Spektri i rrezatimit të trupit të zi. Burimet e referencës - modelet e trupit të zi

Departamenti i Arsimit i rajonit Kirov. Ministria e Arsimit të Përgjithshëm dhe të Mesëm

Institucioni Arsimor Komunal Nr.204

"Shkolla elitare"

Drejtimi shkencor dhe teknik.

Lënda e fizikës.

Absolutisht trup i zi

Interpretues: nxënësi i klasës së 11-të Maksim Karpov

Kreu: Bondina Marina Yurievna

Ekaterinburg 2007

Faqja e hyrjes 2

Teoria e trupit të zi f.5

Pjesa praktike f.15

Konkluzioni fq.17

Letërsi f.18

Hyrje

Në fund të shekullit të 19-të. Shumë shkencëtarë besuan se zhvillimi i fizikës u përfundua për arsyet e mëposhtme:

1. Ligjet e mekanikës dhe teorisë kanë ekzistuar për më shumë se 200 vjet graviteti universal, ligjet e ruajtjes (energjia, momenti, momenti këndor, masa dhe ngarkesa elektrike).

2. MKT u zhvillua.

3. Është hedhur një bazë e fortë për termodinamikën.

4. U formulua teoria e elektromagnetizmit e Maksuellit.

5. Ligji relativist i ruajtjes së energjisë – masës.

Në fund të 19-të - fillimi i shekujve të 20-të. zbuluar nga V. Roentgen - rrezet X ( rrezet x), A. Becquerel - fenomeni i radioaktivitetit, J. Thomson - elektron. Megjithatë, fizika klasike nuk ishte në gjendje t'i shpjegonte këto dukuri.

Teoria e relativitetit e A. Ajnshtajnit kërkonte një rishikim rrënjësor të konceptit të hapësirës dhe kohës. Eksperimentet speciale konfirmuan vlefshmërinë e hipotezës së J. Maxwell rreth natyra elektromagnetike Sveta. Mund të supozohet se emetimi i valëve elektromagnetike nga trupat e nxehtë është për shkak të lëvizjes osciluese të elektroneve. Por ky supozim duhej të konfirmohej duke krahasuar të dhënat teorike dhe eksperimentale. Për të shqyrtuar teorikisht ligjet e rrezatimit, ne përdorëm modelin e trupit të zi, d.m.th. një trup që thith plotësisht valët elektromagnetike të çdo gjatësi dhe, në përputhje me rrethanat, lëshon të gjitha gjatësitë e valëve elektromagnetike.

E kam hasur fenomenin e trupave që thithin energji gjatë kthimit në shtëpi në një mbrëmje vjeshte. Atë mbrëmje ishte me lagështi dhe mezi e shihja rrugën në të cilën po ecja. Dhe kur bora ra një javë më vonë, rruga dukej qartë. Kështu u ndesha për herë të parë me fenomenin e një trupi absolutisht të zi, një trup që nuk ekziston në natyrë dhe u interesova për të. Dhe meqenëse kalova një kohë të gjatë duke kërkuar material që më interesonte, duke e mbledhur atë pjesë-pjesë, vendosa të shkruaj punë kërkimore, në të cilën të gjitha do të lidhen dhe rregullohen në një rend logjik. Gjithashtu, për një kuptim më të përshtatshëm të pjesës teorike, kam dhënë shembuj praktikë të eksperimenteve në të cilat mund të vëzhgoni fenomenin e lartpërmendur.

Ndërsa studioja materialet për çështjen e reflektimit dhe thithjes së energjisë së dritës, supozova se një trup plotësisht i zi është një trup që thith të gjithë energjinë. Megjithatë, a është e mundur kjo në praktikë? Mendoj se nuk isha i vetmi që e gjeta interesante këtë pyetje. Prandaj, qëllimi i punës sime është të vërtetoj se emetimi i valëve elektromagnetike nga trupat e nxehtë është për shkak të lëvizjes osciluese të elektroneve. Por ky problem është i rëndësishëm sepse nuk është shkruar në tekstet tona shkollore në disa libra referimi që mund të lexoni për një trup absolutisht të zi. Për ta bërë këtë, i vendosa vetes disa detyra:

gjeni sa më shumë më shumë informacion për këtë çështje;

studioni teorinë e trupit të zi;

konfirmojnë eksperimentalisht konceptet dhe dukuritë teorike të paraqitura në mënyrë abstrakte;

Abstrakti përbëhet nga pjesët e mëposhtme:

hyrje;

teoria e trupit të zi;

pjesa praktike;

përfundimi.

Teoria e trupit të zi

1. Historiku i studimit të çështjes.

Fizika klasike nuk mund të merrte një formulë të arsyeshme për dendësia spektrale(kjo formulë mund të verifikohet lehtësisht: një trup absolutisht i zi është një furrë, është instaluar një spektrometër, rrezatimi kthehet në një spektër dhe për çdo brez të spektrit mund të gjendet energjia në këtë interval të gjatësisë valore). Fizika klasike jo vetëm që mund të jepte vlerën e saktë funksioni, nuk mund të jepte as një vlerë të arsyeshme, domethënë, doli që ky funksion rritet me zvogëlimin e gjatësisë valore, dhe kjo është thjesht e pakuptimtë, kjo do të thotë se çdo trup në rajonin e dukshëm emeton, dhe aq më tepër në frekuenca të ulëta, dhe rrezatimi i energjisë totale tenton në pafundësi. Kjo do të thotë se ka dukuri në natyrë që nuk mund të përshkruhen nga ligjet e fizikës klasike.

Në fund të shekullit të 19-të, u zbulua mospërputhja e përpjekjeve për të krijuar një teori të rrezatimit të trupit të zi bazuar në ligjet e fizikës klasike. Nga ligjet fizikës klasike pasoi që substanca duhet të lëshojë valë elektromagnetike në çdo temperaturë, të humbasë energjinë dhe të ulë temperaturën në zero absolute. Me fjalë të tjera. ekuilibri termik midis materies dhe rrezatimit ishte i pamundur. Por kjo ishte në kundërshtim me përvojën e përditshme.

Kjo mund të shpjegohet më në detaje si më poshtë. Ekziston një koncept i një trupi absolutisht të zi - një trup që thith rrezatimi elektromagnetikçdo gjatësi vale. Spektri i rrezatimit të tij përcaktohet nga temperatura e tij. Nuk ka trupa absolutisht të zinj në natyrë. Korrespondenca më e saktë me një trup absolutisht të zi është një trup i mbyllur, i errët, i zbrazët me një vrimë. Çdo pjesë e një substance shkëlqen kur nxehet dhe, me një rritje të mëtejshme të temperaturës, fillimisht bëhet e kuqe dhe më pas e bardhë. Ngjyra është pothuajse e pavarur nga substanca për një trup absolutisht të zi, ajo përcaktohet vetëm nga temperatura e saj. Le të imagjinojmë një zgavër të tillë të mbyllur, e cila mbahet në një temperaturë konstante dhe që përmban trupat materiale, të aftë për të emetuar dhe thithur rrezatim. Nëse temperatura e këtyre trupave në momentin fillestar ndryshonte nga temperatura e zgavrës, atëherë me kalimin e kohës sistemi (zgavra plus trupat) do të priret drejt ekuilibrit termodinamik, i cili karakterizohet nga ekuilibri ndërmjet energjisë së përthithur dhe të matur për njësi të kohës.

G. Kirchhoff konstatoi se kjo gjendje ekuilibri karakterizohet nga një shpërndarje e caktuar spektrale e densitetit të energjisë së rrezatimit që gjendet në zgavër, dhe gjithashtu se funksioni që përcakton shpërndarja spektrale(funksioni Kirchhoff), varet nga temperatura e zgavrës dhe nuk varet as nga madhësia e zgavrës dhe as nga forma e saj, as nga vetitë e trupave materialë të vendosur në të. Meqenëse funksioni Kirchhoff është universal, d.m.th. është i njëjtë për çdo trup të zi, atëherë lindi supozimi se pamja e tij përcaktohet nga disa dispozita të termodinamikës dhe elektrodinamikës. Megjithatë, përpjekjet e këtij lloji rezultuan të pasuksesshme. Nga ligji i D. Rayleigh rrjedh se dendësia spektrale e energjisë së rrezatimit duhet të rritet në mënyrë monotone me rritjen e frekuencës, por eksperimenti tregoi të kundërtën: në fillim dendësia spektrale rritej me rritjen e frekuencës, dhe më pas ra.

Zgjidhja e problemit të rrezatimit të trupit të zi kërkonte një qasje thelbësisht të re.

Ajo u gjet nga M. Planck.

Në vitin 1900, Planck formuloi një postulat sipas të cilit lënda mund të lëshojë energji rrezatimi vetëm në pjesë të fundme në përpjesëtim me frekuencën e këtij rrezatimi. Ky koncept çoi në një ndryshim në parimet tradicionale që qëndrojnë në themel të fizikës klasike. Ekzistenca e veprimit diskret tregoi marrëdhënien midis lokalizimit të një objekti në hapësirë ​​dhe kohë dhe gjendjes së tij dinamike. L. de Broglie theksoi se “nga pikëpamja e fizikës klasike, kjo lidhje duket krejtësisht e pashpjegueshme dhe shumë më e pakuptueshme në pasojat në të cilat ajo çon sesa lidhja midis ndryshoreve hapësinore dhe kohës, e vendosur nga teoria e relativitetit ishte i destinuar të luante një rol të madh në zhvillimin e fizikës.

Kështu u gjet qasje e re për një shpjegim të natyrës së trupit të zi (në formën e një koncepti kuantik).

2. Kapaciteti absorbues i organizmit.

Për të përshkruar procesin e përthithjes së rrezatimit nga trupat, ne prezantojmë aftësinë absorbuese spektrale të trupit. Për ta bërë këtë, pasi kemi identifikuar një interval të ngushtë frekuence nga deri në , ne do të shqyrtojmë fluksin e rrezatimit që bie në sipërfaqen e trupit. Nëse në të njëjtën kohë një pjesë e kësaj rryme absorbohet nga trupi, atëherë kapaciteti absorbues i trupit në frekuencë do të përcaktohet si një sasi pa dimension.

që karakterizon fraksionin e rrezatimit të frekuencës që bie në një trup që absorbohet nga trupi.

Përvoja tregon se çdo trup i vërtetë thith rrezatimin e frekuencave të ndryshme në mënyra të ndryshme në varësi të temperaturës së tij. Prandaj, aftësia spektrale e absorbimit të një trupi është një funksion i frekuencës, lloji i së cilës ndryshon me ndryshimet në temperaturën e trupit.

Sipas përkufizimit, kapaciteti absorbues i një trupi nuk mund të jetë më i madh se një. Në këtë rast, një trup, kapaciteti absorbues i të cilit është më i vogël se uniteti dhe është i njëjtë në të gjithë diapazonin e frekuencës quhet trup gri.

Një vend të veçantë në teorinë e rrezatimit termik zë trupi absolutisht i zi. Kjo është ajo që G. Kirchhoff e quajti një trup kapaciteti absorbues i të cilit është i barabartë me unitetin në të gjitha frekuencat dhe në të gjitha temperaturat. Një trup i vërtetë gjithmonë pasqyron një pjesë të energjisë së rrezatimit që bie mbi të (Fig. 1.2). Edhe bloza i afrohet vetive të një trupi krejtësisht të zi vetëm në intervalin optik.

1 - trup absolutisht i zi; 2 - trup gri; 3 - trupi i vërtetë

Trupi i zi është trupi referues në teorinë e rrezatimit termik. Dhe, megjithëse nuk ka trup absolutisht të zi në natyrë, është mjaft e thjeshtë të zbatohet një model për të cilin kapaciteti absorbues në të gjitha frekuencat do të ndryshojë në mënyrë të papërfillshme nga uniteti. Një model i tillë i një trupi absolutisht të zi mund të bëhet në formën e një zgavër të mbyllur (Fig. 1.3), e pajisur me një vrimë të vogël, diametri i së cilës është dukshëm më i vogël se dimensionet tërthore të zgavrës. Në këtë rast, zgavra mund të ketë pothuajse çdo formë dhe të jetë prej çdo materiali.

Një vrimë e vogël ka vetinë të thithë pothuajse plotësisht rrezatimin që ka rënë mbi të, dhe ndërsa madhësia e vrimës zvogëlohet, kapaciteti i saj absorbues tenton të bashkohet. Në të vërtetë, rrezatimi përmes vrimës godet muret e zgavrës, duke u zhytur pjesërisht prej tyre. Për madhësitë e vrimave të vogla, rrezja duhet t'i nënshtrohet shumë reflektimeve përpara se të dalë nga vrima, domethënë, formalisht, të reflektohet prej saj. Me reflektime të shumta të përsëritura në muret e zgavrës, rrezatimi që hyn në zgavër absorbohet pothuajse plotësisht.

Vini re se nëse muret e zgavrës mbahen në një temperaturë të caktuar, atëherë vrima do të rrezatojë dhe ky rrezatim mund të konsiderohet me një shkallë të lartë saktësie si rrezatimi i një trupi të zi që ka një temperaturë. Duke studiuar shpërndarjen e energjisë së këtij rrezatimi mbi spektrin oC, E. Pringsheim, O. Lümmer, F. Kurlbaum, etj.), është e mundur që në mënyrë eksperimentale të përcaktohet emetimi i një trupi të zi. Rezultatet e eksperimenteve të tilla në temperatura të ndryshme janë paraqitur në Fig. 1.4.

Nga këto konsiderata rezulton se kapaciteti absorbues dhe ngjyra e trupit janë të ndërlidhura.

3. Ligji i Kirchhoff-it.

Ligji i Kirchhoff-it. Duhet të ketë një lidhje midis vetive emetuese dhe absorbuese të çdo trupi. Në të vërtetë, në një eksperiment me rrezatimin termik të ekuilibrit (Fig. 1.1) p Ekuilibri në sistem mund të vendoset vetëm nëse çdo trup lëshon aq energji për njësi të kohës sa thith. Kjo do të thotë që trupat që thithin më intensivisht rrezatimin e çdo frekuence do ta emetojnë këtë rrezatim më intensivisht.

Prandaj, në përputhje me këtë parim të ekuilibrit të detajuar, raporti i fuqive emetuese dhe absorbuese është i njëjtë për të gjithë trupat në natyrë, duke përfshirë një trup të zi, dhe në një temperaturë të caktuar është i njëjtë. funksion universal frekuenca (gjatësi valore).

Ky ligj i rrezatimit termik, i vendosur në 1859 nga G. Kirchhoff kur merr në konsideratë ligjet termodinamike të sistemeve të ekuilibrit me rrezatim, mund të shkruhet si relacion

ku indekset 1, 2, 3... korrespondojnë me trupa të ndryshëm realë.

Nga ligji i Kirchhoff rrjedh se funksionet universale janë emetimi spektral i një trupi të zi në një shkallë frekuencash ose gjatësi vale, përkatësisht. Prandaj, lidhja midis tyre përcaktohet nga formula .

Rrezatimi i trupit të zi ka një karakter universal në teorinë e rrezatimit termik. Një trup i vërtetë gjithmonë lëshon më pak energji në çdo temperaturë sesa një trup absolutisht i zi. Duke ditur emetueshmërinë e një trupi të zi (funksioni universal Kirchhoff) dhe absorbueshmërinë e një trupi real, nga ligji i Kirchhoff-it mund të përcaktohet energjia e emetuar nga ky trup në çdo gamë frekuence ose gjatësi vale.

Kjo do të thotë se kjo energji e emetuar nga një trup përcaktohet si diferenca midis kapacitetit emetues të një trupi të zi dhe aftësisë absorbuese të një trupi real.

4. Ligji Stefan-Boltzmann

Ligji Stefan-Boltzmann. Studimet eksperimentale (1879 J. Stefan) dhe teorike (1884 L. Boltzmann) bënë të mundur vërtetimin ligj i rëndësishëm rrezatimi termik i një trupi krejtësisht të zi. Ky ligj thotë se shkëlqimi energjetik i një trupi të zi është proporcional me fuqinë e katërt të temperaturës së tij absolute, d.m.th.

Ky ligj përdoret shpesh në astronomi për të përcaktuar shkëlqimin e një ylli bazuar në temperaturën e tij. Për ta bërë këtë, është e nevojshme të kaloni nga dendësia e rrezatimit në një sasi të vëzhgueshme - fluks. Formula për fluksin e rrezatimit të integruar në spektër do të nxirret në kapitullin e tretë.

Sipas matjeve moderne, konstanta Stefan-Boltzmann W/(m2 (K4).

Për trupat e vërtetë Ligji Stefan-Boltzmann është i kënaqur vetëm në mënyrë cilësore, domethënë, me rritjen e temperaturës, ndriçimi energjetik i të gjithë trupave rritet. Megjithatë, për trupat realë varësia e ndriçimit energjetik nga temperatura nuk përshkruhet më me relacion të thjeshtë (1.7), por ka formën

Koeficienti në (1.8), gjithmonë më i vogël se uniteti, mund të quhet aftësia integrale absorbuese e trupit. Vlerat, në rast i përgjithshëm të varura nga temperatura janë të njohura për shumë materiale teknikisht të rëndësishme. Pra, në një gamë mjaft të gjerë të temperaturës për metalet, dhe për qymyrin dhe oksidet e metaleve.

Për trupat realë jo të zinj, ne mund të prezantojmë konceptin e temperaturës efektive të rrezatimit, e cila përkufizohet si temperatura e një trupi absolutisht të zi që ka të njëjtën ndriçim energjik, e cila është e njëjtë me trupin e vërtetë. Temperatura e trupit të rrezatimit është gjithmonë më e ulët se temperatura e vërtetë e trupit. Në të vërtetë, për një trup të vërtetë . Nga këtu ne gjejmë se , domethënë, pasi për trupat realë.

Temperatura e rrezatimit të trupave të nxehtë shumë të nxehtë mund të përcaktohet duke përdorur një pirometër rrezatimi (Fig. 1.5), në të cilin imazhi i një burimi mjaft të largët të nxehtë I projektohet duke përdorur një lente në marrësin P, në mënyrë që imazhi i emetuesit të mbivendoset plotësisht. marrësi. Bolometrat ose termoelementët metalikë ose gjysmëpërçues zakonisht përdoren për të vlerësuar energjinë e rrezatimit që bie në marrës. Veprimi i bolometrave bazohet në një ndryshim në rezistencën elektrike të një metali ose gjysmëpërçuesi me një ndryshim në temperaturën e shkaktuar nga thithja e një fluksi rrezatimi të rënë. Një ndryshim në temperaturën e sipërfaqes thithëse të termoelementeve çon në shfaqjen e termo-EMF në to.

Leximi i një pajisjeje të lidhur me një bolometër ose termoelement rezulton të jetë proporcional me incidentin e energjisë së rrezatimit në marrësin e pirometrit. Pasi të keni kalibruar më parë pirometrin sipas rrezatimit të një trupi të zi standard në temperatura të ndryshme, mund të përdorni shkallën e pajisjes për të matur temperaturat e rrezatimit të trupave të ndryshëm të nxehtë.

Duke ditur kapacitetin integral të absorbimit të materialit emetues, është e mundur të konvertohet temperatura e matur e rrezatimit të emetuesit në temperaturën e tij të vërtetë duke përdorur formulën

Në veçanti, nëse një pirometër rrezatimi tregon temperaturën K kur vëzhgon sipërfaqen e nxehtë të një emetuesi tungsteni (), atëherë temperatura e tij e vërtetë është K.

Nga kjo mund të konkludojmë se shkëlqimi i çdo trupi mund të përcaktohet nga temperatura e tij.

5. Ligji i zhvendosjes së Wien-it

Në 1893, fizikani gjerman W. Wien ekzaminoi teorikisht procesin termodinamik të ngjeshjes së rrezatimit të kufizuar në një zgavër me mure pasqyre të përsosura. Duke marrë parasysh ndryshimin në frekuencën e rrezatimit për shkak të efektit Doppler pas reflektimit nga një pasqyrë në lëvizje, Wien arriti në përfundimin se emetimi i një trupi plotësisht të zi duhet të ketë formën

(1.9)

Këtu është një funksion i caktuar, forma specifike e të cilit nuk mund të përcaktohet me metoda termodinamike.

Duke kaluar në këtë formulë të Wien nga frekuenca në gjatësinë e valës, në përputhje me rregullin e tranzicionit (1.3), marrim

(1.10)

Siç shihet, shprehja për emetim përfshin temperaturën vetëm në formën e një produkti. Vetëm kjo rrethanë bën të mundur parashikimin e disa veçorive të funksionit. Në veçanti, ky funksion arrin një maksimum në një gjatësi vale të caktuar, e cila, kur ndryshon temperatura e trupit, ndryshon në mënyrë që të plotësohet kushti: .

Kështu, V. Vin formuloi ligjin e rrezatimit termik, sipas të cilit gjatësia e valës në të cilën ndodh emetimi maksimal i një trupi absolutisht të zi është në përpjesëtim të zhdrejtë me temperaturë absolute. Ky ligj mund të shkruhet në formë

Vlera e konstantës në këtë ligj, e marrë nga eksperimentet, doli të jetë e barabartë me m mK.

Ligji i Wien-it quhet ligji i zhvendosjes, duke theksuar kështu se me rritjen e temperaturës së një trupi absolutisht të zi, pozicioni i maksimumit të emetimit të tij zhvendoset në rajonin e gjatësive të valëve të shkurtra. Rezultatet eksperimentale të treguara në Fig. 1.4 konfirmojnë këtë përfundim jo vetëm në mënyrë cilësore, por edhe sasiore, në mënyrë rigoroze në përputhje me formulën (1.11).

Për trupat realë, ligji i Wien-it është i kënaqur vetëm në mënyrë cilësore. Ndërsa temperatura e çdo trupi rritet, gjatësia e valës pranë së cilës trupi lëshon më shumë energji zhvendoset gjithashtu drejt gjatësive të valëve më të shkurtra. Megjithatë, kjo zhvendosje nuk përshkruhet më me formulën e thjeshtë (1.11), e cila për rrezatimin e trupave realë mund të përdoret vetëm si një vlerësim.

Nga ligji i zhvendosjes së Wien-it, rezulton se temperatura e një trupi dhe gjatësia e valës së emetimit të tij janë të ndërlidhura.

6. Formula Rayleigh-Jeans

Në rangun e frekuencave jashtëzakonisht të ulëta,

i quajtur rajoni Rayleigh–Jeans, dendësia e energjisë është proporcionale me temperaturën T dhe katrorin e frekuencës ω:

Në figurën 2.1.1 kjo zonë është shënuar RD. Formula Rayleigh-Jeans mund të nxirret thjesht

në mënyrë klasike, pa përfshirë koncepte kuantike. Sa më e lartë të jetë temperatura e trupit të zi, aq më i gjerë është diapazoni i frekuencës në të cilin kjo formulë është e vlefshme. Është shpjeguar në teoria klasike, por nuk mund të shtrihet në frekuenca të larta (vija e ndërprerë në Fig. 2.1.1), pasi dendësia e energjisë e mbledhur mbi spektrin në këtë rast është pafundësisht e madhe:

Kjo veçori e ligjit Rayleigh-Jeans quhet "katastrofa ultravjollcë".

Nga formula Rayleigh-Jeans është e qartë se temperatura e trupit nuk shtrihet në frekuenca të larta.

7. Formula e verës

Në rangun e frekuencës së lartë (rajoni B në Fig. 2.1.1), formula e Wien-it është e vlefshme:

Është e dukshme qartë se anën e djathtë ndryshon në mënyrë jo monotone. Nëse frekuenca nuk është shumë e lartë, atëherë faktori ω3 mbizotëron dhe funksioni Uω rritet. Ndërsa frekuenca rritet, rritja e Uω ngadalësohet, kalon në një maksimum dhe më pas zvogëlohet për shkak të faktorit eksponencial. Prania e një maksimumi në spektrin e emetimeve e dallon gamën e Wien nga rajoni Rayleigh-Jeans.

Sa më e lartë të jetë temperatura e trupit, aq më e lartë është frekuenca e ndërprerjes, nga e cila kryhet formula Wien. Vlera e parametrit a në eksponentin në anën e djathtë varet nga zgjedhja e njësive në të cilat maten temperatura dhe frekuenca.

Kjo do të thotë se formula e Wien-it kërkon përdorimin e ideve kuantike për natyrën e dritës.

Kështu i mora parasysh pyetjet e bëra për mua. Është e lehtë të shihet se ligjet ekzistuese të fizikës të shekullit të 19-të. ishin sipërfaqësore, nuk lidhnin së bashku të gjitha karakteristikat (gjatësia valore, temperatura, frekuenca etj.) e trupave fizikë. Të gjitha ligjet e mësipërme plotësonin njëra-tjetrën, por për një mirëkuptim të plotë këtë çështje ishte e nevojshme të përfshiheshin ide kuantike rreth natyrës së dritës.

Pjesa praktike

Siç e kam thënë shumë herë, fenomeni i një trupi absolutisht të zi nuk ekziston në asnjë rast në praktikë, ne nuk mund ta krijojmë dhe ta shohim atë. Megjithatë, ne mund të kryejmë një numër eksperimentesh që demonstrojnë llogaritjet teorike të mësipërme.

A mund të jetë e bardha më e zezë se e zeza? Le të fillojmë me një vëzhgim shumë të thjeshtë. Nëse vendosni copa letre të bardhë dhe të zezë krah për krah dhe krijoni errësirë ​​në dhomë. Është e qartë se atëherë nuk do të shihni një gjethe të vetme, domethënë, të dy do të jenë njësoj të zinj. Duket se në asnjë rrethanë letra e bardhë nuk mund të jetë më e zezë se e zeza. E megjithatë kjo nuk është kështu. Një trup që, në çdo temperaturë, thith plotësisht rrezatimin e çdo frekuence që ndodh në të quhet absolutisht i zi. Është e qartë se ky është një idealizim: nuk ka trupa absolutisht të zinj në natyrë. Trupat që ne zakonisht i quajmë të zinj (blozë, blozë, kadife e zezë dhe letra, etj.) në të vërtetë janë gri, d.m.th. pjesërisht thithin dhe shpërndajnë pjesërisht dritën që bie mbi to.

Rezulton se një zgavër sferike me një vrimë të vogël mund të shërbejë si një model plotësisht i mirë i një trupi absolutisht të zi. Nëse diametri i vrimës nuk kalon 1/10 e diametrit të zgavrës, atëherë (siç tregon llogaritja përkatëse) rrezja e dritës që hyn në vrimë mund të dalë prapa vetëm pas shpërndarjeve ose reflektimeve të shumta nga pika të ndryshme muret e zgavrës. Por me çdo “kontakt” të rrezes me murin, energjia e dritës absorbohet pjesërisht, kështu që fraksioni i asaj që kthehet nga Vrima e rrezatimit është jashtëzakonisht e vogël. Prandaj, mund të supozojmë se hapja e zgavrës thith pothuajse plotësisht dritën e çdo gjatësi vale, ashtu si një trup plotësisht i zi. Dhe vetë pajisja eksperimentale mund të bëhet, për shembull, si kjo. Kartoni duhet të ngjitet një kuti me përmasa afërsisht 100x100x100 mm me një kapak hapës. Pjesa e brendshme e kutisë duhet të jetë e mbuluar me letër të bardhë, dhe pjesa e jashtme duhet të lyhet me bojë të zezë, gouache, ose, akoma më mirë, të mbulohet me letër nga paketimet e fotografive. Ju duhet të bëni një vrimë në kapak me një diametër jo më shumë se 10 mm. Si eksperiment, duhet të ndriçoni kapakun e kutisë me një llambë tavoline, atëherë vrima do të duket më e zezë se kapaku i zi.

Për të vëzhguar thjesht një fenomen, mund ta bëni atë edhe më të thjeshtë (por më pak interesant). Ju duhet të merrni një filxhan prej porcelani të bardhë dhe ta mbuloni me një kapak letre të zezë me një vrimë të vogël - efekti do të jetë pothuajse i njëjtë.

Ju lutemi vini re se nëse shikoni dritaret nga rruga në një ditë të ndritshme me diell, ato na duken të errëta.

Nga rruga, profesori i Universitetit Princeton Eric Rogers, i cili shkroi "Fizika për kuriozët", botuar jo vetëm këtu, dha një "përshkrim" unik të një trupi absolutisht të zi: "Asnjë bojë e zezë në një lukunë qensh nuk duket më e zezë se dera e hapur. për një qen.”

Duke hequr ngjitësit nga dy kanaçe bosh identike dhe duke tymosur ose lyer njërën me bojë të zezë, duke e lënë tjetrën dritë, duke derdhur ujë të nxehtë në të dy kanaçe dhe duke parë se në cilën prej tyre uji ftohet më shpejt (eksperimenti mund të kryhet në errët); Do të vëzhgoni fenomenin e rrezatimit termik.

Ju gjithashtu mund të vëzhgoni fenomenin e rrezatimit termik duke parë funksionimin e një ngrohësi elektrik të dhomës, i përbërë nga një spirale inkandeshente dhe një sipërfaqe metalike konkave e lëmuar mirë.

Është interesante se:

Lidhja midis dritës dhe rrezeve të nxehtësisë është e njohur që nga lashtësia. Për më tepër, fjala "fokus" do të thotë latinisht"zjarri", "vatra", e cila kur aplikohet në pasqyra dhe thjerrëza konkave tregon vëmendjen kryesore ndaj përqendrimit të nxehtësisë dhe jo rrezeve të dritës. Ndër eksperimentet e shumta të shekujve 16-18, spikat eksperimenti i kryer nga Edmus Mariotte, në të cilin baruti ndizej nga rrezet e nxehtësisë së reflektuar. pasqyrë konkave bërë nga... akulli.

William Herschel i famshëm për zbulimin e tij planeti Uran Pasi zbuloi rrezet e padukshme - infra të kuqe - në spektrin e Diellit, ai u mahnit aq shumë sa heshti për të për njëzet vjet.

Por ai nuk kishte dyshim se Marsi është i banuar dhe i populluar... pas analiza spektrale tregoi praninë e shumë elementeve kimike në atmosferën e Diellit, duke përfshirë arin, një bankier i tha Kirchhoff-it: "Epo, ç'dobi ka ari juaj diellor, në fund të fundit, ai nuk mund të dorëzohet në Tokë!" Kaluan disa vite dhe Kirchhoff mori nga Anglia medalje ari dhe një çmim në para për kërkimin e tij të jashtëzakonshëm. Duke ia treguar këto para bankierit, ai tha: “Shiko, prapë ia dola

në fund të fundit

, merrni pak ar nga Dielli." Mbi varrin e Fraunhofer, i cili zbuloi linja të errëta në spektrin e Diellit dhe studioi spektrat e planetëve dhe yjeve, bashkatdhetarët mirënjohës ngritën një monument me mbishkrimin "Afroi yjet". E sjellë nga unë

shembuj praktik

konfirmojnë llogaritjet e pjesës teorike.

konkluzioni

I mora parasysh pyetjet e bëra për mua. Është e lehtë të shihet se ligjet ekzistuese të fizikës të shekullit të 19-të. ishin sipërfaqësore, nuk lidhnin së bashku të gjitha karakteristikat (gjatësia valore, temperatura, frekuenca etj.) e trupave fizikë. Të gjitha ligjet e mësipërme plotësonin njëri-tjetrin, por për të kuptuar plotësisht këtë çështje ishte e nevojshme të përfshiheshin koncepte kuantike për natyrën e dritës. Krijimi i teorisë kuantike bëri të mundur shpjegimin e shumë fenomeneve, siç është fenomeni i një trupi absolutisht të zi, d.m.th. një trup që thith plotësisht valët elektromagnetike të çdo gjatësi dhe, në përputhje me rrethanat, lëshon të gjitha gjatësitë e valëve elektromagnetike. Ai gjithashtu bëri të mundur shpjegimin e marrëdhënies midis përthithjes dhe ngjyrës së trupit, dhe varësisë së shkëlqimit të një trupi nga temperatura e tij. Më pas, këto dukuri u shpjeguan nga fizika klasike. E përmbusha qëllimin e punës sime - i ndërgjegjësova të gjithë për problemin e një trupi krejtësisht të zi. Për ta bërë këtë, unë përfundova detyrat e mëposhtme:

gjeti sa më shumë informacion të jetë e mundur për këtë problem;

studioi teorinë e trupit të zi;

konfirmoi eksperimentalisht konceptet dhe dukuritë teorike të paraqitura në abstrakt;

Për të shqyrtuar teorikisht ligjet e rrezatimit, ne përdorëm modelin e trupit të zi, d.m.th. një trup që thith plotësisht valët elektromagnetike të çdo gjatësi dhe, në përputhje me rrethanat, lëshon të gjitha gjatësitë e valëve elektromagnetike.

Lista e literaturës së përdorur:

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

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

Paradoksale. E zezë vrima sillet si trupi me një temperaturë të barabartë me absolute zero... sepse me ndihmën e zezë vrima... Kështu, e zezë vrima rrezaton si perfekte e zezë trupi(e kuptuar papritur...

AGJENCIA FEDERALE PËR ARSIM

shteti institucioni arsimor më të larta arsimi profesional

"UNIVERSITETI SHTETËROR I NAJTËS DHE GAZIT TYUMEN"

Abstrakt mbi disiplinën

"Optika teknike"

Tema: "Trup absolutisht i zi"

Plotësuar nga: studenti gr. OBDzs-07

Kobasnyan Stepan Sergeevich Kontrolluar nga: mësues i disiplinës

Sidorova Anastasia Eduardovna

Tyumen 2009

Trup absolutisht i zi- një abstraksion fizik i përdorur në termodinamikë, një trup që thith të gjithë rrezatimin elektromagnetik që bie mbi të në të gjitha vargjet dhe nuk reflekton asgjë. Pavarësisht emrit, një trup plotësisht i zi mund të lëshojë vetë rrezatim elektromagnetik të çdo frekuence dhe vizualisht të ketë ngjyrë. Spektri i rrezatimit të një trupi absolutisht të zi përcaktohet vetëm nga temperatura e tij.

Model trupi me ngjyrë të zezë

Ligjet e rrezatimit të trupit të zi

Qasje klasike

Studimi i ligjeve të rrezatimit të trupit të zi ishte një nga parakushtet për paraqitjen mekanika kuantike.

Ligji i parë i Vjenës i rrezatimit

Në 1893, Wilhelm Wien, bazuar në ide termodinamika klasike, nxorrën jashtë formulën e mëposhtme:

Nga formula e parë e Wien-it mund të nxirret ligji i zhvendosjes së Wien-it (ligji maksimal) dhe ligji Stefan-Boltzmann, por nuk mund të gjenden vlerat e konstantave të përfshira në këto ligje.

Historikisht, ishte ligji i parë i Wien-it që u quajt ligji i zhvendosjes, por aktualisht termi "ligji i zhvendosjes së Wien-it" i referohet ligjit maksimal.

Ligji i dytë i Vjenës i rrezatimit

Përvoja tregon se formula e dytë e Wien-it është e vlefshme vetëm në kufi frekuencave të larta(gjatësi vale të shkurtra). Është një rast i veçantë i ligjit të parë të Wien-it.

Më vonë, Max Planck tregoi se ligji i dytë i Wien-it rrjedh nga ligji i Plankut për energjitë e larta kuantike, dhe gjithashtu gjeti konstantet C 1 dhe C 2. Duke marrë parasysh këtë, ligji i dytë i Wien-it mund të shkruhet si:

Ligji Rayleigh-Jeans

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 midis 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 një katastrofë 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 e Planck-ut, e cila do të përkojë me formulën Rayleigh-Jeans për .

Ky fakt është një ilustrim i shkëlqyer i parimit të korrespondencës, sipas të cilit i ri teori fizike duhet të shpjegojë gjithçka që i vjetri ishte në gjendje të shpjegonte.

Ligji i Plankut

Varësia e fuqisë së rrezatimit të trupit të zi nga gjatësia e valës

Intensiteti i rrezatimit të një trupi absolutisht të zi, në varësi të temperaturës dhe frekuencës, përcaktohet nga Ligji i Plankut :

Ku I (ν) dν - fuqia e rrezatimit për njësi sipërfaqe të sipërfaqes rrezatuese në intervalin e frekuencës nga ν në ν + d ν.

Në mënyrë të barabartë,

,

Ku u (λ) dλ - fuqia e rrezatimit për njësi sipërfaqe të sipërfaqes emetuese në diapazonin e gjatësisë së valës nga λ në λ + d λ.

Ligji Stefan-Boltzmann

Energji totale përcaktohet rrezatimi termik Ligji Stefan-Boltzmann :

Ku jështë fuqia për njësi të sipërfaqes së sipërfaqes rrezatuese, dhe

W/(m²·K 4) ​​- Konstante Stefan-Boltzmann .

Kështu, një trup absolutisht i zi në 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.

Ligji i zhvendosjes së Wien-it

Gjatësia e valës në të cilën energjia e rrezatimit të një trupi plotësisht të zi është maksimale përcaktohet nga Ligji i zhvendosjes së Wien-it :

Ku Tështë temperatura në Kelvin, dhe λ max është gjatësia e valës me intensitet maksimal në metra.

Ngjyra e dukshme trupa absolutisht të zinj me temperatura të ndryshme paraqitur në diagram.

Rrezatimi i trupit të zi

Rrezatimi elektromagnetik që është në ekuilibër termodinamik me një trup të zi në një temperaturë të caktuar (për shembull, rrezatimi brenda një zgavër në një trup të zi) quhet rrezatim i trupit të zi (ose ekuilibrit termik). Rrezatimi termik i ekuilibrit është homogjen, izotrop dhe i papolarizuar, nuk ka transferim energjie në të, të gjitha karakteristikat e tij varen vetëm nga temperatura e emetuesit të trupit të zi (dhe, meqenëse rrezatimi i trupit të zi është në ekuilibri termik me një trup të caktuar, kjo temperaturë mund t'i atribuohet rrezatimit). Dendësia e madhe energjia e rrezatimit të trupit të zi është e barabartë me , presioni i tij është i barabartë me . I ashtuquajturi sfond mikrovalor kozmik, ose sfondi kozmik i mikrovalës, është shumë afër në vetitë e tij me rrezatimin e trupit të zi, një rrezatim që mbush Universin me një temperaturë prej rreth 3 K.

Kromatikiteti i trupit të zi

Shënim: Ngjyrat janë dhënë në krahasim me dritën e përhapur të ditës (D 65). Ngjyra e perceptuar aktuale mund të shtrembërohet nga përshtatja e syrit me kushtet e ndriçimit.

Një trup absolutisht i zi është një abstraksion fizik i përdorur në termodinamikë, një trup që thith të gjithë rrezatimin elektromagnetik që ka rënë mbi të në të gjitha vargjet dhe nuk reflekton asgjë. Pavarësisht emrit, një trup plotësisht i zi mund të lëshojë vetë rrezatim elektromagnetik të çdo frekuence dhe vizualisht të ketë ngjyrë. Spektri i rrezatimit të një trupi absolutisht të zi përcaktohet vetëm nga temperatura e tij.

Substancat reale më të zeza, për shembull, bloza, thithin deri në 99% të rrezatimit të rënë (d.m.th., kanë një albedo prej 0,01) në intervalin e gjatësisë së valës së dukshme, megjithatë rrezatimi infra të kuqe zhytur prej tyre shumë më keq. Ndër trupat e Sistemit Diellor, vetitë e një trupi absolutisht të zi në në masën më të madhe zotëron Diellin. Termi u prezantua nga Gustav Kirchhoff në 1862.

****** vizatoni një model trupi.*******

Model trupi me ngjyrë të zezë

Trupat absolutisht të zinj nuk ekzistojnë në natyrë, kështu që në fizikë përdoret një model për eksperimente. Është një zgavër e mbyllur me një vrimë të vogël. Drita që hyn përmes kësaj vrime, pas reflektimeve të përsëritura, do të absorbohet plotësisht dhe pjesa e jashtme e vrimës do të duket plotësisht e zezë. Por kur kjo zgavër nxehet, ajo do të zhvillojë rrezatimin e vet të dukshëm.

Ligji i parë i Vjenës i rrezatimit

Më 1893, Wilhelm Wien.

Formula e parë e Wien-it është e vlefshme për të gjitha frekuencat. Çdo formulë më specifike (për shembull, ligji i Planck-ut) duhet të plotësojë formulën e parë të Wien-it.

Ligji i dytë i Vjenës i rrezatimit

Në 1896, Wien nxori ligjin e dytë bazuar në supozime shtesë:

Formula e dytë e Wien-it është e vlefshme vetëm në kufirin e frekuencave të larta (gjatësi vale të shkurtra). Është një rast i veçantë i ligjit të parë të Wien-it.

Ligji Rayleigh-Jeans

Një përpjekje për të përshkruar rrezatimin e një trupi plotësisht të zi bazuar në parimet klasike termodinamika dhe elektrodinamika çon në ligjin Rayleigh-Jeans:

Në praktikë, një ligj i tillë do të nënkuptonte pamundësinë e ekuilibrit termodinamik midis materies dhe rrezatimit, pasi sipas tij e gjithë energjia termike do të duhej të shndërrohej në energji rrezatimi në rajonin me valë të shkurtër të spektrit. Ky fenomen hipotetik u quajt një katastrofë ultravjollcë.

Ligji i Planck-ut përcakton intensitetin e rrezatimit të një trupi plotësisht të zi në varësi të temperaturës dhe frekuencës

Ligji Stefan-Boltzmann përcakton energjinë totale të rrezatimit termik të përcaktuar nga ligji

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:

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).

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. (Trup absolutisht i zi - si shumë koncepte të tjera dukuritë fizike- objekti është 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.)

Sidoqoftë, me siguri keni parë analoge mjaft të afërta të një trupi të zi në realitet. Në një oxhak, për shembull, ndodh që disa trungje janë grumbulluar 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 brenda zgavrës së djegur grumbullohet nxehtësia (rrezatimi infra i kuq) dhe drita, dhe këto rreze reflektohen në mënyrë të përsëritur nga muret e zgavrës përpara se të dalin jashtë. 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 trupit të zi mbetet e njëjtë, megjithëse ajo absorbohet dhe emetohet atome të ndryshme trupat.

Deri në këtë moment, sjellja e trupit të zi mbetet mjaft e kuptueshme. Problemet brenda 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 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.

Të marra së bashku, këto dy përfundime çuan në një rezultat të paimagjinueshëm: energjia e rrezatimit brenda një trupi të zi duhet të jetë e pafundme! Kjo tallje e keqe me ligjet e fizikës klasike u dublua fatkeqësi ultravjollcë, meqenëse rrezatimi me frekuencë të lartë shtrihet në pjesën ultravjollcë të spektrit.

Rendi u rivendos nga fizikani gjerman Max Planck ( cm. Konstanta e Planck-ut) - ai tregoi se problemi hiqet nëse supozojmë se atomet mund të thithin dhe lëshojnë dritë vetëm në pjesë dhe vetëm në frekuenca të caktuara. (Albert Einstein më vonë e përgjithësoi këtë ide duke prezantuar konceptin fotone- pjesë të përcaktuara rreptësisht të rrezatimit të dritës.) Sipas kësaj skeme, parashikohen shumë frekuenca të rrezatimit fizikës klasike, thjesht nuk mund të ekzistojë brenda një trupi të zi, pasi atomet nuk janë në gjendje as t'i thithin ose t'i lëshojnë ato; Prandaj, këto frekuenca përjashtohen nga konsiderata kur llogaritet rrezatimi i ekuilibrit brenda një trupi të zi. Duke lënë vetëm frekuencat e lejuara, Planck e pengoi fatkeqësi ultravjollcë dhe e drejtoi shkencën në rrugën e 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 materiali relikt që kishin zbuluar rrezatimi me mikrovalë (cm. Big Bang) i bindet saktësisht shpërndarjes Planck për sa i përket saj karakteristikat spektrale dhe korrespondon me rrezatimin e trupit të zi në një temperaturë prej rreth tre gradë mbi zero absolute.

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 "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 në të gjithë 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, thith rreth 99% të rrezatimit 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, ky problem u bë një nga parakushtet për shfaqjen e mekanikës 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 e ngopjes së ekuilibrit 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 gjente 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 e zgjidh problemin energji e pafund ekuacionin e kërkuar.

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 krejtësisht 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 sipërfaqe e brendshme nxehet në një temperaturë të caktuar trup opak 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 gjatësi valë elektromagnetike, mund të përhapet në të. Në të vërtetë, nëse gjatësia e valës madhësive më të mëdha trup i zi, atëherë ajo thjesht nuk do të jetë në gjendje të shikojë larg nga muret në të. Ky fakt është veçanërisht i rëndësishëm në kozmologji, kur modelohet universi në formën e një trupi absolutisht të zi. fazat e hershme zhvillimi, 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 është i përshkuar me të ashtuquajturat rrezatimi kozmik i sfondit të mikrovalës, afër rrezatimit të trupit të zi me temperaturë 3K. Krahasimi i rrezatimit total të yjeve me rrezatimin e një trupi të tillë na lejon të vlerësojmë përafërsisht temperatura efektive yjet. Devijimi i rrezatimit të yllit nga ai i një trupi të zi është shpesh mjaft i dukshëm. Në thellësitë e Diellit dhe yjeve, të ngrohur në dhjetëra miliona gradë, rrezatimi korrespondon me një rrezatim të tillë me saktësi të lartë.
Për zbatim praktik Për modelin e trupit të zi, është e nevojshme të sigurohet mundësia e ngrohjes uniforme të mureve të zgavrës dhe rrezatimit që del 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 midis mureve përdorej si "banjë e temperaturës" për të mbajtur një temperaturë të caktuar dhe uniforme. Kjo arrihej duke kaluar avullin përmes ujit të vluar ose temperaturat e ulëta– duke u mbushur me akull, dioksid karboni të ngurtë, ajër të lëngët etj.
Për të studiuar rrezatimin në temperaturat e larta u përdor një trup i zi me një dizajn tjetër. Një cilindër i bërë nga fletë platini, përmes të cilit rrymë elektrike, nevojitet për ngrohje uniforme të cilindrit të brendshëm prej porcelani. Temperatura brenda cilindrit matej me një termoelement dhe diafragmat penguan ftohjen nga ajri depërtues.
Duke përdorur pajisje të ngjashme të thjeshta - modele të trupit të zi, u studiuan eksperimentalisht ligjet e rrezatimit, u përcaktuan me saktësi konstantet e tij dhe u studiua shpërndarja spektrale e shkëlqimit.