėžiama kaip skirtumas tarp juodo kūno spinduliuotės ir tikro kūno sugerties gebos.

4. Stefano-Boltzmanno dėsnis

Stefano-Boltzmanno įstatymas. Eksperimentiniai (1879 J. Stefan) ir teoriniai (1884 L. Boltzmann) tyrimai leido įrodyti svarbus įstatymas visiškai juodo kūno šiluminė spinduliuotė. Šis dėsnis teigia, kad juodo kūno energetinis šviesumas yra proporcingas jo absoliučios temperatūros ketvirtajai laipsniai, t.

Šis dėsnis dažnai naudojamas astronomijoje žvaigždės šviesumui nustatyti pagal jos temperatūrą. Norėdami tai padaryti, nuo spinduliuotės tankio reikia pereiti prie stebimo dydžio - srauto. Spektre integruoto spinduliuotės srauto formulė bus išvesta trečiajame skyriuje.

Pagal šiuolaikinius matavimus Stefano-Boltzmanno konstanta W/(m2 (K4).

Už tikrų kūnų Stefano-Boltzmanno dėsnis tenkinamas tik kokybiškai, tai yra, didėjant temperatūrai, didėja visų kūnų energetiniai šviesuliai. Tačiau realiems kūnams energetinio šviesumo priklausomybė nuo temperatūros nebeapibūdinama paprastu ryšiu (1.7), o turi formą

Koeficientas (1,8), visada mažesnis už vienetą, gali būti vadinamas integraliu kūno sugeriamuoju gebėjimu. Vertybės, in bendras atvejis nuo temperatūros priklausomos yra žinomos daugeliui techniškai svarbių medžiagų. Taigi, gana plačiame temperatūrų diapazone metalams ir anglims bei metalų oksidams.

Tikriems nejuodiems kūnams galime įvesti efektyvios spinduliuotės temperatūros sąvoką, kuri apibrėžiama kaip absoliučiai juodo kūno temperatūra energetinis šviesumas, kuris yra toks pat kaip tikrasis kūnas. Radiacinė kūno temperatūra visada yra mažesnė už tikrąją kūno temperatūrą. Tikrai, tikram kūnui . Iš čia matome, kad , tai yra, kadangi tikriems kūnams.

Labai įkaitusių karštų kūnų spinduliavimo temperatūrą galima nustatyti naudojant spinduliavimo pirometrą (1.5 pav.), kuriame pakankamai nutolusio šildomo šaltinio I vaizdas naudojant objektyvą projektuojamas į imtuvą P taip, kad skleidėjo vaizdas visiškai sutaptų. imtuvas. Į imtuvą patenkančios spinduliuotės energijai įvertinti dažniausiai naudojami metaliniai arba puslaidininkiniai bolometrai arba termoelementai. Bolometrų veikimas pagrįstas metalo ar puslaidininkio elektrinės varžos pokyčiu, kai keičiasi temperatūra, kurią sukelia krintančios spinduliuotės srauto sugertis. Pasikeitus termoelementų sugeriančio paviršiaus temperatūrai, juose atsiranda termo-EMF.

Prie bolometro ar termoelemento prijungto prietaiso rodmenys yra proporcingi spinduliuotės energijai, patenkančiai į pirometro imtuvą. Prieš tai sukalibravęs pirometrą pagal juodo kūno standarto spinduliuotę ties skirtingos temperatūros, prietaiso skale galite matuoti įvairių įkaitusių kūnų spinduliavimo temperatūrą.

Žinant emiterio medžiagos integralinę sugerties galią, išmatuotą emiterio spinduliuotės temperatūrą galima konvertuoti į tikrąją jos temperatūrą naudojant formulę

Visų pirma, jei spinduliuotės pirometras rodo temperatūrą K, kai stebimas karštas volframo skleidėjo paviršius (), tada jo tikroji temperatūra yra K.

Iš to galime daryti išvadą, kad bet kurio kūno šviesumą galima nustatyti pagal jo temperatūrą.

5. Vieno poslinkio dėsnis

1893 metais vokiečių fizikas W. Wienas teoriškai ištyrė termodinaminį radiacijos suspaudimo procesą, uždarytą ertmėje su puikiai veidrodinėmis sienomis. Atsižvelgdamas į spinduliuotės dažnio pokytį dėl Doplerio efekto atsispindėjus nuo judančio veidrodžio, Wien padarė išvadą, kad visiškai juodo kūno spinduliuotė turi turėti tokią formą

(1.9)

Čia yra tam tikra funkcija, kurios specifinė forma negali būti nustatyta termodinaminiais metodais.

Pereidami šią Wien formulę iš dažnio į bangos ilgį, pagal perėjimo taisyklę (1.3), gauname

(1.10)

Kaip matyti, spinduliuotės išraiška apima temperatūrą tik produkto pavidalu. Jau vien ši aplinkybė leidžia numatyti kai kurias funkcijos ypatybes. Visų pirma ši funkcija pasiekia maksimumą esant tam tikram bangos ilgiui, kuris, keičiantis kūno temperatūrai, pasikeičia taip, kad sąlyga būtų patenkinta: .

Taigi V. Vinas suformulavo šiluminės spinduliuotės dėsnį, pagal kurį bangos ilgis, kuriam esant didžiausia absoliučiai juodo kūno spinduliuotė, yra atvirkščiai proporcinga jo absoliuti temperatūra. Šis įstatymas gali būti parašytas forma

Konstantos reikšmė šiame dėsnyje, gauta iš eksperimentų, pasirodė lygi m mK.

Wieno dėsnis vadinamas poslinkio dėsniu, taip pabrėžiant, kad kylant absoliučiai juodo kūno temperatūrai, jo spinduliuotės maksimumo padėtis pasislenka į trumpųjų bangų ilgių sritį. Eksperimentiniai rezultatai, parodyti fig. 1.4 patvirtinti šią išvadą ne tik kokybiškai, bet ir kiekybiškai, griežtai pagal (1.11) formulę.

Tikriems kūnams Vieno dėsnis tenkinamas tik kokybiškai. Didėjant bet kurio kūno temperatūrai, bangos ilgis, šalia kurio kūnas skleidžia daugiausia energijos, taip pat pasislenka trumpesnių bangų ilgių link. Tačiau šis poslinkis nebėra aprašomas paprasta formule (1.11), kuri realių kūnų spinduliuotei gali būti naudojama tik kaip įvertinimas.

Iš Wieno poslinkio dėsnio paaiškėja, kad kūno temperatūra ir jo spinduliavimo bangos ilgis yra tarpusavyje susiję.

6. Rayleigh-Jeans formulė

Itin žemų dažnių diapazone,

vadinamas Rayleigh–Jeans regionu, energijos tankis yra proporcingas temperatūrai T ir dažnio ω kvadratui:

2.1.1 pav. ši sritis pažymėta RD. Rayleigh-Jeans formulę galima gauti grynai

klasikiniu būdu, neįtraukiant kvantinių sąvokų. Kuo aukštesnė juodo kūno temperatūra, tuo platesnis dažnių diapazonas galioja ši formulė. Tai paaiškinama klasikinė teorija, tačiau jis negali būti išplėstas iki aukštų dažnių (2.1.1 pav. brūkšninė linija), nes energijos tankis, sumuojamas per spektrą, šiuo atveju yra be galo didelis:

Ši Rayleigh-Jeans įstatymo ypatybė vadinama „ultravioletinė katastrofa“.

Iš Rayleigh-Jeans formulės aišku, kad kūno temperatūra neviršija aukštų dažnių.

7. Vyno formulė

Aukšto dažnio diapazone (2.1.1 pav. B regionas) galioja Wien formulė:

Aiškiai matosi, kad dešinėje pusėje kinta nemonotoniškai. Jei dažnis nėra per didelis, tada vyrauja koeficientas ω3 ir funkcija Uω didėja. Didėjant dažniui, Uω augimas sulėtėja, jis praeina per maksimumą, o po to mažėja dėl eksponentinės koeficiento. Maksimumo buvimas emisijos spektre išskiria Wien diapazoną nuo Rayleigh-Jeans regiono.

Kuo aukštesnė kūno temperatūra, tuo didesnis ribinis dažnis, nuo kurio pradedama atlikti Wien formulę. Parametro a reikšmė eksponente dešinėje priklauso nuo vienetų, kuriais matuojama temperatūra ir dažnis, pasirinkimo.

Tai reiškia, kad Wien formulė reikalauja naudoti kvantines idėjas apie šviesos prigimtį.

Taigi aš apsvarsčiau man užduotus klausimus. Nesunku pastebėti, kad egzistuojantys fizikos dėsniai XIX a. buvo paviršutiniški, jie nesujungė visų fizinių kūnų charakteristikų (bangos ilgio, temperatūros, dažnio ir kt.). Visi pirmiau minėti dėsniai papildė vienas kitą, tačiau dėl visiško supratimo šį klausimą reikėjo įtraukti kvantines idėjas apie šviesos prigimtį.

Praktinė dalis

Kaip jau daug kartų sakiau, absoliučiai juodo kūno fenomenas šiandien praktiškai neegzistuoja, mes negalime jo sukurti ir pamatyti. Tačiau galime atlikti daugybę eksperimentų, kurie demonstruoja minėtus teorinius skaičiavimus.

Ar balta gali būti juodesnė už juodą? Pradėkime nuo labai paprasto pastebėjimo. Jei sudėsite balto ir juodo popieriaus gabalus vienas šalia kito ir sukursite tamsą kambaryje. Aišku, kad tada nepamatysi nė vieno lapelio, tai yra abu bus vienodai juodi. Atrodytų, kad baltas popierius jokiomis aplinkybėmis negali būti juodesnis už juodą. Ir vis dėlto taip nėra. Kūnas, kuris bet kokioje temperatūroje visiškai sugeria bet kokio dažnio spinduliuotę, patenkantį į jį, vadinamas visiškai juodu. Akivaizdu, kad tai idealizavimas: gamtoje nėra absoliučiai juodų kūnų. Kūnai, kuriuos dažniausiai vadiname juodais (suodžiai, suodžiai, juodas aksomas ir popierius ir kt.), iš tikrųjų yra pilki, t.y. jie iš dalies sugeria ir dalinai išsklaido ant jų krintantį šviesą.

Pasirodo, sferinė ertmė su maža skylute gali pasitarnauti kaip visiškai geras absoliučiai juodo kūno modelis. Jei skylės skersmuo neviršija 1/10 ertmės skersmens, tai (kaip rodo atitinkamas skaičiavimas) šviesos spindulys, patenkantis į skylę, gali išeiti atgal tik po kelių sklaidų ar atspindžių iš skirtingus taškus ertmių sienelės. Bet su kiekvienu spindulio „kontaktu“ su siena šviesos energija iš dalies sugeriama, todėl dalis jos grįžta iš Radiacinė skylė yra nežymiai maža. Todėl galime manyti, kad ertmės anga beveik visiškai sugeria bet kokio bangos ilgio šviesą, kaip ir visiškai juodas kūnas. Ir pats eksperimentinis įrenginys gali būti pagamintas, pavyzdžiui, taip. Kartoną reikia klijuoti maždaug 100x100x100 mm dydžio dėžė su atidaromu dangteliu. Dėžutės vidus turi būti padengtas baltu popieriumi, o išorė – juodu tušu, guašu, o dar geriau – popieriumi iš fotopaketų. Dangtelyje turite padaryti skylę, kurios skersmuo ne didesnis kaip 10 mm. Kaip eksperimentą reikia staline lempa apšviesti dėžutės dangtį, tada skylutė atrodys juodesnė už juodą dangtį.

Norėdami tiesiog stebėti reiškinį, galite tai padaryti dar paprasčiau (bet mažiau įdomiai). Reikia paimti baltą porcelianinį puodelį ir uždengti juodu popieriniu dangteliu su maža skylute – efektas bus beveik toks pat.

Atkreipkite dėmesį, kad šviesią saulėtą dieną pažvelgus į langus iš gatvės, jie mums atrodo tamsūs.

Beje, Prinstono universiteto profesorius Ericas Rogersas, parašęs „Fiziką smalsuoliams“, publikuojamą ne tik čia, pateikė unikalų absoliučiai juodo kūno „apibūdinimą“: „Jokie juodi dažai ant šunų veislyno neatrodo juodesni už atidarytas duris. už šunį“.

Nuimant lipdukus nuo dviejų identiškų tuščių skardinių ir vieną skardinę rūkant arba nudažant juodais dažais, kitą paliekant šviesą, į abi skardines įpylus karšto vandens ir žiūrint, kurioje iš jų vanduo greičiau atšąla (eksperimentą galima atlikti tamsus); Stebėsite šiluminės spinduliuotės reiškinį.

Šiluminės spinduliuotės reiškinį taip pat galite stebėti stebėdami elektrinio kambario šildytuvo, susidedančio iš kaitrinės ritės ir gerai nupoliruoto įgaubto metalinio paviršiaus, veikimą.

Įdomu tai, kad:

Ryšys tarp šviesos ir šilumos spindulių buvo žinomas nuo antikos laikų. Be to, žodis „fokusas“ reiškia lotynų kalba„ugnis“, „židinys“, kuris taikomas įgaubtiems veidrodžiams ir lęšiams, rodo, kad pagrindinis dėmesys skiriamas šilumos koncentracijai, o ne šviesos spinduliams. Iš daugybės XVI-XVIII amžių eksperimentų išsiskiria Edmuso Mariotte'o atliktas eksperimentas, kurio metu parakas buvo uždegtas nuo atsispindėjusių šilumos spindulių. įgaubtas veidrodis pagamintas iš... ledo.

Viljamas Heršelis garsėja savo atradimu planeta Uranas Saulės spektre atradęs nematomus – infraraudonuosius – spindulius, jis taip apstulbo, kad apie tai tylėjo dvidešimt metų.

Tačiau jis neabejojo, kad Marsas yra apgyvendintas ir apgyvendintas... po to spektrinė analizė parodė, kad Saulės atmosferoje yra daug cheminių elementų, įskaitant auksą, vienas bankininkas pasakė Kirchhofui: „Na, o kokia nauda iš jūsų saulės aukso, jo vis tiek negalima pristatyti į Žemę! Praėjo keleri metai, o Kirchhoffas gavo iš Anglijos aukso medalis ir piniginė premija už puikų tyrimą. Parodęs šiuos pinigus bankininkui, jis pasakė: „Žiūrėk, aš vis tiek spėjau

juk

, gauk aukso iš saulės“. Ant Fraunhoferio, atradusio tamsias linijas Saulės spektre ir tyrinėjusio planetų bei žvaigždžių spektrus, kapo dėkingi tautiečiai pastatė paminklą su užrašu „Arčiau žvaigždes“. Mano atvežtas

praktiniais pavyzdžiais

patvirtinti teorinės dalies skaičiavimus.

Išvada

Apsvarsčiau man pateiktus klausimus. Nesunku pastebėti, kad egzistuojantys fizikos dėsniai XIX a. buvo paviršutiniški, jie nesujungė visų fizinių kūnų charakteristikų (bangos ilgio, temperatūros, dažnio ir kt.). Visi minėti dėsniai papildė vienas kitą, tačiau norint visapusiškai suprasti šią problemą, reikėjo įtraukti kvantines šviesos prigimties sąvokas. Kvantinės teorijos sukūrimas leido paaiškinti daugybę reiškinių, pavyzdžiui, absoliučiai juodo kūno fenomeną, t.y. kūnas, kuris visiškai sugeria bet kokio ilgio elektromagnetines bangas ir atitinkamai skleidžia visų ilgių elektromagnetines bangas. Tai taip pat leido paaiškinti ryšį tarp sugerties ir kūno spalvos bei kūno šviesumo priklausomybę nuo jo temperatūros. Vėliau šie reiškiniai buvo paaiškinti klasikine fizika. Įgyvendinau savo darbo tikslą – supažindinau visus su visiškai juodo kūno problema. Norėdami tai padaryti, atlikau šias užduotis:

rasti kuo daugiau informacijos apie šią problemą;

studijavo juodojo kūno teoriją;

eksperimentiškai patvirtino abstrakčiai pateiktas teorines sąvokas ir reiškinius;

Norėdami teoriškai apsvarstyti spinduliavimo dėsnius, naudojome juodojo kūno modelį, t.y. kūnas, kuris visiškai sugeria bet kokio ilgio elektromagnetines bangas ir atitinkamai skleidžia visų ilgių elektromagnetines bangas.

Naudotos literatūros sąrašas:

Myakishev G. Ya., Fizika 11, M., 2000.

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

Paradoksalu. Juoda skylė elgiasi kaip kūno kurių temperatūra lygi absoliutus nulis... nes su pagalba juodas skylės... Taigi, juodas skylė spinduliuoja kaip tobula juodas kūno(netikėtai supratau...

FEDERALINĖ ŠVIETIMO AGENTŪRA

valstybė ugdymo įstaiga aukštesnė profesinis išsilavinimas

"TIUMENO VALSTYBINIS NAFTOS IR DUJŲ UNIVERSITETAS"

Anotacija apie discipliną

"Techninė optika"

Tema: „Visiškai juodas kūnas“

Baigė: studentas gr. OBDzs-07

Kobasnyanas Stepanas Sergejevičius Tikrino: disciplinos mokytojas

Sidorova Anastasija Eduardovna

Tiumenė 2009 m

Visiškai juodas kūnas- fizikinė abstrakcija, naudojama termodinamikoje, kūnas, kuris sugeria visą elektromagnetinę spinduliuotę, patenkančią į jį visuose diapazonuose ir nieko neatspindi. Nepaisant pavadinimo, visiškai juodas kūnas pats gali skleisti bet kokio dažnio elektromagnetinę spinduliuotę ir vizualiai turėti spalvą. Absoliučiai juodo kūno spinduliuotės spektrą lemia tik jo temperatūra.

Juodos spalvos korpuso modelis

Juodojo kūno spinduliavimo dėsniai

Klasikinis požiūris

Juodojo kūno spinduliuotės dėsnių tyrimas buvo viena iš būtinų atsiradimo sąlygų kvantinė mechanika.

Pirmasis Wien radiacijos dėsnis

1893 m., Wilhelm Wien, remiantis idėjomis klasikinė termodinamika, išvedė tokią formulę:

Iš pirmosios Wien formulės galima išvesti Vieno poslinkio dėsnį (maksimalaus dėsnio) ir Stefano-Boltzmanno dėsnį, tačiau negalima rasti į šiuos dėsnius įtrauktų konstantų verčių.

Istoriškai tai buvo pirmasis Wien dėsnis, kuris buvo vadinamas poslinkio įstatymu, tačiau šiuo metu terminas „Vienos poslinkio įstatymas“ reiškia maksimalų įstatymą.

Antrasis Wien radiacijos dėsnis

Patirtis rodo, kad antroji Wien formulė galioja tik riboje aukšti dažniai(trumpųjų bangų ilgiai). Tai ypatingas pirmojo Wien dėsnio atvejis.

Vėliau Maxas Planckas parodė, kad antrasis Wieno dėsnis išplaukia iš Plancko dėsnio didelėms kvantinėms energijoms, taip pat rado konstantas. C 1 ir C 2. Atsižvelgiant į tai, antrasis Wien įstatymas gali būti parašytas taip:

Rayleigh-Jeans įstatymas

Ši formulė daro prielaidą, kad spinduliuotės spektrinio tankio kvadratinis padidėjimas priklauso nuo jos dažnio. Praktiškai toks dėsnis reikštų termodinaminės pusiausvyros tarp materijos ir spinduliuotės negalimumą, nes pagal tai šiluminė energija turėtų transformuotis į spinduliuotės energiją trumpųjų bangų spektro srityje. Šis hipotetinis reiškinys buvo vadinamas ultravioletine katastrofa.

Nepaisant to, Rayleigh-Jeans radiacijos įstatymas galioja ilgųjų bangų spektro sričiai ir tinkamai apibūdina spinduliuotės pobūdį. Tokio atitikimo faktą galima paaiškinti tik naudojant kvantinį mechaninį metodą, pagal kurį spinduliuotė vyksta diskretiškai. Remiantis kvantiniai dėsniai galite gauti Plancko formulę, kuri sutaps su Rayleigh-Jeans formule .

Šis faktas puikiai iliustruoja korespondencijos principą, pagal kurį naujoji fizinė teorija turi paaiškinti viską, ką galėjo paaiškinti senasis.

Planko dėsnis

Juodojo kūno spinduliuotės galios priklausomybė nuo bangos ilgio

Absoliučiai juodo kūno spinduliavimo intensyvumą, priklausomai nuo temperatūros ir dažnio, lemia Planko dėsnis :

Kur aš (ν) dν - spinduliavimo galia spinduliuojančio paviršiaus ploto vienetui dažnių diapazone nuo ν iki ν + d ν.

Lygiai taip pat

,

Kur u (λ) dλ - spinduliavimo galia spinduliuojančio paviršiaus ploto vienetui bangos ilgių diapazone nuo λ iki λ + d λ.

Stefano-Boltzmanno įstatymas

Bendra energija nustatoma šiluminė spinduliuotė Stefano-Boltzmanno įstatymas :

Kur j yra spinduliuojančio paviršiaus ploto vieneto galia ir

W/(m²·K 4)- Stefano-Boltzmanno konstanta .

Taigi, visiškai juodas kūnas T= 100 K išskiria 5,67 vatus kvadratinis metras jo paviršius. Esant 1000 K temperatūrai, spinduliavimo galia padidėja iki 56,7 kilovatų kvadratiniam metrui.

Vieno poslinkio įstatymas

Bangos ilgis, kuriam esant absoliučiai juodo kūno spinduliavimo energija yra didžiausia, nustatomas pagal Vieno poslinkio įstatymas :

Kur T yra temperatūra kelvinais, o λ max yra bangos ilgis, kurio didžiausias intensyvumas metrais.

Matoma spalva absoliučiai juodi kūnai su skirtingos temperatūros pateikta diagramoje.

Juodojo kūno spinduliuotė

Elektromagnetinė spinduliuotė, kuri yra termodinaminėje pusiausvyroje su juoduoju kūnu tam tikroje temperatūroje (pavyzdžiui, spinduliuotė juodojo kūno ertmės viduje), vadinama juodojo kūno (arba šiluminės pusiausvyros) spinduliuote. Pusiausvyrinė šiluminė spinduliuotė yra vienalytė, izotropinė ir nepoliarizuota, joje nėra energijos perdavimo, visos jos charakteristikos priklauso tik nuo juodojo kūno spinduliuotės temperatūros (o kadangi juodojo kūno spinduliuotė yra šiluminė pusiausvyra esant tam tikram kūnui, ši temperatūra gali būti priskirta spinduliuotei). Tūrinis tankis juodojo kūno spinduliuotės energija lygi , jos slėgis lygus . Vadinamasis kosminis mikrobangų fonas, arba kosminis mikrobangų fonas, savo savybėmis labai artimas juodojo kūno spinduliuotei – spinduliuotei, kuri užpildo Visatą maždaug 3 K temperatūra.

Juodojo kūno spalvingumas

Pastaba: Spalvos pateiktos lyginant su išsklaidyta dienos šviesa (D 65). Tikroji suvokiama spalva gali būti iškreipta dėl akies prisitaikymo prie apšvietimo sąlygų.

Absoliučiai juodas kūnas yra fizinė abstrakcija, naudojama termodinamikoje, kūnas, kuris sugeria visą elektromagnetinę spinduliuotę, patenkančią į jį visuose diapazonuose ir nieko neatspindi. Nepaisant pavadinimo, visiškai juodas kūnas pats gali skleisti bet kokio dažnio elektromagnetinę spinduliuotę ir vizualiai turėti spalvą. Absoliučiai juodo kūno spinduliuotės spektrą lemia tik jo temperatūra.

Juodiausios tikrosios medžiagos, pavyzdžiui, suodžiai, sugeria iki 99 % krintančios spinduliuotės (t. y. turi 0,01 albedo) matomų bangų ilgių diapazone. infraraudonoji spinduliuotė juos sugeria daug blogiau. Tarp Saulės sistemos kūnų yra absoliučiai juodo kūno savybės didžiausiu mastu turi Saulę. Šį terminą 1862 m. įvedė Gustavas Kirchhoffas.

******nupieškite kūno modelį.******

Juodos spalvos korpuso modelis

Gamtoje absoliučiai juodų kūnų nėra, todėl fizikoje eksperimentams naudojamas modelis. Tai uždara ertmė su maža skylute. Pro šią angą patekusi šviesa po pakartotinių atspindžių bus visiškai sugerta, o iš išorės skylė atrodys visiškai juoda. Tačiau kai ši ertmė bus šildoma, ji sukurs savo matomą spinduliuotę.

Pirmasis Wien radiacijos dėsnis

1893 metais Wilhelmas Wienas.

Pirmoji Wien formulė galioja visiems dažniams. Bet kuri konkretesnė formulė (pavyzdžiui, Planko dėsnis) turi atitikti pirmąją Wien formulę.

Antrasis Wien radiacijos dėsnis

1896 m. Wien išvedė antrąjį dėsnį, remdamasis papildomomis prielaidomis:

Antroji Wien formulė galioja tik aukštų dažnių (trumpųjų bangų ilgių) ribose. Tai ypatingas pirmojo Wien dėsnio atvejis.

Rayleigh-Jeans įstatymas

Bandymas apibūdinti visiškai juodo kūno spinduliavimą remiantis klasikinius principus termodinamika ir elektrodinamika veda prie Rayleigh-Jeans dėsnio:

Praktiškai toks dėsnis reikštų termodinaminės pusiausvyros tarp materijos ir spinduliuotės negalimumą, nes pagal jį visa šiluminė energija turėtų būti paversta spinduliavimo energija trumpųjų bangų spektro srityje. Šis hipotetinis reiškinys buvo vadinamas ultravioletine katastrofa.

Planko dėsnis lemia visiškai juodo kūno spinduliavimo intensyvumą priklausomai nuo temperatūros ir dažnio

Stefano-Boltzmanno dėsnis nustato bendrąją šiluminės spinduliuotės energiją, kurią nustato įstatymas

Bangos ilgis, kuriam esant absoliučiai juodo kūno spinduliavimo energija yra didžiausia, nustatomas pagal Wien poslinkio dėsnį:

Taigi, jei darysime prielaidą, kad žmogaus oda savo savybėmis yra artima absoliučiai juodam kūnui, tada spinduliuotės spektro maksimumas 36°C (309 K) temperatūroje yra esant 9400 nm bangos ilgiui. infraraudonųjų spindulių spektro sritis).

Iki XIX amžiaus pabaigos mokslininkai, tirdami elektromagnetinės spinduliuotės (ypač šviesos) sąveiką su materijos atomais, susidūrė su rimtomis problemomis, kurias buvo galima išspręsti tik pasitelkus kvantinę mechaniką, kurios daugeliu atžvilgių kilo dėl į tai, kad šios problemos kilo. Norėdami suprasti pirmąją ir bene rimčiausią iš šių problemų, įsivaizduokite didelę juodą dėžę su veidrodiniu vidiniu paviršiumi, o vienoje iš sienų yra padaryta maža skylė. Šviesos spindulys, prasiskverbęs į dėžutę per mikroskopinę skylę, viduje išlieka amžinai, be galo atsispindėdamas nuo sienų. Objektas, kuris neatspindi šviesos, o visiškai ją sugeria, atrodo juodas, todėl dažniausiai ir vadinamas juodas kūnas. (Visiškai juodas kūnas – kaip ir daugelis kitų konceptualių fizikiniai reiškiniai- objektas yra grynai hipotetinis, nors, pavyzdžiui, tuščiavidurė, tolygiai įkaitinta iš vidaus veidrodinė sfera, į kurią šviesa prasiskverbia pro vieną mažytę skylutę, yra geras apytikslis variantas.

Tačiau realybėje tikriausiai matėte gana artimus juodo kūno analogus. Pavyzdžiui, židinyje atsitinka taip, kad keli rąstai sukrauti beveik sandariai, o jų viduje išdega gana didelė ertmė. Rąstų išorė išlieka tamsi ir nešvyti, o viduje išdegusios ertmės viduje kaupiasi šiluma (infraraudonoji spinduliuotė) ir šviesa, o šie spinduliai pakartotinai atsispindi nuo ertmės sienelių prieš išbėgdami į lauką. Jei pažvelgsite į tarpą tarp tokių rąstų, pamatysite ryškiai geltonai oranžinį aukštos temperatūros švytėjimą ir iš ten tiesiogine prasme liepsnos šiluma. Spinduliai kurį laiką buvo tiesiog įstrigę tarp rąstų, lygiai taip pat, kaip šviesą visiškai sulaiko ir sugeria aukščiau aprašyta juodoji dėžė.

Tokios juodosios dėžės modelis padeda suprasti, kaip elgiasi juodo kūno sugerta šviesa, sąveikaudama su jo substancijos atomais. Čia svarbu suprasti, kad šviesą sugeria atomas, iš karto jį išspinduliuoja ir sugeria kitas atomas, vėl išspinduliuoja ir sugeria, ir tai vyks tol, kol bus pasiekta pusiausvyros prisotinimo būsena. Kai juodas kūnas įkaitinamas iki pusiausvyros būsenos, spindulių emisijos ir sugerties intensyvumas juodojo kūno viduje susilygina: kai vienas atomas sugeria tam tikrą kiekį tam tikro dažnio šviesos, kitas kažkur viduje esantis atomas tuo pačiu metu išspinduliuoja tą patį. to paties dažnio šviesos kiekis. Taigi kiekvieno dažnio sugertos šviesos kiekis juodojo kūno viduje išlieka toks pat, nors ji sugeriama ir išspinduliuojama. skirtingi atomai kūnai.

Iki šios akimirkos juodo kūno elgesys išlieka gana suprantamas. Klasikinės fizikos problemos („klasikinė“ čia turime omenyje fiziką prieš kvantinės mechanikos atsiradimą) prasidėjo bandant apskaičiuoti spinduliuotės energiją, saugomą juodojo kūno viduje. pusiausvyros būsena. Ir netrukus paaiškėjo du dalykai:

• kuo didesnis spindulių bangų dažnis, tuo daugiau jų susikaupia juodojo kūno viduje (ty kuo trumpesni yra tiriamos spinduliuotės bangų spektro dalies bangos ilgiai, tuo daugiau šios spektro dalies spindulių juodojo kūno viduje yra numatyti klasikinės teorijos);
• Kuo didesnis bangos dažnis, tuo daugiau energijos ji neša ir, atitinkamai, daugiau jos sukaupta juodojo kūno viduje.

Kartu šios dvi išvados lėmė neįsivaizduojamą rezultatą: spinduliuotės energija juodo kūno viduje turėtų būti begalinė! Šis piktas pasityčiojimas iš klasikinės fizikos dėsnių buvo pavadintas ultravioletinė katastrofa, nes aukšto dažnio spinduliuotė yra ultravioletinėje spektro dalyje.

Tvarką atkūrė vokiečių fizikas Maksas Plankas ( cm. Plancko konstanta) – jis parodė, kad problema pašalinama, jei darome prielaidą, kad atomai gali sugerti ir spinduliuoti šviesą tik dalimis ir tik tam tikrais dažniais. (Vėliau Albertas Einšteinas apibendrino šią idėją, pristatydamas koncepciją fotonai– griežtai apibrėžtos šviesos spinduliuotės dalys.) Pagal šią schemą numatoma daug spinduliavimo dažnių klasikinė fizika, tiesiog negali egzistuoti juodame kūne, nes atomai negali jų nei sugerti, nei išspinduliuoti; Atitinkamai, į šiuos dažnius neatsižvelgiama apskaičiuojant pusiausvyros spinduliuotę juodo kūno viduje. Palikdamas tik leistinus dažnius, Planckas užkirto kelią ultravioletinė katastrofa ir nukreipė mokslą teisingo pasaulio sandaros supratimo keliu subatominiame lygmenyje. Be to, jis apskaičiavo būdingą pusiausvyros juodojo kūno spinduliuotės dažnių pasiskirstymą.

Šis platinimas visame pasaulyje išgarsėjo praėjus dešimtmečiams po to, kai jį paskelbė pats Planckas, kai kosmologai atrado, kad jų atrasta reliktinė medžiaga. mikrobangų spinduliuotė (cm. Didysis sprogimas) tiksliai paklūsta Plancko pasiskirstymui spektrines charakteristikas ir atitinka juodo kūno spinduliuotę maždaug trimis laipsniais virš absoliutaus nulio.

Visiškai juodas kūnas yra psichinis fizinis idealizuotas objektas. Įdomu tai, kad jis nebūtinai turi būti juodas. Čia reikalas kitoks.

Albedas

Mes visi prisimename (ar bent jau turėtume prisiminti) iš mokyklos kursas Fizikai teigia, kad „albedo“ sąvoka reiškia kūno paviršiaus gebėjimą atspindėti šviesą. Taigi, pvz. sniego dangos Mūsų planetos ledo kepurės gali atspindėti iki 90% to, kas ant jų patenka saulės šviesa. Tai reiškia, kad jiems būdingas aukštas albedas. Nenuostabu, kad poliarinių stočių darbuotojai dažnai yra priversti dirbti su akiniais nuo saulės. Juk pažiūrėk grynas sniegas- beveik tas pats, kas žiūrėti į Saulę plika akimi. Šiuo atžvilgiu fiksuokite atspindėjimą visame pasaulyje saulės sistema turi Saturno palydovas Enceladas, kurį beveik visas sudaro vandens ledas baltas ir atspindi beveik visą į jo paviršių patenkančią spinduliuotę. Kita vertus, tokios medžiagos kaip suodžiai albedo yra mažesnis nei 1%. Tai yra, jis sugeria apie 99% elektromagnetinės spinduliuotės.

Visiškai juodas korpusas: aprašymas

Čia mes prieiname prie svarbiausio dalyko. Tikrai skaitytojas atspėjo, kad visiškai juodas kūnas yra objektas, kurio paviršius gali sugerti absoliučiai visą ant jo patenkančią spinduliuotę. Tačiau tai visiškai nereiškia, kad toks objektas bus nematomas ir iš esmės negalės skleisti šviesos. Ne, jos nereikėtų painioti su juodąja skyle. Jis gali turėti spalvą ir net būti gana matomas, tačiau visiškai juodo kūno spinduliavimą visada lems jo paties temperatūra, bet ne atspindėta šviesa. Beje, čia atsižvelgiama ne tik į žmogaus akimi matomą spektrą, bet ir ultravioletinę, infraraudonąją spinduliuotę, radijo bangas, rentgeno spindulius, gama spinduliuotę ir pan. Kaip jau minėta, absoliučiai juodas kūnas gamtoje neegzistuoja. Tačiau jos ypatybės mūsų žvaigždžių sistema Išsamiausias atsakymas yra Saulė, kuri skleidžia, bet beveik neatspindi šviesos (sklindančios iš kitų žvaigždžių).

Laboratorinis idealizavimas

Nuo to laiko buvo bandoma gaminti objektus, kurie visiškai neatspindi šviesos pabaigos XIX amžiaus. Tiesą sakant, ši problema tapo viena iš būtinų kvantinės mechanikos atsiradimo sąlygų. Visų pirma, svarbu pažymėti, kad bet koks fotonas (ar bet kuri kita elektromagnetinės spinduliuotės dalelė), kurį sugeria atomas, iš karto išspinduliuojamas jo ir sugeriamas gretimo atomo ir vėl išspinduliuojamas. Šis procesas tęsis tol, kol organizme bus pasiekta pusiausvyros būsena. Tačiau kai juodas kūnas įkaitinamas iki panašios pusiausvyros būsenos, jo skleidžiamos šviesos intensyvumas tampa lygus jo sugeriamos šviesos intensyvumui.

Mokslinėje fizikų bendruomenėje problema iškyla bandant apskaičiuoti, kokia turėtų būti ši spinduliuotės energija, kuri yra saugoma pusiausvyroje juodame kūne. Ir štai ateina nuostabi akimirka. Energijos pasiskirstymas absoliučiai juodo kūno spektre pusiausvyros būsenoje reiškia tiesioginę jo viduje esančios spinduliuotės energijos begalybę. Ši problema buvo vadinama ultravioletine katastrofa.

Plancko sprendimas

Pirmasis, kuriam pavyko rasti priimtiną šios problemos sprendimą, buvo vokiečių fizikas Maksas Plankas. Jis teigė, kad bet kokią spinduliuotę atomai sugeria ne nuolat, o diskretiškai. Tai yra, porcijomis. Vėliau tokios dalys buvo vadinamos fotonais. Be to, radiomagnetines bangas gali sugerti tik tam tikro dažnio atomai. Netinkami dažniai tiesiog praeina, o tai išsprendžia problemą begalinė energija reikiamą lygtį.

Juodojo kūno spinduliuotės intensyvumas, priklausantis nuo temperatūros ir dažnio, nustatomas pagal Planko dėsnį:

Kur aš (?) d ? – spinduliuotės galia spinduliavimo paviršiaus ploto vienetui vienam erdvės kampo vienetui dažnių diapazone nuo? prie? + d ?

Bendra šiluminės spinduliuotės energija nustatoma pagal Stefano-Boltzmanno dėsnį:

Kur F yra spinduliuojančio paviršiaus ploto vieneto galia ir

W / (m 2 K 4) – tapo Stefanas-Boltzmannas.

Bangos ilgis, kuriame spinduliuotės energija yra didžiausia, nustatomas pagal Wien poslinkio dėsnį:

Kur T yra temperatūra Kelvinais ir ? maks– bangos ilgis su didžiausiu intensyvumu metrais.
Visiškai juodų kūnų matoma spalva esant skirtingoms temperatūroms parodyta diagramoje dešinėje.
Šviesos spindulių judėjimas visiškai juodame kūne Galima dirbtinai pagaminti beveik visiškai juodą kūną vidinis paviršius pašildomas iki tam tikros temperatūros nepermatomas korpusas su ertme ir maža skylute. Bet koks spindulys, praeinantis per skylę A į ertmę C, praktiškai neišeina atgal, todėl patiria daugybę atspindžių ir absorbciją. Taigi, skylė A sugeria spindulius kaip visiškai juodas kūnas.
Reikėtų pažymėti, kad geometriniai absoliučiai juodo kūno matmenys nustato natūralius ilgio apribojimus elektromagnetinė banga, gali joje plisti. Iš tiesų, jei bangos ilgis didesni dydžiai juodas kūnas, tada ji tiesiog negalės atitraukti žvilgsnio nuo jame esančių sienų. Šis faktas ypač svarbus kosmologijoje, modeliuojant Visatą absoliučiai juodo kūno pavidalu. ankstyvosios stadijos plėtra, ypač kai kalbama apie kosminę mikrobangų foninę spinduliuotę.
Absoliutaus juodo kūno sąvoka plačiai naudojama astrofizikoje. Saulės spinduliavimas yra artimas tokio kūno spinduliuotei, kurio temperatūra yra 6000 K. Visa Visata persmelkta vadinamųjų kosminė mikrobangų foninė spinduliuotė, artimas juodam kūno spinduliuotei, kurio temperatūra 3K. Bendros žvaigždžių spinduliuotės palyginimas su tokio kūno spinduliuote leidžia apytiksliai įvertinti efektyvi temperatūražvaigždės. Žvaigždės spinduliuotės nukrypimas nuo juodo kūno spinduliuotės dažnai yra gana pastebimas. Saulės ir žvaigždžių gelmėse, įkaitintose iki dešimčių milijonų laipsnių, spinduliuotė tokį spinduliavimą atitinka dideliu tikslumu.
Už praktinis įgyvendinimas Juodo korpuso modeliui būtina užtikrinti vienodą ertmės sienelių įkaitinimo ir spinduliuotės išėjimo pro mažą skylutę galimybę. Vienas iš pirmųjų eksperimentinių juodo kūno pavyzdžių buvo Lummer ir Pringsheim pagamintas prietaisas. Tai buvo metalinis konteineris su dvigubomis sienelėmis (panašus į termostatą). Tarpas tarp sienų buvo naudojamas kaip „temperatūros vonia“, kad būtų palaikoma tam tikra ir vienoda temperatūra. Tai buvo pasiekta leidžiant garus per verdantį vandenį arba žemos temperatūros– pripildant ledo, kieto anglies dioksido, skysto oro ir kt.
Norėdami ištirti spinduliuotę, aukšta temperatūra buvo panaudotas kitokio dizaino juodas korpusas. Cilindras pagamintas iš platinos lakšto, per kurį elektros srovė, reikalingas vienodam vidinio porcelianinio cilindro šildymui. Temperatūra cilindro viduje buvo matuojama termopora, o diafragmos neleido atvėsti prasiskverbiančio oro.
Tokių nesudėtingų prietaisų – juodo kūno modelių pagalba buvo eksperimentiškai tiriami spinduliuotės dėsniai, tiksliai nustatytos jos konstantos ir tiriamas spektrinis ryškumo pasiskirstymas.