Koncepti i një "trupi absolut të zi" u prezantua nga fizikani gjerman Gustav Kirchhoff në mesi i 19-të shekulli. Nevoja për të prezantuar një koncept të tillë u shoqërua me zhvillimin e teorisë rrezatimi termik.
Absolutisht trup i zi- një trup i idealizuar që thith të gjithë rrezatimin elektromagnetik që bie mbi të në të gjitha vargjet e gjatësisë valore dhe nuk reflekton asgjë.
Kështu, energjia e çdo rrezatimi aksidental transferohet plotësisht në trupin e zi dhe shndërrohet në të energjia e brendshme. Njëkohësisht me përthithjen, trupi i zi lëshon gjithashtu rrezatim elektromagnetik dhe humbet energjinë. Për më tepër, fuqia e këtij rrezatimi dhe diapazoni i tij spektral përcaktohen vetëm nga temperatura e trupit të zi. Është temperatura e trupit të zi që përcakton se sa rrezatim lëshon në rrezet infra të kuqe, të dukshme, ultravjollcë dhe të tjera. Prandaj, trupi i zi, pavarësisht nga emri i tij, është mjaftueshëm temperaturë të lartë do të lëshojë në diapazonin e dukshëm dhe vizualisht do të ketë ngjyrë. Dielli ynë është një shembull i një objekti të ngrohur në një temperaturë prej 5800°C, me veti afër trupit të zi.
Trupat absolutisht të zinj nuk ekzistojnë në natyrë, kështu që në fizikë përdoret një model për eksperimente. Më shpesh është një zgavër e mbyllur me një vrimë të vogël hyrëse. Rrezatimi që hyn përmes kësaj vrime absorbohet plotësisht nga muret pas reflektimeve të përsëritura. Asnjë pjesë e rrezatimit që hyn në vrimë nuk reflektohet prapa prej saj - kjo korrespondon me përkufizimin e një trupi të zi (thithja totale dhe pa reflektim). Në këtë rast, zgavra ka rrezatimin e vet që korrespondon me temperaturën e saj. Meqenëse rrezatimi i vet i mureve të brendshme të zgavrës gjithashtu bën sasi e madhe thithjet dhe emetimet e reja, atëherë mund të themi se rrezatimi brenda zgavrës është në ekuilibër termodinamik me muret. Karakteristikat e
Nuk ka trupa absolutisht të zinj në natyrë. Ka shembuj të trupave që janë vetëm më afër në karakteristikat e tyre me plotësisht të zezën. Për shembull, bloza mund të thithë deri në 99% të dritës që bie mbi të. Është e qartë se vrazhdësia e veçantë e sipërfaqes së materialit bën të mundur reduktimin e reflektimeve në minimum. Falë reflektimeve të shumta të ndjekura nga përthithja, ne shohim objekte të tilla si kadifeja e zezë e zezë.
Një herë takova një objekt shumë afër trupit të zi në prodhimin e briskut Gillette në Shën Petersburg, ku pata mundësinë të punoja përpara se të merrja imazhe termike. Klasik me dy anë brisqe rroje V procesi teknologjik Ato grumbullohen në "thika" me deri në 3000 tehe në një pako. Sipërfaqja anësore, i përbërë nga shumë tehe të mprehura të shtypura fort së bashku, ka ngjyrë të zezë kadifeje, megjithëse çdo teh çeliku individual ka një skaj çeliku të shndritshëm dhe të mprehur. Një bllok tehe të mbetur në një dritareje në mot me diell mund të arrijë temperatura deri në 80°C. Në të njëjtën kohë, tehet individuale praktikisht nuk u ngrohën, siç reflektuan shumica e rrezatimi. Fijet në bulonat dhe stufat kanë një formë të ngjashme sipërfaqësore, emetimi i tyre është më i lartë se në një sipërfaqe të lëmuar. Kjo veti përdoret shpesh në testimin e imazhit termik të pajisjeve elektrike.
Shkencëtarët po punojnë për të krijuar materiale me veti të përafërta me ato të trupave të zinj absolut. Për shembull, janë arritur rezultate të rëndësishme në rangun optik. Në vitin 2004, në Angli u zhvillua një aliazh i nikelit dhe fosforit, i cili ishte një shtresë mikroporoze dhe kishte një reflektim prej 0,16-0,18%. Ky material u rendit në Librin e Rekordeve Guinness si materiali më i zi në botë. Në vitin 2008, shkencëtarët amerikanë krijuan rekord i ri- filmi i hollë që ata u rritën, i përbërë nga tuba karboni vertikal, thith pothuajse plotësisht rrezatimin, duke e reflektuar atë me 0,045%. Diametri i një tubi të tillë është nga dhjetë nanometra dhe një gjatësi nga dhjetë deri në disa qindra mikrometra. Materiali i krijuar ka një strukturë të lirshme, prej kadifeje dhe një sipërfaqe të ashpër.
Çdo pajisje infra të kuqe është e kalibruar sipas modelit(ve) të trupit të zi. Saktësia e matjes së temperaturës nuk mund të jetë kurrë më e mirë se saktësia e kalibrimit. Prandaj, cilësia e kalibrimit është shumë e rëndësishme. Gjatë kalibrimit (ose verifikimit) duke përdorur emetuesit referencë, riprodhohen temperaturat nga i gjithë diapazoni i matjes së imazherit termik ose pirometrit. Në praktikë, emetuesit termikë referencë përdoren në formën e një modeli trupi të zi të llojeve të mëposhtme:
Modelet e zgavrës së trupit të zi. Ata kanë një zgavër me një vrimë të vogël hyrëse. Temperatura në zgavër vendoset, mirëmbahet dhe matet me saktësi të lartë. Emitues të tillë mund të prodhojnë temperatura të larta.
Modele të zgjatura ose planare të trupit të zi. Ata kanë një platformë të lyer me një përbërje me një emetim të lartë (reflektim të ulët). Temperatura e vendit vendoset, mirëmbahet dhe matet me saktësi të lartë. Emitues të tillë mund të riprodhojnë temperatura të ulëta negative.
Kur kërkoni informacione rreth modeleve të importuara të trupit të zi, përdorni termin "trup i zi". Është gjithashtu e rëndësishme të kuptohet ndryshimi midis testimit, kalibrimit dhe verifikimit të një imazheri termik. Këto procedura përshkruhen në detaje në faqen e internetit në seksionin mbi imazhet termike.
Materialet e përdorura: Wikipedia; TSB; Qendra e Trajnimit Infrared (ITC); Kalibrimi Fluke
Një trup plotësisht i zi është një fizik mendor objekt i idealizuar. Është interesante se nuk duhet të jetë në të vërtetë e zezë. Këtu çështja është ndryshe.
Albedo
Të gjithë e mbajmë mend (ose të paktën duhet të kujtojmë) nga kursi shkollor fizikantët se koncepti i "albedo" nënkupton aftësinë e sipërfaqes së një trupi për të reflektuar dritën. Kështu, për shembull, mbulesa bore Kapakët e akullit të planetit tonë janë të afta të pasqyrojnë deri në 90% të asaj që bie mbi to rrezet e diellit. Kjo do të thotë se ato karakterizohen nga një albedo e lartë. Nuk është për t'u habitur që punonjësit e stacioneve polare shpesh detyrohen të punojnë me syze dielli. Në fund të fundit, shikoni borë e pastër- pothuajse njësoj si të shikosh Diellin me sy të lirë. Në këtë drejtim, regjistroni reflektueshmërinë gjatë gjithë kohës sistemi diellor ka hëna e Saturnit Enceladus, e cila përbëhet pothuajse tërësisht nga akulli i ujit, ka të bardhë dhe pasqyron pothuajse të gjithë rrezatimin që ndodh në sipërfaqen e tij. Nga ana tjetër, një substancë si bloza ka një albedo më pak se 1%. Kjo do të thotë, ajo thith rreth 99% rrezatimi elektromagnetik.
Trup absolutisht i zi: përshkrim
Këtu kemi ardhur te gjëja më e rëndësishme. Me siguri lexuesi mendoi se një trup plotësisht i zi është një objekt, sipërfaqja e të cilit është në gjendje të thithë absolutisht të gjithë rrezatimin që ndodh në të. Sidoqoftë, kjo nuk do të thotë aspak se një objekt i tillë do të jetë i padukshëm dhe nuk mund të lëshojë, në parim, dritë. Jo, nuk duhet të ngatërrohet me një vrimë të zezë. Mund të ketë ngjyrë dhe madje të jetë mjaft i dukshëm, por rrezatimi i një trupi krejtësisht të zi do të përcaktohet gjithmonë nga temperatura e tij, por jo nga drita e reflektuar. Nga rruga, kjo merr parasysh jo vetëm spektrin e dukshëm për syrin e njeriut, por edhe rrezatimin ultravjollcë, infra të kuqe, valët e radios, rrezet X, rrezatimin gama, etj. Siç u përmend tashmë, një trup absolutisht i zi nuk ekziston në natyrë. Megjithatë, karakteristikat e tij në tonë sistemi yjor Përgjigja më e plotë është Dielli, i cili lëshon por pothuajse nuk reflekton dritë (që buron nga yjet e tjerë).
Idealizimi laboratorik
Që atëherë janë bërë përpjekje për të prodhuar objekte që nuk pasqyrojnë fare dritën fundi i XIX shekulli. Në fakt, kjo detyrë u bë një nga parakushtet për shfaqjen mekanika kuantike. Para së gjithash, është e rëndësishme të theksohet se çdo foton (ose çdo grimcë tjetër e rrezatimit elektromagnetik) i zhytur nga një atom emetohet menjëherë prej tij dhe absorbohet nga një atom fqinj dhe emetohet përsëri. Ky proces do të vazhdojë derisa të arrihet një gjendje ngopjeje ekuilibri në trup. Megjithatë, kur një trup i zi nxehet në një gjendje të ngjashme ekuilibri, intensiteti i dritës që lëshon bëhet i barabartë me intensitetin e dritës që thith.
Në komunitetin shkencor të fizikantëve, problemi lind kur përpiqemi të llogarisim se çfarë duhet të jetë kjo energji rrezatimi, e cila ruhet brenda një trupi të zi në ekuilibër. Dhe këtu vjen një moment mahnitës. Shpërndarja e energjisë në spektrin e një trupi absolutisht të zi në një gjendje ekuilibri nënkupton pafundësinë e vërtetë të energjisë së rrezatimit brenda tij. Ky problem është quajtur katastrofa ultravjollcë.
Zgjidhja e Planck
I pari që arriti të gjejë një zgjidhje të pranueshme për këtë problem ishte fizikani gjerman Max Planck. Ai sugjeroi që çdo rrezatim absorbohet nga atomet jo vazhdimisht, por në mënyrë diskrete. Domethënë në pjesë. Më vonë, pjesë të tilla u quajtën fotone. Për më tepër, valët radiomagnetike mund të absorbohen vetëm nga atomet në frekuenca të caktuara. Thjesht kalojnë frekuencat e papërshtatshme, gjë që zgjidh problemin e energjisë së pafundme të ekuacionit të nevojshëm.
Thith 99,965% të rrezatimit që bie mbi të në intervale dritë e dukshme, mikrovalët dhe valët e radios.
Termi "trup absolut i zi" u prezantua nga Gustav Kirchhoff në 1862.
YouTube enciklopedik
1 / 5
✪ Fizikë për dummies. Leksioni 59. Trup absolutisht i zi
✪ Trup absolutisht i zi
✪ Rrezatimi i trupit të zi
✪ Grimcat elementare| trup absolutisht i zi
✪ Trup absolutisht i zi
Titra
Modeli praktik
Studimi i ligjeve të rrezatimit të trupit të zi ishte një nga parakushtet për shfaqjen e mekanikës kuantike.
Ligji i parë i Vjenës i rrezatimit
k- konstante Boltzmann, c- shpejtësia e dritës në vakum.Ligji Rayleigh-Jeans
Një përpjekje për të përshkruar rrezatimin e një trupi plotësisht të zi bazuar në parimet klasike termodinamika dhe elektrodinamika çojnë në ligjin Rayleigh-Jeans:
u (ω , T) = k T ω 2 π 2 c 3 (\displaystyle u(\omega ,T)=kT(\frac (\omega ^(2))(\pi ^(2)c^(3) )))Kjo formulë supozon një rritje kuadratike të densitetit spektral të rrezatimit në varësi të frekuencës së tij. Në praktikë, një ligj i tillë do të nënkuptonte pamundësinë e ekuilibrit termodinamik ndërmjet materies dhe rrezatimit, pasi sipas të gjitha energji termike do të duhej të shndërrohej në energji rrezatimi në rajonin me valë të shkurtër të spektrit. Ky fenomen hipotetik u quajt katastrofa ultravjollcë.
Megjithatë, ligji i rrezatimit Rayleigh-Jeans është i vlefshëm për rajonin me valë të gjata të spektrit dhe përshkruan në mënyrë adekuate natyrën e rrezatimit. Fakti i korrespondencës së tillë mund të shpjegohet vetëm duke përdorur një qasje mekanike kuantike, sipas së cilës rrezatimi ndodh në mënyrë diskrete. Bazuar në ligjet kuantike ju mund të merrni formulën Planck, e cila do të përkojë me formulën Rayleigh-Jeans për ℏ ω / k T ≪ 1 (\displaystyle \hbar \omega /kT\ll 1).
Ky fakt është një ilustrim i shkëlqyer i parimit të korrespondencës, sipas të cilit një teori e re fizike duhet të shpjegojë gjithçka që e vjetra ishte në gjendje të shpjegonte.
Ligji i Plankut
Intensiteti i rrezatimit të një trupi absolutisht të zi, në varësi të temperaturës dhe frekuencës, përcaktohet nga Ligji i Plankut :
R (ν , T) = 2 π h ν 3 c 2 1 e h ν / k T − 1 , (\displaystyle R(\nu ,T)=(\frac (2\pi h\nu ^(3))( c^(2)))(\frac (1)(e^(h\nu /kT)-1)))Ku R (ν , T) (\stil ekrani R(\nu ,T))- Fuqia e rrezatimit për njësi të sipërfaqes së sipërfaqes rrezatuese në një interval të frekuencës njësi (dimensioni në SI: J s -1 m -2 Hz -1).
Që është ekuivalente,
R (λ , T) = 2 π h c 2 λ 5 1 e h c / λ k T − 1 , (\displaystyle R(\lambda ,T)=(2\pi h(c^(2)) \mbi \lambda ^ (5))(1 \mbi e^(hc/\lambda kT)-1),)Ku R (λ , T) (\style ekrani R(\lambda,T))- fuqia e rrezatimit për njësi të sipërfaqes së sipërfaqes emetuese në një interval njësi të gjatësisë valore (dimensioni në SI: J s -1 m −2 m −1).
Ligji Stefan-Boltzmann
Energjia totale e rrezatimit termik përcaktohet nga ligji Stefan-Boltzmann, i cili thotë:
j = σ T 4 , (\displaystyle j=\sigma T^(4),)Ku j (\displaystyle j)është fuqia për njësi të sipërfaqes së sipërfaqes rrezatuese, dhe
σ = 2 π 5 k 4 15 c 2 h 3 = π 2 k 4 60 ℏ 3 c 2 ≃ 5,670 400 (40) ⋅ 10 − 8 (\displaystyle \sigma =(\frac (2\pi ^(5)k ^(4))(15c^(2)h^(3)))=(\frac (\pi ^(2)k^(4))(60\hbar ^(3)c^(2))) \simeq 5(,)670400(40)\cdot 10^(-8)) W/(m²·K 4) - Konstante Stefan-Boltzmann.Kështu, një trup absolutisht i zi në T (\displaystyle T)= 100 K lëshon 5,67 vat metër katror sipërfaqen e saj. Në një temperaturë prej 1000 K, fuqia e rrezatimit rritet në 56.7 kilovat për metër katror.
Për trupat jo të zinj mund të shkruajmë përafërsisht:
j = ϵ σ T 4 , (\displaystyle j=\epsilon \sigma T^(4),\ )Ku ϵ (\displaystyle \epsilon)- shkalla e errësirës. Për të gjitha substancat ϵ < 1 {\displaystyle \epsilon <1} , për një trup tërësisht të zi ϵ = 1 (\displaystyle \epsilon =1), për objektet e tjera, në bazë të ligjit të Kirchhoff, shkalla e emetimit është e barabartë me koeficientin e përthithjes: ϵ = α = 1 − ρ − τ (\displaystyle \epsilon =\alfa =1-\rho -\tau ), Ku α (\displaystyle \alfa)- koeficienti i përthithjes, ρ (\displaystyle \rho)- koeficienti i reflektimit, dhe τ (\displaystyle \tau)- transmetimi. Prandaj, për të reduktuar rrezatimin termik, sipërfaqja lyhet me ngjyrë të bardhë ose aplikohet një shtresë me shkëlqim dhe për ta rritur atë errësohet.
Konstante Stefan-Boltzmann σ (\displaystyle \sigma) mund të llogaritet teorikisht vetëm nga konsideratat kuantike, duke përdorur formulën e Planck-ut. Në të njëjtën kohë, forma e përgjithshme e formulës mund të merret nga konsideratat klasike (gjë që nuk eliminon problemin e katastrofës ultravjollcë).
Ligji i zhvendosjes së Wien-it
Gjatësia e valës në të cilën energjia e rrezatimit të një trupi absolutisht të zi është maksimale përcaktohet nga Ligji i zhvendosjes së Wien-it:
λ max = 0,002 8999 T (\displaystyle \lambda _(\max )=(\frac (0(,)0028999)(T)))Ku T (\displaystyle T)- temperatura në Kelvin, dhe λ max (\displaystyle \lambda _(\max))- gjatësi vale me intensitet maksimal në metra.
Pra, nëse supozojmë si përafërsi të parë se lëkura e njeriut është afër në veti me një trup absolutisht të zi, atëherë maksimumi i spektrit të rrezatimit në një temperaturë prej 36 °C (309 K) qëndron në një gjatësi vale prej 9400 nm (në rajoni infra i kuq i spektrit).
| P = a 3 T 4, (\displaystyle P=(\frac (a)(3))T^(4),) | (Ekuacioni termik i gjendjes) |
| U = a V T 4, (\displaystyle U=aVT^(4),) | (Ekuacioni i gjendjes kalorike për energjinë e brendshme) |
| U = a V (3 S 4 a V) 4 3 , (\displaystyle U=aV\left((\frac (3S)(4aV))\djathtas)^(\mathsf (\frac (4)(3)) )) | (Ekuacioni kanonik i gjendjes për energjinë e brendshme) |
| H = (3 P a) 1 4 S , (\displaystyle H=\left((\frac (3P)(a))\djathtas)^(\mathsf (\frac (1)(4)))S,) | entalpi) |
| F = − 1 3 a V T 4 , (\displaystyle F=-(\frac (1)(3))aVT^(4),) | (Ekuacioni kanonik i gjendjes për potencialin Helmholtz) |
| Ω = − 1 3 α V T 4 , (\displaystyle \Omega =-(\frac (1)(3))\alfa VT^(4),) | (Ekuacioni kanonik i gjendjes për potencialin e Landau) |
| S = 4 a 3 V T 3, (\stil ekrani S=(\frac (4a)(3))VT^(3),) | (Entropia) |
| C V = 4 a V T 3 , (\displaystyle C_(V)=4aVT^(3),) | (Kapaciteti i nxehtësisë në vëllim konstant) |
| γ = ∞, (\displaystyle \gama =\infty,) | ( |
Termi u krijua nga Gustav Kirchhoff në 1862.
Intensiteti i rrezatimit të trupit të zi në varësi të temperaturës dhe frekuencës përcaktohet nga ligji i Planck:
Ku I (?) d ? – fuqia e rrezatimit për njësi sipërfaqe të sipërfaqes emetuese për njësi kënd të ngurtë në diapazonin e frekuencës nga? te? + d ?
Energjia totale e rrezatimit termik përcaktohet nga ligji Stefan-Boltzmann:
Ku F është fuqia për njësi të sipërfaqes së sipërfaqes rrezatuese, dhe
W / (m 2 K 4) - u bë Stefan-Boltzmann.
Gjatësia e valës në të cilën energjia e rrezatimit është maksimale përcaktohet nga ligji i zhvendosjes së Wien-it:
Ku Tështë temperatura në Kelvin, dhe ? maksimumi– gjatësi vale me intensitet maksimal në metra.
Ngjyra e dukshme e trupave plotësisht të zinj në temperatura të ndryshme tregohet në diagramin në të djathtë.
Lëvizja e rrezeve të dritës në një trup absolutisht të zi Është e mundur të prodhohet artificialisht një trup pothuajse absolutisht i zi duke transformuar sipërfaqen e brendshme të një trupi të errët të ngrohur në një temperaturë të caktuar me një zgavër dhe një vrimë të vogël. Çdo rreze që kalon përmes vrimës A në zgavrën C praktikisht nuk del prapa, dhe për këtë arsye përjeton reflektime dhe përthithje të shumta. Pra, vrima A thith rrezet si një trup krejtësisht i zi.
Duhet të theksohet se dimensionet gjeometrike të një trupi absolutisht të zi imponojnë kufizime natyrore në gjatësinë e valës elektromagnetike që mund të përhapet në të. Në të vërtetë, nëse gjatësia e valës është më e madhe se madhësia e trupit të zi, atëherë thjesht nuk mund të shihet nga muret në të. Ky fakt është veçanërisht i rëndësishëm në kozmologji, kur modelohet Universi në formën e një trupi absolutisht të zi në fazat e hershme të zhvillimit, veçanërisht kur merret parasysh rrezatimi kozmik i sfondit të mikrovalës.
Koncepti i një trupi absolut të zi përdoret gjerësisht në astrofizikë. Rrezatimi i Diellit është afër rrezatimit të një trupi të tillë me temperaturë 6000K. I gjithë universi përshkohet nga i ashtuquajturi rrezatim i sfondit të mikrovalës kozmike, afër rrezatimit të një trupi absolutisht të zi me një temperaturë prej 3K. Krahasimi i rrezatimit total të yjeve me rrezatimin e një trupi të tillë na lejon të vlerësojmë afërsisht temperaturën efektive të yllit. Devijimi i rrezatimit të yllit nga ai i një trupi të zi është shpesh mjaft i dukshëm. Në thellësitë e Diellit dhe të yjeve, të ngrohur në dhjetëra miliona gradë, rrezatimi korrespondon me një rrezatim të tillë me saktësi të lartë.
Për zbatimin praktik të modelit të trupit të zi, është e nevojshme të sigurohet mundësia e ngrohjes uniforme të mureve të zgavrës dhe emetimit të rrezatimit jashtë përmes një vrime të vogël. Një nga mostrat e para eksperimentale të një trupi të zi ishte një pajisje e bërë nga Lummer dhe Pringsheim. Ishte një enë metalike me mure të dyfishta (të ngjashme me një termostat). Hapësira ndërmjet mureve përdorej si "banjë me temperaturë" për të mbajtur një temperaturë të caktuar dhe uniforme. Kjo arrihej duke kaluar avullin përmes ujit të vluar ose, për temperatura të ulëta, duke e mbushur me akull, dioksid karboni të ngurtë, ajër të lëngshëm etj.
Për të studiuar rrezatimin në temperatura të larta, u përdor një trup i zi me një dizajn të ndryshëm. Një cilindër me pllaka platini përmes të cilit furnizohet rryma elektrike nevojitet për të ngrohur në mënyrë uniforme cilindrin e brendshëm prej porcelani. Temperatura brenda cilindrit matej me një termoelement dhe diafragmat penguan ftohjen nga ajri depërtues.
Me ndihmën e pajisjeve të tilla të thjeshta - modele të trupit të zi, u studiuan eksperimentalisht ligjet e rrezatimit, u përcaktuan saktësisht konstantet e tij dhe u studiua shpërndarja spektrale e shkëlqimit.
Një trup absolutisht i zi që thith plotësisht rrezatimin elektromagnetik të çdo frekuence, kur nxehet, lëshon energji në formën e valëve të shpërndara në mënyrë të barabartë në të gjithë spektrin e frekuencës.
Nga fundi i shekullit të 19-të, shkencëtarët, duke studiuar ndërveprimin e rrezatimit elektromagnetik (në veçanti, dritën) me atomet e materies, hasën probleme serioze që mund të zgjidheshin vetëm brenda kornizës së mekanikës kuantike, e cila, në shumë mënyra, u ngrit për shkak të për faktin se lindën këto probleme. Për të kuptuar të parën dhe ndoshta më seriozin nga këto probleme, imagjinoni një kuti të madhe të zezë me një sipërfaqe të brendshme të pasqyruar, dhe në një nga muret ka një vrimë të vogël. Një rreze drite që depërton në një kuti përmes një vrime mikroskopike mbetet brenda përgjithmonë, duke reflektuar pafundësisht nga muret. Një objekt që nuk reflekton dritën, por e thith plotësisht atë, duket i zi, prandaj quhet zakonisht trup i zi. (Një trup i zi, si shumë fenomene të tjera fizike konceptuale, është një objekt thjesht hipotetik, megjithëse, për shembull, një sferë e zbrazët, e nxehtë uniforme e pasqyruar nga brenda, në të cilën drita depërton përmes një vrime të vetme të vogël, është një përafrim i mirë.)
Trupat absolutisht të zinj nuk ekzistojnë në natyrë, kështu që në fizikë përdoret një model për eksperimente. Është një zgavër e mbyllur e errët me një vrimë të vogël, muret e së cilës kanë të njëjtën temperaturë. Drita që hyn përmes kësaj vrime do të absorbohet plotësisht pas reflektimeve të përsëritura dhe vrima do të duket plotësisht e zezë nga jashtë. Por kur kjo zgavër nxehet, ajo do të zhvillojë rrezatimin e vet të dukshëm. Meqenëse rrezatimi i emetuar nga muret e brendshme të zgavrës, para se të largohet (në fund të fundit, vrima është shumë e vogël), në shumicën dërrmuese të rasteve do t'i nënshtrohet një sasie të madhe përthithjeje dhe rrezatimi të ri, mund të themi me besim se rrezatimi brenda zgavrës është në ekuilibër termodinamik me muret. (Në fakt, vrima nuk është aspak e rëndësishme për këtë model, është e nevojshme vetëm për të theksuar vëzhgueshmërinë themelore të rrezatimit të vendosur brenda; vrima, për shembull, mund të mbyllet plotësisht dhe të hapet shpejt vetëm kur ekuilibri është tashmë vendoset dhe matja po kryhet). |
Sidoqoftë, me siguri keni parë analoge mjaft të afërta të një trupi të zi në realitet. Në një fireplace, për shembull, ndodh që disa trungje të grumbullohen pothuajse fort së bashku dhe një zgavër mjaft e madhe digjet brenda tyre. Pjesa e jashtme e trungjeve mbetet e errët dhe nuk shkëlqen, ndërsa nxehtësia grumbullohet brenda zgavrës së djegur ( rrezatimi infra të kuqe) dhe dritë, dhe para se të shpërthejnë, këto rreze reflektohen shumë herë nga muret e zgavrës. Nëse shikoni në hendekun midis trungjeve të tilla, do të shihni një shkëlqim të ndezur të verdhë-portokalli me temperaturë të lartë dhe prej andej fjalë për fjalë do të jeni të ndezur nga nxehtësia. Rrezet thjesht u bllokuan për disa kohë midis trungjeve, ashtu si drita bllokohet dhe absorbohet plotësisht nga kutia e zezë e përshkruar më sipër.
Modeli i një kutie të tillë të zezë na ndihmon të kuptojmë se si sillet drita e thithur nga një trup i zi, duke ndërvepruar me atomet e substancës së tij. Këtu është e rëndësishme të kuptohet se drita përthithet nga një atom, emetohet menjëherë prej tij dhe absorbohet nga një atom tjetër, përsëri emetohet dhe absorbohet dhe kjo do të ndodhë derisa të arrihet gjendja e ngopjes së ekuilibrit. Kur një trup i zi nxehet në një gjendje ekuilibri, intensitetet e emetimit dhe përthithjes së rrezeve brenda trupit të zi barazohen: kur një sasi e caktuar drite e një frekuence të caktuar absorbohet nga një atom, një atom tjetër diku brenda lëshon njëkohësisht të njëjtën gjë. sasia e dritës me të njëjtën frekuencë. Kështu, sasia e dritës së përthithur të secilës frekuencë brenda një trupi të zi mbetet e njëjtë, megjithëse atome të ndryshme të trupit e thithin dhe e lëshojnë atë.
Deri në këtë moment, sjellja e trupit të zi mbetet mjaft e kuptueshme. Problemet brenda kornizës së fizikës klasike (me "klasike" këtu nënkuptojmë fizikën para ardhjes së mekanikës kuantike) filluan kur u përpoqën të llogaritnin energjinë e rrezatimit të ruajtur brenda një trupi të zi në një gjendje ekuilibri. Dhe dy gjëra u bënë të qarta shpejt:
- sa më e lartë të jetë frekuenca valore e rrezeve, aq më shumë prej tyre grumbullohen brenda trupit të zi (d.m.th., sa më të shkurtra të jenë gjatësitë e valëve të pjesës së studiuar të spektrit të valëve të rrezatimit, aq më shumë rreze të kësaj pjese të spektrit brenda trupit të zi parashikohen nga teoria klasike);
- Sa më e lartë të jetë frekuenca e valës, aq më shumë energji mbart dhe, në përputhje me rrethanat, aq më shumë prej saj ruhet brenda trupit të zi.
Fizikani gjerman Max Planck arriti të rivendoste rendin (shih konstanten e Planck) - ai tregoi se problemi hiqet nëse supozojmë se atomet mund të thithin dhe lëshojnë dritë vetëm në pjesë dhe vetëm në frekuenca të caktuara. (Më vonë, Albert Einstein e përgjithësoi këtë ide duke prezantuar konceptin e fotoneve - pjesë të përcaktuara rreptësisht të rrezatimit të dritës.) Sipas kësaj skeme, shumë frekuenca të rrezatimit të parashikuara nga fizika klasike thjesht nuk mund të ekzistojnë brenda një trupi të zi, pasi atomet nuk janë në gjendje të thithin ose i lëshojnë ato; Prandaj, këto frekuenca përjashtohen nga konsiderata kur llogaritet rrezatimi i ekuilibrit brenda një trupi të zi. Duke lënë vetëm frekuencat e lejueshme, Planck parandaloi katastrofën ultravjollcë dhe e vendosi shkencën në rrugën drejt një kuptimi të saktë të strukturës së botës në nivelin nënatomik. Përveç kësaj, ai llogariti shpërndarjen karakteristike të frekuencës së rrezatimit ekuilibër të trupit të zi.
Kjo shpërndarje fitoi famë botërore shumë dekada pas publikimit të saj nga vetë Planck, kur kozmologët zbuluan se rrezatimi kozmik i sfondit mikrovalor që ata zbuluan i bindet saktësisht shpërndarjes Planck në karakteristikat e tij spektrale dhe korrespondon me rrezatimin e një trupi plotësisht të zi në një temperaturë prej rreth tre. gradë mbi zero absolute.
Enciklopedia nga James Trefil “Natyra e shkencës. 200 ligjet e universit."
James Trefil është profesor i fizikës në Universitetin George Mason (SHBA), një nga autorët më të famshëm perëndimorë të librave shkencorë popullorë.
| Komentet: 0 |
Një nga faktet e botës nënatomike është se objektet e saj - si elektronet apo fotonet - nuk janë aspak të ngjashme me objektet e zakonshme të botës makro. Ata nuk sillen as si grimca dhe as si valë, por si formacione krejtësisht të veçanta që shfaqin veti valore dhe korpuskulare në varësi të rrethanave. Është një gjë të bësh një deklaratë, por krejt tjetër të lidhësh së bashku aspektet e valës dhe grimcave të sjelljes së grimcave kuantike, duke i përshkruar ato me një ekuacion të saktë. Kjo është pikërisht ajo që u bë në marrëdhënien de Broglie.
Në jetën e përditshme, ekzistojnë dy mënyra për të transferuar energjinë në hapësirë - përmes grimcave ose valëve. Në jetën e përditshme, nuk ka kontradikta të dukshme midis dy mekanizmave të transferimit të energjisë. Pra, një basketboll është një grimcë, dhe tingulli është një valë, dhe gjithçka është e qartë. Megjithatë, në mekanikën kuantike gjërat nuk janë aq të thjeshta. Edhe nga eksperimentet më të thjeshta me objektet kuantike, shumë shpejt bëhet e qartë se në mikrobotën nuk zbatohen parimet dhe ligjet e makroworld me të cilat jemi njohur. Drita, të cilën ne jemi mësuar ta mendojmë si valë, ndonjëherë sillet sikur të përbëhet nga një rrymë grimcash (fotone), dhe grimcat elementare, si një elektron apo edhe një proton masiv, shpesh shfaqin vetitë e një valë.
Ekzistojnë një sërë llojesh të rrezatimit elektromagnetik, duke filluar nga valët e radios deri te rrezet gama. Rrezet elektromagnetike të të gjitha llojeve përhapen në vakum me shpejtësinë e dritës dhe ndryshojnë nga njëra-tjetra vetëm në gjatësi vale.
Natyra e dyfishtë grimcë-valë e grimcave kuantike përshkruhet nga një ekuacion diferencial.
Max Planck, një nga themeluesit e mekanikës kuantike, erdhi në idetë e kuantizimit të energjisë, duke u përpjekur të shpjegojë teorikisht procesin e ndërveprimit midis valëve elektromagnetike dhe atomeve të zbuluara së fundmi dhe, në këtë mënyrë, të zgjidhë problemin e rrezatimit të trupit të zi. Ai kuptoi se për të shpjeguar spektrin e emetimit të vëzhguar të atomeve, është e nevojshme të merret si e mirëqenë që atomet emetojnë dhe thithin energji në pjesë (të cilat shkencëtari i quajti kuantë) dhe vetëm në frekuenca valore individuale.
Fjala "quantum" vjen nga latinishtja quantum ("sa, sa") dhe anglishtja quantum ("sasi, pjesë, kuantike"). "Mekanikë" ka qenë prej kohësh emri i dhënë shkencës së lëvizjes së materies. Prandaj, termi "mekanikë kuantike" nënkupton shkencën e lëvizjes së materies në pjesë (ose, në gjuhën moderne shkencore, shkencën e lëvizjes së materies së kuantizuar). Termi "kuant" u krijua nga fizikani gjerman Max Planck për të përshkruar ndërveprimin e dritës me atomet.
Mbi të gjitha, Ajnshtajni protestoi kundër nevojës për të përshkruar fenomenet e mikrobotës në aspektin e probabiliteteve dhe funksioneve valore, dhe jo nga pozicioni i zakonshëm i koordinatave dhe shpejtësive të grimcave. Kjo është ajo që ai nënkuptonte me "hedhjen e zarit". Ai pranoi se përshkrimi i lëvizjes së elektroneve në termat e shpejtësive dhe koordinatave të tyre bie ndesh me parimin e pasigurisë. Por, argumentoi Ajnshtajni, duhet të ketë disa variabla ose parametra të tjerë, duke marrë parasysh të cilët tabloja mekanike kuantike e mikrobotës do të kthehet në rrugën e integritetit dhe determinizmit. Dmth, këmbënguli, vetëm na duket se Zoti po luan zare me ne, se ne nuk kuptojmë gjithçka. Kështu, ai ishte i pari që formuloi hipotezën e ndryshores së fshehur në ekuacionet e mekanikës kuantike. Ai qëndron në faktin se në fakt elektronet kanë koordinata dhe shpejtësi fikse, si topat e bilardos së Njutonit, dhe parimi i pasigurisë dhe qasja probabilistike për përcaktimin e tyre brenda kornizës së mekanikës kuantike janë rezultat i paplotësisë së vetë teorisë, e cila është pse nuk i lejon ato për të përcaktuar.
Drita është baza e jetës në planetin tonë. Duke iu përgjigjur pyetjeve "Pse qielli është blu?" dhe "Pse bari është i gjelbër?" ju mund të jepni një përgjigje të qartë - "Falë dritës". Kjo është një pjesë integrale e jetës sonë, por ne ende po përpiqemi të kuptojmë fenomenin e dritës...
Valët janë një nga dy mënyrat e transferimit të energjisë në hapësirë (mënyra tjetër është korpuskulare, duke përdorur grimcat). Valët zakonisht përhapen në disa mjedise (për shembull, valët në sipërfaqen e një liqeni përhapen në ujë), por drejtimi i lëvizjes së vetë mediumit nuk përkon me drejtimin e lëvizjes së valëve. Imagjinoni një noton që përplaset mbi valë. Duke u ngritur dhe duke u ulur, nota ndjek lëvizjet e ujit ndërsa valët kalojnë pranë tij. Fenomeni i interferencës ndodh kur ndërveprojnë dy ose më shumë valë të së njëjtës frekuencë, të përhapura në drejtime të ndryshme.
Bazat e fenomenit të difraksionit mund të kuptohen duke iu referuar parimit të Huygens, sipas të cilit çdo pikë përgjatë rrugës së përhapjes së një rreze drite mund të konsiderohet si një burim i ri i pavarur i valëve dytësore dhe përcaktohet modeli i mëtejshëm i difraksionit. nga interferenca e këtyre valëve dytësore. Kur një valë drite ndërvepron me një pengesë, disa nga valët dytësore të Huygens bllokohen.
