"Mutlak siyah cisim" kavramı Alman fizikçi Gustav Kirchhoff tarafından ortaya atıldı. 19. yüzyılın ortaları yüzyıl. Böyle bir kavramı tanıtma ihtiyacı teorinin gelişimiyle ilişkilendirildi termal radyasyon.
Kesinlikle siyah gövde- Üzerine gelen tüm elektromanyetik radyasyonu tüm dalga boyu aralıklarında emen ve hiçbir şeyi yansıtmayan idealleştirilmiş bir cisim.
Böylece gelen herhangi bir radyasyonun enerjisi tamamen siyah cisme aktarılır ve ona dönüştürülür. iç enerji. Absorbsiyonla eş zamanlı olarak kara cisim de elektromanyetik radyasyon yayar ve enerji kaybeder. Üstelik bu radyasyonun gücü ve spektral aralığı yalnızca siyah cismin sıcaklığıyla belirlenir. Kızılötesi, görünür, ultraviyole ve diğer aralıklarda ne kadar radyasyon yaydığını belirleyen, siyah cismin sıcaklığıdır. Bu nedenle kara cisim, ismine rağmen yeterince yüksek sıcaklık görünür aralıkta yayılacak ve görsel olarak renkli olacaktır. Güneşimiz, 5800°C sıcaklığa kadar ısıtılan, özellikleri siyah cisme yakın olan bir cismin örneğidir.
Doğada kesinlikle siyah cisimler yoktur, bu nedenle fizikte deneyler için bir model kullanılır. Çoğu zaman küçük bir giriş deliğine sahip kapalı bir oyuktur. Bu delikten giren radyasyon tekrar tekrar yansıdıktan sonra duvarlar tarafından tamamen emilir. Deliğe giren radyasyonun hiçbir kısmı buradan geri yansıtılmaz; bu, kara cisim tanımına karşılık gelir (tamamen soğurma ve yansıma yok). Bu durumda boşluğun sıcaklığına karşılık gelen kendi radyasyonu vardır. Boşluğun iç duvarlarının kendi radyasyonu da aynı zamanda büyük miktar yeni soğurmalar ve emisyonlar varsa, o zaman boşluğun içindeki radyasyonun duvarlarla termodinamik dengede olduğunu söyleyebiliriz. Bu denge radyasyonunun özellikleri yalnızca boşluk sıcaklığı (CBT) ile belirlenir: Stefan-Boltzmann yasasına göre toplam (tüm dalga boylarında) radyasyon enerjisi ve radyasyon enerjisinin dalga boyları üzerindeki dağılımı Planck formülü ile tanımlanır.
Doğada kesinlikle siyah cisimler yoktur. Özellikleri bakımından yalnızca tamamen siyaha en yakın olan vücut örnekleri vardır. Örneğin kurum, üzerine düşen ışığın %99'unu emebilir. Malzeme yüzeyinin özel pürüzlülüğünün yansımaları en aza indirmeyi mümkün kıldığı açıktır. Siyah kadife siyahı gibi nesneleri görmemiz, çoklu yansıma ve ardından soğurma sayesinde gerçekleşir.
Bir keresinde termal görüntülemeye başlamadan önce çalışma fırsatı bulduğum St. Petersburg'daki Gillette tıraş bıçaklarının üretiminde siyah cisme çok yakın bir nesneyle karşılaşmıştım. Klasik çift taraflı jilet V teknolojik süreç Bir pakette 3000 bıçağa kadar “bıçaklar” halinde toplanırlar. Yan yüzey Birbirine sıkıca bastırılmış çok sayıda keskinleştirilmiş bıçaktan oluşan bu bıçağın rengi kadifemsi siyahtır, ancak her bir çelik bıçağın parlak, keskinleştirilmiş bir çelik kenarı vardır. Güneşli havalarda pencere pervazına bırakılan bir bıçak bloğu 80°C'ye kadar sıcaklıklara ulaşabilir. Aynı zamanda, tek tek bıçaklar yansıttıkları gibi pratikte ısınmadı çoğu radyasyon. Cıvata ve saplamalardaki dişler benzer yüzey şekline sahiptir; emisyon değerleri pürüzsüz bir yüzeye göre daha yüksektir. Bu özellik genellikle elektrikli ekipmanların termal görüntüleme testlerinde kullanılır.
Bilim insanları mutlak siyah cisimlerin özelliklerine yakın özelliklere sahip materyaller yaratmaya çalışıyor. Örneğin optik aralıkta önemli sonuçlar elde edildi. 2004 yılında İngiltere'de mikro gözenekli bir kaplama olan ve yansıtma oranı %0,16-0,18 olan bir nikel ve fosfor alaşımı geliştirildi. Bu malzeme Guinness Rekorlar Kitabı'nda dünyanın en siyah malzemesi olarak listelendi. 2008 yılında Amerikalı bilim adamları kurdular. yeni kayıt- Dikey karbon tüplerden oluşan, büyüttükleri ince film, radyasyonu neredeyse tamamen emer ve onu% 0,045 oranında yansıtır. Böyle bir tüpün çapı on nanometredir ve uzunluğu on ila birkaç yüz mikrometre arasındadır. Oluşturulan malzeme gevşek, kadifemsi bir yapıya ve pürüzlü bir yüzeye sahiptir.
Her kızılötesi cihaz, siyah gövde model(ler)ine göre kalibre edilir. Sıcaklık ölçüm doğruluğu hiçbir zaman kalibrasyon doğruluğundan daha iyi olamaz. Bu nedenle kalibrasyonun kalitesi çok önemlidir. Referans yayıcılar kullanılarak yapılan kalibrasyon (veya doğrulama) sırasında, termal görüntüleme cihazının veya pirometrenin tüm ölçüm aralığındaki sıcaklıklar yeniden üretilir. Uygulamada, referans termal yayıcılar aşağıdaki tiplerde siyah gövde modeli biçiminde kullanılır:
Kara cismin boşluk modelleri. Küçük bir giriş deliği olan bir boşlukları vardır. Kavitedeki sıcaklık yüksek doğrulukla ayarlanır, korunur ve ölçülür. Bu tür yayıcılar yüksek sıcaklıklar üretebilir.
Siyah gövdenin uzatılmış veya düzlemsel modelleri. Yüksek emisyona (düşük yansıma) sahip bir bileşimle boyanmış bir platforma sahiptirler. Saha sıcaklığı yüksek doğrulukla ayarlanır, korunur ve ölçülür. Bu tür yayıcılarda düşük negatif sıcaklıklar üretilebilir.
İçe aktarılan siyah gövde modelleri hakkında bilgi ararken "siyah gövde" terimini kullanın. Bir termal görüntüleme cihazını test etme, kalibre etme ve doğrulama arasındaki farkı anlamak da önemlidir. Bu prosedürler web sitesinde termal görüntüleme cihazları bölümünde ayrıntılı olarak açıklanmaktadır.
Kullanılan materyaller: Vikipedi; TSB; Kızılötesi Eğitim Merkezi (ITC); Fluke Kalibrasyonu
Tamamen siyah bir beden zihinsel bir fizikseldir. idealleştirilmiş nesne. İlginç bir şekilde, aslında siyah olması gerekmiyor. Burada mesele farklı.
Albedo
Hepimiz hatırlıyoruz (ya da en azından hatırlamalıyız) okul kursu fizikçiler "albedo" kavramının bir cismin yüzeyinin ışığı yansıtma yeteneğini ifade ettiğini söylüyor. Örneğin, kar örtüleri Gezegenimizin buzulları, üzerlerine düşenlerin %90'ını yansıtabilme kapasitesine sahiptir. güneş ışığı. Bu onların yüksek bir albedo ile karakterize oldukları anlamına gelir. Kutup istasyonlarındaki çalışanların sıklıkla güneş gözlükleriyle çalışmaya zorlanması şaşırtıcı değil. Sonuçta şuna bakın saf kar- neredeyse Güneş'i çıplak gözle izlemekle aynı. Bu bağlamda, kayıt yansıması güneş sistemi Satürn'ün neredeyse tamamı su buzundan oluşan uydusu Enceladus beyaz ve neredeyse tüm radyasyon olayını yüzeyine yansıtır. Öte yandan is gibi bir maddenin albedosu %1'den azdır. Yani yaklaşık %99'unu emer elektromanyetik radyasyon.
Kesinlikle siyah gövde: açıklama
İşte geldik en önemli şeye. Elbette okuyucu, tamamen siyah bir cismin, yüzeyinin üzerine gelen tüm radyasyonu kesinlikle absorbe edebilen bir nesne olduğunu tahmin etmiştir. Ancak bu, böyle bir nesnenin görünmez olacağı ve prensip olarak ışık yayamayacağı anlamına gelmez. Hayır kara delikle karıştırılmamalı. Renkli olabilir ve hatta oldukça görünür olabilir, ancak tamamen siyah bir cismin radyasyonu her zaman kendi sıcaklığına göre belirlenecektir, ancak yansıyan ışık tarafından belirlenmeyecektir. Bu arada, bu sadece insan gözünün görebildiği spektrumu değil aynı zamanda ultraviyole, kızılötesi radyasyon, radyo dalgaları, X ışınları, gama radyasyonu vb.'yi de hesaba katıyor. Daha önce de belirtildiği gibi doğada tamamen siyah bir cisim yoktur. Ancak bizim özelliklerimiz yıldız sistemi En eksiksiz cevap, ışık yayan ancak neredeyse hiç yansıtmayan (diğer yıldızlardan yayılan) Güneş'tir.
Laboratuvar idealleştirmesi
O zamandan bu yana ışığı hiç yansıtmayan nesneler üretmeye yönelik girişimlerde bulunuldu. XIX sonu yüzyıl. Aslında bu görev ortaya çıkışının ön koşullarından biri haline geldi. kuantum mekaniği. Her şeyden önce, bir atom tarafından emilen herhangi bir fotonun (veya herhangi bir elektromanyetik radyasyon parçacığının) hemen kendisi tarafından yayıldığını, komşu atom tarafından emildiğini ve tekrar yayıldığını not etmek önemlidir. Bu süreç vücutta denge doygunluğu durumuna ulaşılıncaya kadar devam edecektir. Ancak siyah bir cisim benzer bir denge durumuna ısıtıldığında yaydığı ışığın şiddeti, emdiği ışığın yoğunluğuna eşit olur.
Bilim camiasında, siyah bir cismin içinde dengede depolanan bu radyasyon enerjisinin ne olması gerektiğini hesaplamaya çalışırken bir sorun ortaya çıkıyor. Ve işte muhteşem bir an geliyor. Enerjinin denge durumundaki tamamen siyah bir cismin spektrumundaki dağılımı, içindeki radyasyon enerjisinin gerçek sonsuzluğu anlamına gelir. Bu soruna ultraviyole felaketi adı verildi.
Planck'ın çözümü
Bu soruna kabul edilebilir bir çözüm bulmayı başaran ilk kişi Alman fizikçi Max Planck oldu. Herhangi bir radyasyonun atomlar tarafından sürekli olarak değil, ayrı ayrı emildiğini öne sürdü. Yani porsiyonlar halinde. Daha sonra bu tür parçalara foton adı verildi. Üstelik radyomanyetik dalgalar yalnızca belirli frekanslardaki atomlar tarafından absorbe edilebilir. Uygun olmayan frekanslar basitçe geçer ve bu da gerekli denklemin sonsuz enerjisi problemini çözer.
Belirli aralıklarda üzerine gelen radyasyonun %99,965'ini emer görünür ışık, mikrodalgalar ve radyo dalgaları.
"Mutlak siyah cisim" terimi 1862'de Gustav Kirchhoff tarafından tanıtıldı.
Ansiklopedik YouTube
1 / 5
✪ Aptallar için fizik. Ders 59. Kesinlikle siyah cisim
✪ Kesinlikle siyah gövde
✪ Kara cisim ışınımı
✪ Temel parçacıklar| kesinlikle siyah vücut
✪ Kesinlikle siyah gövde
Altyazılar
Pratik model
Kara cisim ışınımı yasalarının incelenmesi, kuantum mekaniğinin ortaya çıkışının ön koşullarından biriydi.
Wien'in birinci radyasyon yasası
k- Boltzmann sabiti, C- ışığın boşluktaki hızı.Rayleigh-Jeans yasası
Tamamen siyah bir cismin radyasyonunu tanımlamaya yönelik bir girişim klasik ilkeler termodinamik ve elektrodinamik Rayleigh-Jeans yasasına yol açar:
u (ω , T) = k T ω 2 π 2 c 3 (\displaystyle u(\omega ,T)=kT(\frac (\omega ^(2))(\pi ^(2)c^(3) )))Bu formül, frekansına bağlı olarak radyasyonun spektral yoğunluğunda ikinci dereceden bir artış olduğunu varsayar. Uygulamada böyle bir yasa, madde ve radyasyon arasında termodinamik dengenin imkansızlığı anlamına gelecektir, çünkü ona göre termal enerji spektrumun kısa dalga bölgesinde radyasyon enerjisine dönüşmesi gerekir. Bu varsayımsal olaya ultraviyole felaketi adı verildi.
Bununla birlikte Rayleigh-Jeans radyasyon kanunu spektrumun uzun dalga bölgesi için geçerlidir ve radyasyonun doğasını yeterince açıklamaktadır. Bu tür bir yazışmanın gerçeği, yalnızca radyasyonun ayrı ayrı meydana geldiği kuantum mekaniksel bir yaklaşım kullanılarak açıklanabilir. dayalı kuantum yasaları Rayleigh-Jeans formülüyle örtüşecek olan Planck formülünü elde edebilirsiniz. ℏ ω / k T ≪ 1 (\displaystyle \hbar \omega /kT\ll 1).
Bu gerçek, yeni bir fiziksel teorinin, eskisinin açıklayabildiği her şeyi açıklaması gerektiğini öngören uygunluk ilkesinin mükemmel bir örneğidir.
Planck yasası
Tamamen siyah bir cismin sıcaklık ve frekansa bağlı olarak radyasyon yoğunluğu şu şekilde belirlenir: Planck yasası :
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)))Nerede R (ν , T) (\displaystyle R(\nu ,T))- birim frekans aralığında yayılan yüzeyin birim alanı başına radyasyon gücü (SI cinsinden boyut: J s −1 m −2 Hz −1).
Hangisi eşdeğerdir,
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)) \over \lambda ^ (5))(1 \üzerinde e^(hc/\lambda kT)-1),)Nerede R (λ , T) (\displaystyle R(\lambda ,T))- birim dalga boyu aralığında yayan yüzeyin birim alanı başına radyasyon gücü (SI cinsinden boyut: J s −1 m −2 m −1).
Stefan-Boltzmann yasası
Termal radyasyonun toplam enerjisi, Stefan-Boltzmann yasasına göre belirlenir:
j = σ T 4 , (\displaystyle j=\sigma T^(4),)Nerede j (\displaystyle j) yayılan yüzeyin birim alanı başına güçtür ve
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) - Stefan-Boltzmann sabiti.Böylece tamamen siyah bir cisim T (\displaystyle T)= 100 K 5,67 watt yayar metrekare onun yüzeyi. 1000 K sıcaklıkta radyasyon gücü metrekare başına 56,7 kilowatt'a yükselir.
Siyah olmayan cisimler için yaklaşık olarak şunu yazabiliriz:
j = ϵ σ T 4 , (\displaystyle j=\epsilon \sigma T^(4),\ )Nerede ϵ (\displaystyle \epsilon)- siyahlık derecesi. Tüm maddeler için ϵ < 1 {\displaystyle \epsilon <1} tamamen siyah bir gövde için ϵ = 1 (\displaystyle \epsilon =1), diğer nesneler için Kirchhoff yasasına göre, emisyon derecesi emme katsayısına eşittir: ϵ = α = 1 − ρ − τ (\displaystyle \epsilon =\alpha =1-\rho -\tau ), Nerede α (\displaystyle \alpha )- emilim katsayısı, ρ (\displaystyle \rho)- yansıma katsayısı ve τ (\displaystyle \tau)- geçirgenlik. Bu nedenle termal radyasyonu azaltmak için yüzey beyaza boyanır veya parlak bir kaplama uygulanır, arttırmak için ise karartılır.
Stefan-Boltzmann sabiti σ (\displaystyle \sigma) Planck formülü kullanılarak teorik olarak yalnızca kuantum değerlendirmelerinden hesaplanabilir. Aynı zamanda formülün genel şekli klasik düşüncelerden elde edilebilir (bu, ultraviyole felaketi sorununu ortadan kaldırmaz).
Wien'in yer değiştirme yasası
Tamamen siyah bir cismin radyasyon enerjisinin maksimum olduğu dalga boyu şu şekilde belirlenir: Wien'in yer değiştirme yasası:
λ maks = 0,002 8999 T (\displaystyle \lambda _(\max )=(\frac (0(,)0028999)(T)))Nerede T (\displaystyle T)- Kelvin cinsinden sıcaklık ve λ maksimum (\displaystyle \lambda _(\max ))- metre cinsinden maksimum yoğunluğa sahip dalga boyu.
Dolayısıyla, ilk yaklaşım olarak insan derisinin özellik bakımından tamamen siyah bir cisme yakın olduğunu varsayarsak, 36 °C (309 K) sıcaklıktaki radyasyon spektrumunun maksimumu 9400 nm dalga boyundadır ( spektrumun kızılötesi bölgesi).
| P = a 3 T 4 , (\displaystyle P=(\frac (a)(3))T^(4),) | (Durum termal denklemi) |
| U = a V T 4 , (\displaystyle U=aVT^(4),) | (İç enerji için kalorik durum denklemi) |
| U = a V (3 S 4 a V) 4 3 , (\displaystyle U=aV\left((\frac (3S)(4aV))\right)^(\mathsf (\frac (4)(3)) ),) | (İç enerji için kanonik durum denklemi) |
| H = (3 P a) 1 4 S , (\displaystyle H=\left((\frac (3P)(a))\right)^(\mathsf (\frac (1)(4)))S,) | entalpi) |
| F = − 1 3 a V T 4 , (\displaystyle F=-(\frac (1)(3))aVT^(4),) | (Helmholtz potansiyeli için kanonik durum denklemi) |
| Ω = − 1 3 α V T 4 , (\displaystyle \Omega =-(\frac (1)(3))\alpha VT^(4),) | (Landau potansiyeli için kanonik durum denklemi) |
| S = 4 a 3 V T 3 , (\displaystyle S=(\frac (4a)(3))VT^(3),) | (Entropi) |
| C V = 4 a V T 3 , (\displaystyle C_(V)=4aVT^(3),) | (Sabit hacimde ısı kapasitesi) |
| γ = ∞ , (\displaystyle \gamma =\infty ,) | ( |
Terim 1862'de Gustav Kirchhoff tarafından icat edildi.
Siyah cisim radyasyonunun sıcaklığa ve frekansa bağlı yoğunluğu Planck yasasına göre belirlenir:
Nerede BEN (?) D ? – frekans aralığında birim katı açı başına yayan yüzeyin birim alanı başına radyasyon gücü? ile? + D ?
Termal radyasyonun toplam enerjisi Stefan-Boltzmann yasasına göre belirlenir:
Nerede F yayılan yüzeyin birim alanı başına güçtür ve
W / (m2K4) – Stefan-Boltzmann oldu.
Radyasyon enerjisinin maksimum olduğu dalga boyu Wien'in yer değiştirme yasasıyla belirlenir:
Nerede T Kelvin cinsinden sıcaklık ve ? maksimum– metre cinsinden maksimum yoğunluğa sahip dalga boyu.
Tamamen siyah cisimlerin farklı sıcaklıklarda görünen rengi sağdaki diyagramda gösterilmiştir.
Tamamen siyah bir cisimde ışık ışınlarının hareketi Belirli bir sıcaklığa ısıtılan opak bir cismin iç yüzeyini bir boşluk ve küçük bir delik ile dönüştürerek yapay olarak neredeyse tamamen siyah bir cisim üretmek mümkündür. A deliğinden C boşluğuna geçen herhangi bir ışın pratikte geri dönmez ve bu nedenle birden fazla yansıma ve soğurma ile karşılaşır. Yani A deliği ışınları tamamen siyah bir cisim gibi emer.
Kesinlikle siyah bir cismin geometrik boyutlarının, içinde yayılabilen elektromanyetik dalganın uzunluğu üzerinde doğal kısıtlamalar getirdiğine dikkat edilmelidir. Aslında, eğer dalga boyu siyah cismin boyutundan büyükse, o zaman içindeki duvarlardan görülemez. Bu gerçek, kozmolojide, özellikle kozmik mikrodalga arka plan ışınımı göz önüne alındığında, gelişimin erken aşamalarında Evreni tamamen siyah bir cisim şeklinde modellerken özellikle önemlidir.
Mutlak siyah cisim kavramı astrofizikte yaygın olarak kullanılmaktadır. Güneş'in radyasyonu, 6000K sıcaklıktaki böyle bir cismin radyasyonuna yakındır. Tüm Evren, 3K sıcaklıktaki tamamen siyah bir cismin radyasyonuna yakın olan, kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu olarak adlandırılan radyasyonla kaplıdır. Yıldızların toplam ışınımını böyle bir cismin ışınımıyla karşılaştırmak, yıldızın etkin sıcaklığını yaklaşık olarak tahmin etmemizi sağlar. Yıldızın radyasyonunun siyah bir cismin radyasyonundan sapması genellikle oldukça dikkat çekicidir. On milyonlarca dereceye kadar ısıtılan Güneş'in ve yıldızların derinliklerinde, radyasyon bu tür radyasyona yüksek doğrulukla karşılık gelir.
Kara cisim modelinin pratik uygulaması için, boşluğun duvarlarının eşit şekilde ısıtılması ve radyasyonun küçük bir delikten dışarı çıkması olasılığının sağlanması gerekir. Siyah cismin ilk deneysel örneklerinden biri Lummer ve Pringsheim tarafından yapılan bir cihazdı. Çift cidarlı (bir termostata benzer) metal bir kaptı. Duvarlar arasındaki boşluk, belirli ve eşit bir sıcaklığı korumak için “sıcaklık banyosu” olarak kullanıldı. Bu, buharın kaynar sudan geçirilmesiyle veya düşük sıcaklıklar için buz, katı karbon dioksit, sıvı hava vb. ile doldurulmasıyla elde edildi.
Yüksek sıcaklıklarda radyasyonu incelemek için farklı tasarımlı bir siyah gövde kullanıldı. İç porselen silindirin eşit şekilde ısıtılması için içinden elektrik akımı sağlanan platin plakalı bir silindire ihtiyaç vardır. Silindirin içindeki sıcaklık bir termokupl ile ölçüldü ve diyaframlar içeri giren havanın soğumasını önledi.
Bu kadar basit cihazların - siyah cisim modellerinin - yardımıyla radyasyon yasaları deneysel olarak incelendi, sabitleri kesin olarak belirlendi ve parlaklığın spektral dağılımı incelendi.
Tamamen siyah bir gövde, ısıtıldığında herhangi bir frekansın elektromanyetik radyasyonunu tamamen emer, tüm frekans spektrumuna eşit olarak dağılmış dalgalar şeklinde enerji yayar.
19. yüzyılın sonuna gelindiğinde, elektromanyetik radyasyonun (özellikle ışığın) madde atomlarıyla etkileşimini inceleyen bilim adamları, yalnızca kuantum mekaniği çerçevesinde çözülebilecek ciddi problemlerle karşılaştılar ve bu problemler birçok yönden ortaya çıktı. bu sorunların ortaya çıktığı gerçeğine. Bu sorunlardan ilkini ve belki de en ciddisini anlamak için, iç yüzeyi aynalı olan büyük bir kara kutuyu ve duvarlardan birinde küçük bir delik açıldığını hayal edin. Mikroskobik bir delikten kutunun içine giren ışık ışını sonsuza kadar içeride kalır ve duvarlardan sonsuz bir şekilde yansır. Işığı yansıtmayan ancak onu tamamen emen bir nesne siyah görünür, bu yüzden ona genellikle siyah cisim denir. (Diğer birçok kavramsal fiziksel fenomen gibi siyah bir cisim de tamamen varsayımsal bir nesnedir; ancak örneğin, ışığın tek bir küçük delikten nüfuz ettiği, içeriden yansıtılan içi boş, eşit şekilde ısıtılan bir küre iyi bir yaklaşımdır.)
Doğada kesinlikle siyah cisimler yoktur, bu nedenle fizikte deneyler için bir model kullanılır. Duvarları aynı sıcaklığa sahip, küçük bir deliğe sahip, opak kapalı bir oyuktur. Bu delikten giren ışık, tekrarlanan yansımalardan sonra tamamen soğurulacak ve delik dışarıdan tamamen siyah görünecektir. Ancak bu boşluk ısıtıldığında kendi görünür radyasyonunu geliştirecektir. Boşluğun iç duvarları tarafından yayılan radyasyon, ayrılmadan önce (sonuçta delik çok küçüktür), vakaların ezici çoğunluğunda büyük miktarda yeni emilim ve radyasyona maruz kalacağı için, şunu güvenle söyleyebiliriz: Boşluk içindeki radyasyon duvarlarla termodinamik dengededir. (Aslında delik bu model için hiç önemli değil, yalnızca içeride bulunan radyasyonun temel gözlemlenebilirliğini vurgulamak için gereklidir; örneğin delik tamamen kapatılabilir ve ancak denge zaten sağlandığında hızlı bir şekilde açılabilir. kurulur ve ölçüm yapılır). |
Bununla birlikte, muhtemelen gerçekte siyah bir cismin oldukça yakın analoglarını görmüşsünüzdür. Örneğin bir şöminede, birkaç kütüğün neredeyse birbirine sıkı bir şekilde istiflendiği ve içlerinde oldukça büyük bir boşluğun yandığı görülür. Kütüklerin dışı karanlık kalır ve parlamaz, yanmış boşluğun içinde ısı birikir ( kızılötesi radyasyon) ve ışıktır ve kırılmadan önce bu ışınlar boşluğun duvarlarından birçok kez yansıtılır. Bu tür kütüklerin arasındaki boşluğa bakarsanız, parlak sarı-turuncu yüksek sıcaklıkta bir parıltı göreceksiniz ve oradan kelimenin tam anlamıyla ısıyla parıldayacaksınız. Işınlar, tıpkı ışığın yukarıda açıklanan kara kutu tarafından tamamen tutulup emilmesi gibi, kütükler arasında bir süreliğine sıkışıp kaldı.
Böyle bir kara kutunun modeli, siyah bir cisim tarafından emilen ışığın, maddesinin atomlarıyla etkileşime girerek nasıl davrandığını anlamamıza yardımcı olur. Burada ışığın bir atom tarafından emildiğini, hemen onun tarafından yayıldığını ve başka bir atom tarafından emildiğini, tekrar yayılıp emildiğini ve bunun denge doygunluğu durumuna ulaşılıncaya kadar gerçekleşeceğini anlamak önemlidir. Siyah bir cisim denge durumuna ısıtıldığında, siyah cisim içindeki ışınların emisyon ve soğurma yoğunlukları eşitlenir: belirli bir frekanstaki belirli miktarda ışık bir atom tarafından emildiğinde, aynı anda içeride bir yerlerdeki başka bir atom da aynı şeyi yayar. Aynı frekanstaki ışık miktarı. Böylece, vücudun farklı atomları onu emip yaymasına rağmen, siyah bir cisim içindeki her frekansın emilen ışık miktarı aynı kalır.
Bu ana kadar siyah cismin davranışı oldukça anlaşılır kalıyor. Klasik fizik çerçevesindeki problemler ("klasik" derken kuantum mekaniğinin ortaya çıkmasından önceki fiziği kastediyoruz) denge durumundaki bir siyah cisim içinde depolanan radyasyon enerjisini hesaplamaya çalışırken başladı. Ve çok geçmeden iki şey netleşti:
- Işınların dalga frekansı ne kadar yüksek olursa, siyah cisim içinde o kadar çok birikir (yani, radyasyon dalgaları spektrumunun incelenen kısmının dalga boyları ne kadar kısa olursa, spektrumun bu kısmının siyah cisim içinde o kadar fazla ışın olur) klasik teori tarafından tahmin edilir);
- Dalganın frekansı ne kadar yüksek olursa, o kadar fazla enerji taşır ve buna bağlı olarak kara cisim içinde o kadar fazla depolanır.
Alman fizikçi Max Planck düzeni yeniden sağlamayı başardı (Planck sabitine bakın) - atomların ışığı yalnızca kısımlar halinde ve yalnızca belirli frekanslarda emip yayabildiğini varsayarsak sorunun ortadan kalktığını gösterdi. (Daha sonra Albert Einstein, foton kavramını - ışık radyasyonunun kesin olarak tanımlanmış kısımları - ortaya koyarak bu fikri genelleştirdi.) Bu şemaya göre, atomlar absorbe edemedikleri için klasik fizik tarafından tahmin edilen radyasyonun birçok frekansı siyah bir cisim içinde var olamaz. veya onları yayar; Buna göre, bir siyah cisim içindeki denge radyasyonu hesaplanırken bu frekanslar dikkate alınmaz. Planck, yalnızca izin verilen frekansları bırakarak ultraviyole felaketini önledi ve bilimi, dünyanın atom altı düzeydeki yapısını doğru bir şekilde anlama yoluna soktu. Ek olarak denge kara cisim ışınımının karakteristik frekans dağılımını da hesapladı.
Bu dağılım, Kozmologların keşfettikleri kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunun, spektral özellikleri bakımından Planck dağılımına tam olarak uyduğunu ve yaklaşık üç derece sıcaklıktaki tamamen siyah bir cismin radyasyonuna karşılık geldiğini keşfettiklerinde, Planck'ın kendisi tarafından yayınlanmasından onlarca yıl sonra dünya çapında ün kazandı. mutlak sıfırın üzerindeki dereceler.
James Trefil'in Ansiklopedisi “Bilimin Doğası. Evrenin 200 kanunu."
James Trefil, popüler bilim kitaplarının en ünlü Batılı yazarlarından biri olan George Mason Üniversitesi'nde (ABD) fizik profesörüdür.
| Yorumlar: 0 |
Atomaltı dünyanın gerçeklerinden biri, elektronlar veya fotonlar gibi nesnelerinin makro dünyanın olağan nesnelerine hiç benzememesidir. Ne parçacık, ne de dalga gibi davranırlar, aksine duruma göre hem dalga hem de parçacık özelliği gösteren tamamen özel oluşumlar gibi davranırlar. Bir açıklama yapmak başka şey, kuantum parçacıklarının davranışının dalga ve parçacık yönlerini birbirine bağlamak ve bunları kesin bir denklemle açıklamak bambaşka bir şeydir. De Broglie ilişkisinde yapılan da tam olarak budur.
Günlük yaşamda, enerjiyi uzayda aktarmanın iki yolu vardır: parçacıklar veya dalgalar yoluyla. Günlük yaşamda, iki enerji aktarım mekanizması arasında gözle görülür bir çelişki yoktur. Yani basketbol bir parçacıktır ve ses bir dalgadır ve her şey açıktır. Ancak kuantum mekaniğinde işler bu kadar basit değildir. Kuantum nesnelerle yapılan en basit deneylerden bile, makro dünyanın aşina olduğumuz ilke ve yasalarının mikro dünyada geçerli olmadığı çok geçmeden anlaşılıyor. Dalga olarak düşünmeye alıştığımız ışık, bazen bir parçacık akışından (foton) oluşuyormuş gibi davranır ve elektron, hatta büyük bir proton gibi temel parçacıklar çoğu zaman dalga özellikleri sergiler.
Radyo dalgalarından gama ışınlarına kadar çeşitli elektromanyetik radyasyon türleri vardır. Her türden elektromanyetik ışın, boşlukta ışık hızında yayılır ve birbirlerinden yalnızca dalga boyları bakımından farklılık gösterir.
Kuantum parçacıklarının ikili parçacık-dalga doğası bir diferansiyel denklemle tanımlanır.
Kuantum mekaniğinin kurucularından biri olan Max Planck, yakın zamanda keşfedilen elektromanyetik dalgalar ve atomlar arasındaki etkileşimi teorik olarak açıklamaya ve böylece kara cisim radyasyonu problemini çözmeye çalışarak enerji kuantizasyonu fikirlerini ortaya attı. Atomların gözlemlenen emisyon spektrumunu açıklamak için, atomların enerjiyi porsiyonlar halinde (bilim adamının kuantum adını verdiği) ve yalnızca bireysel dalga frekanslarında yaydığını ve emdiğini kabul etmenin gerekli olduğunu fark etti.
“Kuantum” kelimesi Latince kuantum (“ne kadar, ne kadar”) ve İngilizce kuantum (“miktar, kısım, kuantum”) kelimelerinden gelir. “Mekanik” uzun zamandır maddenin hareketi bilimine verilen isimdir. Buna göre "kuantum mekaniği" terimi, maddenin kısımlar halinde hareketinin bilimi (veya modern bilimsel dilde kuantumlanmış maddenin hareketi bilimi) anlamına gelir. "Kuantum" terimi, ışığın atomlarla etkileşimini tanımlamak için Alman fizikçi Max Planck tarafından icat edildi.
Hepsinden önemlisi, Einstein, mikro dünya olgusunu, koordinatların ve parçacık hızlarının olağan konumundan değil, olasılıklar ve dalga fonksiyonları açısından tanımlama ihtiyacına karşı çıktı. "Zar atmak" derken kastettiği buydu. Elektronların hareketini hızları ve koordinatları cinsinden tanımlamanın belirsizlik ilkesiyle çeliştiğini fark etti. Ancak Einstein, mikro dünyanın kuantum mekaniksel tablosunun bütünlük ve determinizm yoluna geri döneceğini hesaba katan başka değişkenlerin veya parametrelerin de olması gerektiğini savundu. Yani, bize sadece Tanrı'nın bizimle zar atıyormuş gibi göründüğünde ısrar etti, çünkü biz her şeyi anlamıyoruz. Böylece kuantum mekaniği denklemlerinde gizli değişken hipotezini formüle eden ilk kişi oldu. Aslında elektronların Newton'un bilardo topları gibi sabit koordinatları ve hızları olduğu ve bunların kuantum mekaniği çerçevesinde belirlenmesine yönelik belirsizlik ilkesi ve olasılıksal yaklaşımın teorinin kendisinin eksikliğinin bir sonucu olduğu gerçeğinde yatmaktadır. neden belirli bir tanımlamaya izin vermiyor?
Işık gezegenimizdeki yaşamın temelidir. “Gökyüzü neden mavidir?” sorusunun yanıtı ve "Çimler neden yeşil?" kesin bir cevap verebilirsiniz - "Işık sayesinde." Bu hayatımızın ayrılmaz bir parçası ama biz hâlâ ışık olgusunu anlamaya çalışıyoruz...
Dalgalar, uzayda enerji aktarımının iki yolundan biridir (diğer yol parçacıklardır, parçacıklar kullanılır). Dalgalar genellikle bazı ortamlarda yayılır (örneğin, göl yüzeyindeki dalgalar suda yayılır), ancak ortamın kendisinin hareket yönü, dalgaların hareket yönü ile çakışmaz. Dalgaların üzerinde sallanan bir şamandıra hayal edin. Yükselen ve alçalan şamandıra, dalgalar yanından geçerken suyun hareketlerini takip eder. Girişim olgusu, farklı yönlerde yayılan aynı frekanstaki iki veya daha fazla dalganın etkileşime girmesiyle ortaya çıkar.
Kırınım olgusunun temelleri, bir ışık ışınının yayılma yolu üzerindeki her noktanın yeni bir bağımsız ikincil dalga kaynağı olarak kabul edilebildiği ve daha sonraki kırınım modelinin belirlendiği Huygens ilkesine atıfta bulunularak anlaşılabilir. bu ikincil dalgaların girişimiyle. Bir ışık dalgası bir engelle etkileşime girdiğinde ikincil Huygens dalgalarından bazıları engellenir.
