Siyah cisim radyasyon spektrumu. Referans kaynakları - kara cisim modelleri

Kirov bölgesi Eğitim Bakanlığı. Genel ve Orta Öğretim Bakanlığı

204 Sayılı Belediye Eğitim Kurumu

"Elit okul"

Bilimsel ve teknik yön.

Fizik konusu.

Kesinlikle siyah gövde

Sanatçı: 11. sınıf öğrencisi Maxim Karpov

Başkan: Bondina Marina Yurievna

Ekaterinburg 2007

Giriş sayfası 2

Kara cisim teorisi s.5

Pratik kısım s.15

Sonuç s.17

Literatür s.18

giriiş

19. yüzyılın sonunda. Birçok bilim adamı fiziğin gelişiminin aşağıdaki nedenlerden dolayı tamamlandığına inanıyordu:

1. Mekaniğin ve teorinin kanunları 200 yılı aşkın süredir mevcuttur evrensel yerçekimi, korunum yasaları (enerji, momentum, açısal momentum, kütle ve elektrik yükü).

2. MKT geliştirildi.

3. Termodinamik için sağlam bir temel atılmıştır.

4. Maxwell'in elektromanyetizma teorisi formüle edildi.

5. Enerjinin korunumuna ilişkin göreceli yasa - kütle.

19. yüzyılın sonu - 20. yüzyılın başı. V. Roentgen tarafından keşfedildi - X-ışınları ( röntgen), A. Becquerel - radyoaktivite olgusu, J. Thomson - elektron. Ancak klasik fizik bu olayları açıklayamadı.

A. Einstein'ın görelilik teorisi, uzay ve zaman kavramının radikal bir revizyonunu gerektiriyordu. Özel deneyler J. Maxwell'in hipotezinin geçerliliğini doğruladı. elektromanyetik doğa Sveta. Isıtılmış cisimler tarafından elektromanyetik dalga emisyonunun elektronların salınım hareketinden kaynaklandığı varsayılabilir. Ancak bu varsayımın teorik ve deneysel veriler karşılaştırılarak doğrulanması gerekiyordu. Radyasyon yasalarını teorik olarak değerlendirmek için siyah cisim modelini kullandık, yani. herhangi bir uzunluktaki elektromanyetik dalgaları tamamen emen ve buna göre tüm uzunluktaki elektromanyetik dalgaları yayan bir gövde.

Bir sonbahar akşamı eve dönerken bedenlerin enerji emmesi olgusuyla karşılaştım. O akşam hava nemliydi ve üzerinde yürüdüğüm yolu zar zor görebiliyordum. Ve bir hafta sonra kar yağdığında yol açıkça görülebiliyordu. Tamamen siyah bir cisim, doğada var olmayan bir cisim olgusuyla ilk kez bu şekilde karşılaştım ve onunla ilgilenmeye başladım. İlgimi çeken materyali aramak ve parça parça toplamak için uzun zaman harcadığımdan, yazmaya karar verdim. araştırma çalışması her şeyin mantıksal bir sıraya göre bağlanacağı ve düzenleneceği. Ayrıca teorik kısmın daha rahat anlaşılması için yukarıda belirtilen olguyu gözlemleyebileceğiniz pratik deney örnekleri verdim.

Işık enerjisinin yansıması ve soğurulması ile ilgili materyalleri incelerken tamamen siyah bir cismin tüm enerjiyi emen bir cisim olduğunu varsaydım. Ancak pratikte bu mümkün mü? Sanırım bu soruyu ilginç bulan tek kişi ben değildim. Bu nedenle çalışmamın amacı, ısıtılmış cisimler tarafından elektromanyetik dalga emisyonunun elektronların salınım hareketinden kaynaklandığını kanıtlamaktır. Ancak bu sorun önemlidir çünkü ders kitaplarımızda bununla ilgili bir şey yazılmamıştır; birkaç referans kitabında tamamen siyah bir cisim hakkında bilgi bulabilirsiniz. Bunu yapmak için kendime birkaç görev belirledim:

mümkün olduğu kadar çok şey bul daha fazla bilgi bu konuda;

kara cisim teorisini inceleyin;

özette sunulan teorik kavramları ve olguları deneysel olarak doğrulamak;

Özet aşağıdaki bölümlerden oluşur:

giriiş;

kara cisim teorisi;

pratik kısım;

çözüm.

Siyah cisim teorisi

1. Konunun incelenmesinin tarihi.

Klasik fizik bunun için makul bir formül elde edemedi. spektral yoğunluk(bu formül kolayca doğrulanabilir: kesinlikle siyah bir cisim bir fırındır, bir spektrometre kurulur, radyasyon bir spektruma dönüştürülür ve spektrumun her bandı için bu dalga boyu aralığında enerji bulunabilir). Klasik fizik sadece veremezdi doğru değer işlevi makul bir değer bile veremiyordu, yani bu işlevin dalga boyu azaldıkça arttığı ortaya çıktı ve bu kesinlikle anlamsız, bu, görünür bölgedeki herhangi bir cismin düşük frekanslarda ve hatta daha fazlasını yaydığı anlamına geliyor ve toplam enerji radyasyonu sonsuza eğilimlidir. Bu, doğada klasik fizik yasalarıyla tanımlanamayacak olayların olduğu anlamına gelir.

19. yüzyılın sonunda, klasik fizik yasalarına dayalı bir kara cisim radyasyonu teorisi oluşturma girişimlerinin tutarsızlığı ortaya çıktı. Kanunlardan klasik fizik bunu, maddenin herhangi bir sıcaklıkta elektromanyetik dalgalar yayması, enerji kaybetmesi ve sıcaklığı mutlak sıfıra düşürmesi gerektiği takip ediyordu. Başka bir deyişle. Madde ve radyasyon arasındaki termal denge imkansızdı. Ancak bu günlük deneyimlerle çelişiyordu.

Bu daha ayrıntılı olarak aşağıdaki şekilde açıklanabilir. Tamamen siyah bir cisim kavramı var - emen bir beden elektromanyetik radyasyon herhangi bir dalga boyu. Radyasyonun spektrumu sıcaklığına göre belirlenir. Doğada kesinlikle siyah cisimler yoktur. Tamamen siyah bir gövdeye en doğru karşılık, delikli, kapalı, opak, içi boş bir gövdedir. Bir maddenin herhangi bir parçası ısıtıldığında parlar ve sıcaklığın daha da artmasıyla önce kırmızı, sonra beyaz olur. Renk neredeyse maddeden bağımsızdır; tamamen siyah bir cisim için yalnızca sıcaklığıyla belirlenir. Sabit sıcaklıkta tutulan ve içinde aşağıdakileri barındıran böyle kapalı bir boşluk düşünelim. maddi organlar radyasyon yayma ve absorbe etme yeteneğine sahiptir. Bu cisimlerin sıcaklığı ilk anda boşluğun sıcaklığından farklıysa, zamanla sistem (boşluk artı cisimler), emilen enerji ile birim zaman başına ölçülen enerji arasındaki denge ile karakterize edilen termodinamik dengeye yönelecektir.

G. Kirchhoff, bu denge durumunun, boşlukta bulunan radyasyonun enerji yoğunluğunun belirli bir spektral dağılımı ile karakterize edildiğini ve ayrıca fonksiyonun belirleyici olduğunu tespit etti. spektral dağılım(Kirchhoff fonksiyonu), boşluğun sıcaklığına bağlıdır ve ne boşluğun boyutuna, şekline ne de içine yerleştirilen malzeme gövdelerinin özelliklerine bağlı değildir. Kirchhoff fonksiyonu evrensel olduğundan, yani. Herhangi bir siyah cisim için aynıysa, bu durumda görünüşünün termodinamik ve elektrodinamiğin bazı hükümleri tarafından belirlendiği varsayımı ortaya çıktı. Ancak bu tür girişimler başarısızlıkla sonuçlandı. D. Rayleigh yasasından, radyasyon enerjisinin spektral yoğunluğunun artan frekansla birlikte monoton bir şekilde artması gerektiği sonucu çıktı, ancak deney aksini gösterdi: ilk başta spektral yoğunluk artan frekansla arttı ve sonra düştü.

Kara cisim ışınımı sorununu çözmek temelde yeni bir yaklaşım gerektiriyordu.

M. Planck tarafından bulunmuştur.

1900 yılında Planck, maddenin yalnızca bu radyasyonun frekansıyla orantılı sonlu kısımlarda radyasyon enerjisi yayabileceğine göre bir varsayım formüle etti. Bu kavram, klasik fiziğin temelini oluşturan geleneksel hükümlerin değişmesine yol açtı. Ayrık eylemin varlığı, bir nesnenin uzay ve zamandaki lokalizasyonu ile dinamik durumu arasındaki ilişkiyi gösterir. L. de Broglie şunu vurguladı: “Klasik fizik açısından bakıldığında bu bağlantı, kuantum kavramının görelilik teorisi tarafından kurulan uzaysal değişkenler ile zaman arasındaki bağlantıdan tamamen açıklanamaz ve yol açtığı sonuçlar açısından çok daha anlaşılmaz görünüyor. Fiziğin gelişmesinde büyük rol oynayacaktı.

Yani bulundu yeni yaklaşım siyah cismin doğasının bir açıklamasına (kuantum kavramı biçiminde).

2. Vücudun emme kapasitesi.

Radyasyonun cisimler tarafından emilme sürecini tanımlamak için vücudun spektral absorpsiyon kapasitesini tanıtıyoruz. Bunu yapmak için, ile arasında dar bir frekans aralığı belirledikten sonra, vücut yüzeyine düşen radyasyon akısını dikkate alacağız. Bu akışın bir kısmı aynı zamanda vücut tarafından emilirse, o zaman vücudun frekanstaki emme kapasitesi boyutsuz bir miktar olarak tanımlanacaktır.

vücut tarafından emilen bir vücut üzerine gelen frekans radyasyonunun fraksiyonunu karakterize eden.

Deneyimler, herhangi bir gerçek cismin, sıcaklığına bağlı olarak farklı frekanslardaki radyasyonu farklı şekilde emdiğini göstermektedir. Bu nedenle, bir vücudun spektral soğurma kapasitesi, türü vücut sıcaklığındaki değişikliklerle değişen frekansın bir fonksiyonudur.

Tanımı gereği bir cismin emme kapasitesi birden büyük olamaz. Bu durumda soğurma kapasitesi birden az olan ve tüm frekans aralığı boyunca aynı olan bir cisme gri cisim denir.

Termal radyasyon teorisinde özel bir yer kesinlikle siyah cisim tarafından işgal edilmiştir. G. Kirchhoff'un emme kapasitesi tüm frekanslarda ve tüm sıcaklıklarda birliğe eşit olan cisim olarak adlandırdığı şey budur. Gerçek bir cisim her zaman üzerine gelen radyasyonun enerjisinin bir kısmını yansıtır (Şekil 1.2). Kurum bile tamamen siyah bir cismin özelliklerine yalnızca optik aralıkta yaklaşır.

1 - kesinlikle siyah gövde; 2 - gri gövde; 3 - gerçek vücut

Siyah cisim, termal radyasyon teorisinde referans cisimdir. Ve doğada tamamen siyah bir cisim olmamasına rağmen, tüm frekanslardaki soğurma kapasitesinin birlikten ihmal edilebilecek kadar farklı olacağı bir modelin uygulanması oldukça basittir. Tamamen siyah bir gövdenin böyle bir modeli, çapı boşluğun enine boyutlarından önemli ölçüde daha küçük olan küçük bir delikle donatılmış kapalı bir boşluk (Şekil 1.3) formunda yapılabilir. Bu durumda boşluk hemen hemen her şekle sahip olabilir ve herhangi bir malzemeden yapılabilir.

Küçük bir delik, üzerine gelen radyasyonu neredeyse tamamen soğurma özelliğine sahiptir ve deliğin boyutu küçüldükçe emme kapasitesi birlik eğilimi gösterir. Aslında delikten geçen radyasyon, boşluğun duvarlarına çarparak kısmen onlar tarafından emilir. Küçük delik boyutları için, ışın delikten çıkmadan, yani resmen yansımadan önce birçok yansımaya maruz kalmalıdır. Boşluğun duvarlarında tekrarlanan çok sayıda yansımayla, boşluğa giren radyasyon neredeyse tamamen emilir.

Boşluğun duvarları belirli bir sıcaklıkta tutulursa, deliğin yayılacağına ve bu radyasyonun yüksek doğruluk derecesiyle, sıcaklığa sahip siyah bir cismin radyasyonu olarak değerlendirilebileceğine dikkat edin. Bu radyasyonun enerjisinin oC spektrumu üzerindeki dağılımını inceleyerek, siyah bir cismin emisyonunu deneysel olarak belirlemek mümkündür. Farklı sıcaklıklarda yapılan bu tür deneylerin sonuçları Şekil 1'de gösterilmektedir. 1.4.

Bu değerlendirmelerden, emme kapasitesi ile vücut renginin birbiriyle ilişkili olduğu anlaşılmaktadır.

3. Kirchhoff yasası.

Kirchhoff yasası. Herhangi bir cismin emisyon ve soğurma özellikleri arasında bir bağlantı olmalıdır. Aslında, denge termal radyasyonu ile yapılan bir deneyde (Şekil 1.1) p Sistemdeki denge ancak her cismin birim zamanda emdiği kadar enerji yayması durumunda kurulabilir. Bu, herhangi bir frekanstaki radyasyonu daha yoğun olarak emen cisimlerin, bu radyasyonu daha yoğun olarak yayacakları anlamına gelir.

Dolayısıyla bu ayrıntılı denge ilkesine uygun olarak, salım ve soğurma güçlerinin oranı, siyah cisim dahil doğadaki tüm cisimler için aynıdır ve belirli bir sıcaklıkta aynıdır. evrensel işlev frekanslar (dalga boyları).

1859 yılında G. Kirchhoff tarafından radyasyonla denge sistemlerinin termodinamik yasaları dikkate alındığında oluşturulan bu termal radyasyon yasası, şu ilişki olarak yazılabilir:

burada 1, 2, 3... endeksleri çeşitli gerçek cisimlere karşılık gelir.

Kirchhoff yasasından evrensel fonksiyonların sırasıyla frekans veya dalga boyu ölçeğinde siyah bir cismin spektral yayılımı olduğu sonucu çıkar. Bu nedenle aralarındaki bağlantı formülle belirlenir. .

Siyah cisim ışınımı, termal ışınım teorisinde evrensel bir karaktere sahiptir. Gerçek bir cisim, herhangi bir sıcaklıkta her zaman tamamen siyah bir cisimden daha az enerji yayar. Siyah bir cismin emisyonunu (evrensel Kirchhoff fonksiyonu) ve gerçek bir cismin soğuruculuğunu bilerek, Kirchhoff yasasından herhangi bir frekans aralığında veya dalga boyunda bu cisim tarafından yayılan enerji belirlenebilir.

Bu, bir cisim tarafından yayılan bu enerjinin, siyah bir cismin yayma kapasitesi ile gerçek bir cismin soğurma kapasitesi arasındaki fark olarak tanımlandığı anlamına gelir.

4. Stefan-Boltzmann yasası

Stefan-Boltzmann yasası. Deneysel (1879 J. Stefan) ve teorik (1884 L. Boltzmann) çalışmalar kanıtlamayı mümkün kıldı önemli yasa tamamen siyah bir cismin termal radyasyonu. Bu yasa, siyah bir cismin enerjik parlaklığının mutlak sıcaklığının dördüncü kuvvetiyle orantılı olduğunu belirtir.

Bu yasa genellikle astronomide bir yıldızın sıcaklığına bağlı olarak parlaklığını belirlemek için kullanılır. Bunu yapmak için, radyasyon yoğunluğundan gözlemlenebilir bir miktara - akıya geçmek gerekir. Spektrum üzerine entegre edilen radyasyon akısı formülü üçüncü bölümde elde edilecektir.

Modern ölçümlere göre Stefan-Boltzmann sabiti W/(m2 (K4).

İçin gerçek bedenler Stefan-Boltzmann yasası yalnızca niteliksel olarak karşılanır, yani artan sıcaklıkla tüm cisimlerin enerjik parlaklıkları artar. Bununla birlikte, gerçek cisimler için enerjik parlaklığın sıcaklığa bağımlılığı artık basit bir ilişki (1.7) ile tanımlanmamaktadır, ancak şu şekildedir:

(1.8)'deki katsayı her zaman birden küçüktür ve vücudun integral emme kapasitesi olarak adlandırılabilir. Değerler, genel durum teknik açıdan önemli birçok malzeme için sıcaklığa bağlı olduğu bilinmektedir. Yani metaller için ve kömür ve metal oksitler için oldukça geniş bir sıcaklık aralığında.

Gerçek siyah olmayan cisimler için, aynı sıcaklığa sahip mutlak siyah bir cismin sıcaklığı olarak tanımlanan etkin radyasyon sıcaklığı kavramını tanıtabiliriz. enerjik parlaklık, gerçek vücutla aynı. Radyasyonun vücut sıcaklığı her zaman gerçek vücut sıcaklığından düşüktür. Gerçekten, gerçek bir vücut için . Buradan bunu buluyoruz, yani gerçek cisimler için.

Yüksek derecede ısıtılmış sıcak cisimlerin radyasyon sıcaklığı, bir radyasyon pirometresi (Şekil 1.5) kullanılarak belirlenebilir; burada yeterince uzaktaki ısıtılmış bir kaynak I'in görüntüsü, bir mercek kullanılarak alıcı P'ye yansıtılır, böylece yayıcının görüntüsü tamamen üst üste gelir. alıcı. Alıcıya gelen radyasyonun enerjisini tahmin etmek için genellikle metal veya yarı iletken bolometreler veya termo elemanlar kullanılır. Bolometrelerin etkisi, bir metalin veya yarı iletkenin elektrik direncinde, gelen bir radyasyon akışının emilmesinin neden olduğu sıcaklıktaki bir değişiklikle birlikte bir değişikliğe dayanmaktadır. Termoelementlerin emici yüzeyinin sıcaklığındaki bir değişiklik, içlerinde termo-EMF'nin ortaya çıkmasına neden olur.

Bir bolometreye veya termoelemente bağlı bir cihazın okumasının, pirometre alıcısına gelen radyasyon enerjisiyle orantılı olduğu ortaya çıkar. Pirometreyi daha önce siyah cisim standardının radyasyonuna göre kalibre ettikten sonra farklı sıcaklıklarçeşitli ısıtılmış cisimlerin radyasyon sıcaklıklarını ölçmek için alet ölçeğini kullanabilirsiniz.

Yayıcı malzemenin integral soğurma kapasitesi bilindiğinde, yayıcının ölçülen radyasyon sıcaklığını aşağıdaki formülü kullanarak gerçek sıcaklığına dönüştürmek mümkündür.

Özellikle, bir radyasyon pirometresi, bir tungsten yayıcının () sıcak yüzeyini gözlemlerken K sıcaklığını gösteriyorsa, o zaman gerçek sıcaklığı K'dır.

Buradan herhangi bir cismin parlaklığının sıcaklığına göre belirlenebileceği sonucuna varabiliriz.

5. Wien'in yer değiştirme yasası

1893 yılında Alman fizikçi W. Wien, mükemmel ayna duvarlarına sahip bir boşlukta hapsedilen radyasyonun termodinamik sıkıştırma sürecini teorik olarak inceledi. Hareketli bir aynadan yansıma üzerine Doppler etkisi nedeniyle radyasyon frekansındaki değişikliği hesaba katan Wien, tamamen siyah bir cismin emisyonunun şu şekilde olması gerektiği sonucuna vardı:

(1.9)

Burada spesifik şekli termodinamik yöntemlerle belirlenemeyen belirli bir fonksiyon bulunmaktadır.

Bu Wien formülünü geçiş kuralına (1.3) uygun olarak frekanstan dalga boyuna geçerek şunu elde ederiz:

(1.10)

Görüldüğü gibi, emisyon ifadesi yalnızca ürün formundaki sıcaklığı içermektedir. Bu durum tek başına fonksiyonun bazı özelliklerinin tahmin edilmesini mümkün kılar. Özellikle, bu işlev belirli bir dalga boyunda maksimuma ulaşır; bu dalga boyu, vücut ısısı değiştiğinde şu koşulu sağlayacak şekilde değişir: .

Böylece, V. Vin, kesinlikle siyah bir cismin maksimum emisyonunun meydana geldiği dalga boyunun, onun ile ters orantılı olduğu termal radyasyon yasasını formüle etti. mutlak sıcaklık. Bu yasa şu şekilde yazılabilir:

Deneylerden elde edilen bu yasadaki sabitin değerinin m'ye eşit olduğu ortaya çıktı. mK.

Wien yasasına yer değiştirme yasası denir ve bu nedenle, tamamen siyah bir cismin sıcaklığı arttıkça, emisyonunun maksimum konumunun kısa dalga boyları bölgesine kaydığını vurgular. Şekil 2'de gösterilen deneysel sonuçlar. 1.4 bu sonucu yalnızca niteliksel olarak değil aynı zamanda niceliksel olarak da formül (1.11)'e uygun olarak doğrulamaktadır.

Gerçek cisimler için Wien yasası yalnızca niteliksel olarak karşılanır. Herhangi bir cismin sıcaklığı arttıkça, cismin en fazla enerji yaydığı dalga boyu da daha kısa dalga boylarına doğru kayar. Ancak bu yer değiştirme artık gerçek cisimlerin radyasyonu için yalnızca bir tahmin olarak kullanılabilen basit formül (1.11) ile tanımlanmamaktadır.

Wien'in yer değiştirme yasasından, bir cismin sıcaklığı ile onun emisyon dalga boyunun birbiriyle ilişkili olduğu ortaya çıkıyor.

6. Rayleigh-Jeans formülü

Son derece düşük frekans aralığında,

Rayleigh-Jeans bölgesi olarak adlandırılan enerji yoğunluğu, T sıcaklığı ve ω frekansının karesi ile orantılıdır:

Şekil 2.1.1'de bu alan RD olarak işaretlenmiştir. Rayleigh-Jeans formülü tamamen türetilebilir

klasik olarak, kuantum kavramlarını içermeden. Siyah cismin sıcaklığı ne kadar yüksek olursa, bu formülün geçerli olduğu frekans aralığı da o kadar geniş olur. Şurada açıklanmıştır: klasik teori ancak yüksek frekanslara genişletilemez (Şekil 2.1.1'deki kesikli çizgi), çünkü bu durumda spektrum üzerinde toplanan enerji yoğunluğu sonsuz büyüklüktedir:

Rayleigh-Jeans yasasının bu özelliğine "ultraviyole felaketi" adı veriliyor.

Rayleigh-Jeans formülünden vücut sıcaklığının yüksek frekanslara kadar uzanmadığı açıktır.

7. Şarap formülü

Yüksek frekans aralığında (Şekil 2.1.1'deki B bölgesi), Wien formülü geçerlidir:

Açıkça görülüyor ki sağ taraf monoton olmayan bir şekilde değişir. Frekans çok yüksek değilse, ω3 faktörü geçerli olur ve Uω fonksiyonu artar. Frekans arttıkça Uω'nun büyümesi yavaşlar, bir maksimumdan geçer ve daha sonra üstel faktör nedeniyle azalır. Emisyon spektrumunda bir maksimumun varlığı Wien aralığını Rayleigh-Jeans bölgesinden ayırır.

Vücut ısısı ne kadar yüksek olursa, Wien formülünün gerçekleştirilmeye başlandığı kesme frekansı da o kadar yüksek olur. Sağ taraftaki üstteki a parametresinin değeri, sıcaklık ve frekansın ölçüldüğü birimlerin seçimine bağlıdır.

Bu, Wien'in formülünün ışığın doğası hakkındaki kuantum fikirlerinin kullanılmasını gerektirdiği anlamına gelir.

Böylece bana yöneltilen soruları değerlendirdim. 19. yüzyılın fizik kanunlarının mevcut olduğunu görmek kolaydır. yüzeyseldi ve fiziksel bedenlerin tüm özelliklerini (dalga boyu, sıcaklık, frekans vb.) birbirine bağlamazlardı. Yukarıdaki yasaların tümü birbirini tamamlıyordu, ancak tam bir anlayış için bu sorunışığın doğası hakkındaki kuantum fikirlerini dahil etmek gerekliydi.

Pratik kısım

Daha önce de birçok kez söylediğim gibi, mutlak siyah cisim olgusu bugün pratikte mevcut değildir; her halükarda onu yaratamayız veya göremiyoruz. Ancak yukarıdaki teorik hesaplamaları gösteren bir dizi deney yapabiliriz.

Beyaz siyahtan daha siyah olabilir mi? Çok basit bir gözlemle başlayalım. Beyaz ve siyah kağıt parçalarını yan yana koyarsanız odada karanlık yaratırsınız. O zaman tek bir yaprak görmeyeceğiniz yani her ikisinin de eşit derecede siyah olacağı açıktır. Görünüşe göre beyaz kağıt hiçbir durumda siyahtan daha siyah olamaz. Ama yine de durum böyle değil. Herhangi bir sıcaklıkta, üzerine gelen herhangi bir frekanstaki radyasyonu tamamen emen bir cisim, kesinlikle siyah olarak adlandırılır. Bunun bir idealleştirme olduğu açıktır: Doğada kesinlikle siyah cisimler yoktur. Genellikle siyah dediğimiz cisimler (kurum, kurum, siyah kadife ve kağıt vb.) aslında gridir, yani. üzerlerine düşen ışığı kısmen emer, kısmen de dağıtırlar.

Küçük bir deliğe sahip küresel bir boşluğun, tamamen siyah bir cismin tamamen iyi bir modeli olarak hizmet edebileceği ortaya çıktı. Deliğin çapı boşluğun çapının 1/10'unu geçmezse, o zaman (ilgili hesaplamanın gösterdiği gibi) deliğe giren ışık huzmesi ancak birden fazla saçılma veya yansıma sonrasında geri çıkabilir. farklı noktalar boşluk duvarları. Ancak ışının duvarla her "temasında" ışık enerjisi kısmen emilir, böylece ışığın bir kısmı duvardan geri gelir. Radyasyon deliği ihmal edilebilecek kadar küçüktür. Bu nedenle, boşluğun açıklığının, tıpkı tamamen siyah bir cisim gibi, herhangi bir dalga boyundaki ışığı neredeyse tamamen emdiğini varsayabiliriz. Ve deney cihazının kendisi örneğin bu şekilde yapılabilir. Kartonun yapıştırılması gerekiyor yaklaşık 100x100x100 mm ölçülerinde, açılır kapaklı bir kutu. Kutunun içi beyaz kağıtla, dışı ise siyah mürekkeple, guajla boyanmalı veya daha iyisi fotoğraf paketlerinden kağıtla kaplanmalıdır. Kapakta çapı 10 mm'yi geçmeyen bir delik açmanız gerekir. Bir deney olarak kutunun kapağını bir masa lambasıyla aydınlatmanız gerekiyor, böylece delik siyah kapaktan daha siyah görünecektir.

Bir fenomeni basitçe gözlemlemek için, bunu daha da basit (ancak daha az ilginç) yapabilirsiniz. Beyaz porselen bir bardak alıp onu küçük delikli siyah kağıt bir kapakla kapatmanız gerekiyor - etki neredeyse aynı olacaktır.

Parlak güneşli bir günde sokaktan pencerelere baktığınızda bize karanlık göründüklerini lütfen unutmayın.

Bu arada, sadece burada yayınlanan "Meraklılar için Fizik" kitabını yazan Princeton Üniversitesi profesörü Eric Rogers, tamamen siyah bir gövdenin benzersiz bir "tanımını" verdi: "Köpek kulübesindeki hiçbir siyah boya, açık kapıdan daha siyah görünmez." bir köpek için.”

Birbirinin aynısı olan iki boş kutudan çıkartmaları çıkarıp bir kutuyu tütsüleyerek veya siyah boyayla boyayarak, diğerini ışıkta bırakarak, her iki kutuya da sıcak su dökerek ve hangisinde suyun daha hızlı soğuduğunu görerek (deney, karanlık); Termal radyasyon olgusunu gözlemleyeceksiniz.

Termal radyasyon olgusu, akkor bir bobin ve iyi cilalanmış içbükey bir metal yüzeyden oluşan bir elektrikli oda ısıtıcısının çalışmasını izleyerek de gözlemlenebilir.

Şu ilginç:

Işık ve ısı ışınları arasındaki bağlantı antik çağlardan beri bilinmektedir. Ayrıca "odaklanma" kelimesi şu anlama gelir: Latinceİçbükey aynalara ve merceklere uygulandığında ışık ışınlarından ziyade ısı konsantrasyonuna dikkat edildiğini gösteren “ateş”, “ocak”. 16.-18. yüzyıllarda yapılan pek çok deney arasında, Edmus Mariotte'nin gerçekleştirdiği, barutun yansıyan ısı ışınlarıyla tutuşturulduğu deney öne çıkıyor. içbükey ayna buzdan yapılmış.

William Herschel keşfiyle ünlü Uranüs gezegeni Güneş'in spektrumunda görünmeyen kızılötesi ışınları keşfettiğinde o kadar şaşırdı ki yirmi yıl boyunca bu konuda sessiz kaldı.

Ama Mars'ta yerleşim ve yerleşim olduğundan hiç şüphesi yoktu... sonrasında spektral analiz Bir bankacı, Güneş'in atmosferinde altın da dahil olmak üzere pek çok kimyasal elementin varlığını gösterdiğinde Kirchhoff'a şöyle dedi: "Peki, senin güneş altının ne işe yarar ki? Zaten Dünya'ya teslim edilemez!" Birkaç yıl geçti ve Kirchhoff İngiltere'den altın madalya ve dikkat çekici araştırması için para ödülü. Bu parayı bankacıya göstererek şöyle dedi: “Bakın, yine de başardım.

Nihayet

, Güneş'ten biraz altın al." Güneş spektrumunda koyu çizgiler keşfeden ve gezegenlerin ve yıldızların spektrumlarını inceleyen Fraunhofer'in mezarına minnettar yurttaşlar, üzerinde "Yıldızları yakınlaştırdı" yazılı bir anıt diktiler. Benim tarafımdan getirildi

pratik örnekler

teorik kısmın hesaplamalarını onaylayın.

Çözüm

Bana sorulan soruları değerlendirdim. 19. yüzyılın fizik kanunlarının mevcut olduğunu görmek kolaydır. yüzeyseldi ve fiziksel bedenlerin tüm özelliklerini (dalga boyu, sıcaklık, frekans vb.) birbirine bağlamazlardı. Yukarıdaki yasaların tümü birbirini tamamlıyordu ancak bu konuyu tam olarak anlamak için ışığın doğasına ilişkin kuantum kavramlarını dahil etmek gerekiyordu. Kuantum teorisinin yaratılması, tamamen siyah bir cisim olgusu gibi birçok olguyu açıklamayı mümkün kıldı; herhangi bir uzunluktaki elektromanyetik dalgaları tamamen emen ve buna göre tüm uzunluktaki elektromanyetik dalgaları yayan bir gövde. Bu aynı zamanda emicilik ile vücut rengi arasındaki ilişkiyi ve bir cismin parlaklığının sıcaklığına bağımlılığını açıklamayı da mümkün kıldı. Daha sonra bu olaylar klasik fizikle açıklandı. İşimin amacına ulaştım - herkesin tamamen siyah bir cisim sorununun farkına varmasını sağladım. Bunu yapmak için aşağıdaki görevleri tamamladım:

bu sorun hakkında mümkün olduğunca fazla bilgi buldum;

kara cisim teorisini inceledi;

özette sunulan teorik kavramları ve olayları deneysel olarak doğruladı;

Radyasyon yasalarını teorik olarak değerlendirmek için siyah cisim modelini kullandık, yani. herhangi bir uzunluktaki elektromanyetik dalgaları tamamen emen ve buna göre tüm uzunluktaki elektromanyetik dalgaları yayan bir gövde.

Kullanılan literatürün listesi:

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

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

Paradoksal. Siyah delik şöyle davranıyor vücut eşit sıcaklıkta mutlak sıfır... çünkü yardımla siyah delikler... Böylece, siyah delik mükemmel bir şekilde yayılıyor siyah vücut(beklenmedik bir şekilde fark edildi...

FEDERAL EĞİTİM AJANSI

durum eğitim kurumu daha yüksek mesleki eğitim

"TYUMEN DEVLET PETROL VE GAZ ÜNİVERSİTESİ"

Disiplinin özeti

"Teknik Optik"

Konu: “Kesinlikle siyah gövde”

Tamamlayan: öğrenci gr. OBDz'ler-07

Kobasnyan Stepan Sergeevich Kontrol eden: disiplin öğretmeni

Sidorova Anastasia Eduardovna

Tümen 2009

Tamamen siyah gövde- Termodinamikte kullanılan fiziksel bir soyutlama, üzerine gelen tüm elektromanyetik radyasyonu tüm aralıklarda emen ve hiçbir şeyi yansıtmayan bir cisim. İsmine rağmen, tamamen siyah bir cismin kendisi herhangi bir frekansta elektromanyetik radyasyon yayabilir ve görsel olarak renge sahip olabilir. Tamamen siyah bir cismin radyasyon spektrumu yalnızca sıcaklığıyla belirlenir.

Siyah gövde modeli

Siyah cisim radyasyonunun yasaları

Klasik yaklaşım

Siyah cisim radyasyonu yasalarının incelenmesi, görünümün ön koşullarından biriydi. kuantum mekaniği.

Wien'in birinci radyasyon yasası

1893'te Wilhelm Wien'in fikirlerine dayanarak klasik termodinamik, dışarı çıkarıldı aşağıdaki formül:

İlk Wien formülünden Wien yer değiştirme yasası (maksimum yasa) ve Stefan-Boltzmann yasası türetilebilir, ancak bu yasalarda yer alan sabitlerin değerleri bulunamaz.

Tarihsel olarak, Wien'in yer değiştirme yasası olarak adlandırılan ilk yasasıydı, ancak şu anda "Wien'in yer değiştirme yasası" terimi maksimum yasayı ifade etmektedir.

Wien'in ikinci radyasyon yasası

Deneyimler Wien'in ikinci formülünün yalnızca limitte geçerli olduğunu gösteriyor yüksek frekanslar(kısa dalga boyları). Bu, Wien'in birinci yasasının özel bir durumudur.

Daha sonra Max Planck, Wien'in ikinci yasasının Planck'ın yüksek kuantum enerjileri yasasından kaynaklandığını gösterdi ve ayrıca sabitleri buldu. C 1 ve C 2. Bunu dikkate alarak Wien'in ikinci yasası şu şekilde yazılabilir:

Rayleigh-Jeans yasası

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 için Rayleigh-Jeans formülüyle örtüşecek olan Planck formülünü elde edebilirsiniz.

Bu gerçek, yeni yasanın benimsediği yazışma ilkesinin mükemmel bir örneğidir. fiziksel teori eskisinin açıklayabildiği her şeyi açıklamak zorunda.

Planck yasası

Siyah cisim radyasyon gücünün dalga boyuna bağımlılığı

Tamamen siyah bir cismin sıcaklık ve frekansa bağlı olarak radyasyon yoğunluğu şu şekilde belirlenir: Planck yasası :

Nerede BEN (ν) Dν - ν ila ν + frekans aralığında yayılan yüzeyin birim alanı başına radyasyon gücü D ν.

Eşdeğer olarak,

,

Nerede sen (λ) Dλ - λ ila λ + dalga boyu aralığında yayan yüzeyin birim alanı başına radyasyon gücü D λ.

Stefan-Boltzmann yasası

Toplam Enerji termal radyasyon belirlenir Stefan-Boltzmann yasası :

Nerede J yayılan yüzeyin birim alanı başına güçtür ve

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

Böylece tamamen siyah bir cisim T= 100 K 5,67 watt yayar metrekare onun yüzeyi. 1000 K sıcaklıkta radyasyon gücü metrekare başına 56,7 kilowatt'a yükselir.

Wien'in yer değiştirme yasası

Tamamen siyah bir cismin radyasyon enerjisinin maksimum olduğu dalga boyu şu şekilde belirlenir: Wien'in yer değiştirme yasası :

Nerede T Kelvin cinsinden sıcaklıktır ve λ max, metre cinsinden maksimum yoğunluğa sahip dalga boyudur.

Görünür renk kesinlikle siyah cisimler farklı sıcaklıklar diyagramda sunulmuştur.

Kara cisim radyasyonu

Belirli bir sıcaklıkta bir kara cisimle termodinamik dengede olan elektromanyetik radyasyona (örneğin, bir kara cisim içindeki bir boşluk içindeki radyasyona) kara cisim (veya termal denge) radyasyonu denir. Denge termal radyasyonu homojen, izotropik ve polarize değildir, içinde enerji transferi yoktur, tüm özellikleri yalnızca kara cisim yayıcının sıcaklığına bağlıdır (ve kara cisim radyasyonu termal denge belirli bir vücutta bu sıcaklık radyasyona atfedilebilir). Yığın Yoğunluğu kara cisim radyasyonunun enerjisi eşittir , basıncı eşittir . Kozmik mikrodalga arka planı veya kozmik mikrodalga arka planı olarak adlandırılan şey, özellikleri bakımından, Evreni yaklaşık 3 K sıcaklıkla dolduran bir radyasyon olan kara cisim radyasyonuna çok yakındır.

Kara cisim renkliliği

Not: Renkler dağınık gün ışığına (D 65) göre verilmiştir. Gerçekte algılanan renk, gözün aydınlatma koşullarına uyumu nedeniyle bozulabilir.

Tamamen siyah bir cisim, termodinamikte kullanılan fiziksel bir soyutlamadır; üzerine gelen tüm elektromanyetik radyasyonu tüm aralıklarda emen ve hiçbir şeyi yansıtmayan bir cisimdir. İsmine rağmen, tamamen siyah bir cismin kendisi herhangi bir frekansta elektromanyetik radyasyon yayabilir ve görsel olarak renge sahip olabilir. Tamamen siyah bir cismin radyasyon spektrumu yalnızca sıcaklığıyla belirlenir.

En siyah gerçek maddeler, örneğin is, görünür dalga boyu aralığında gelen radyasyonun %99'unu emer (yani albedosu 0,01'dir). kızılötesi radyasyon onlar tarafından çok daha kötü emilir. Güneş Sisteminin cisimleri arasında tamamen siyah bir cismin özellikleri büyük ölçüde Güneş'e sahiptir. Terim 1862'de Gustav Kirchhoff tarafından tanıtıldı.

******bir vücut modeli çizin.*****

Siyah gövde modeli

Doğada kesinlikle siyah cisimler yoktur, bu nedenle fizikte deneyler için bir model kullanılır. Küçük bir deliği olan 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.

Wien'in birinci radyasyon yasası

1893'te Wilhelm Wien.

Wien'in ilk formülü tüm frekanslar için geçerlidir. Daha spesifik herhangi bir formül (örneğin Planck yasası) Wien'in ilk formülünü karşılamalıdır.

Wien'in ikinci radyasyon yasası

1896'da Wien ikinci yasayı ek varsayımlara dayanarak türetti:

Wien'in ikinci formülü yalnızca yüksek frekansların (kısa dalga boyları) sınırında geçerlidir. Bu, Wien'in birinci yasasının özel bir durumudur.

Rayleigh-Jeans yasası

Tamamen siyah bir cismin radyasyonunu tanımlamaya yönelik bir girişim klasik ilkeler termodinamik ve elektrodinamik Rayleigh-Jeans yasasına yol açar:

Uygulamada böyle bir yasa, madde ve ışınım arasında termodinamik dengenin imkansızlığı anlamına gelir, çünkü bu yasaya göre tüm termal enerjinin spektrumun kısa dalga bölgesinde radyasyon enerjisine dönüştürülmesi gerekir. Bu varsayımsal olaya ultraviyole felaketi adı verildi.

Planck yasası, sıcaklığa ve frekansa bağlı olarak tamamen siyah bir cismin radyasyon yoğunluğunu belirler

Stefan-Boltzmann yasası, yasayla belirlenen termal radyasyonun toplam enerjisini belirler

Tamamen siyah bir cismin radyasyon enerjisinin maksimum olduğu dalga boyu Wien'in yer değiştirme yasasıyla belirlenir:

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).

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 tamamen emen bir nesne siyah görünür, bu yüzden genellikle buna denir. siyah gövde. (Kesinlikle siyah gövde - diğer birçok kavramsal gibi fiziksel olaylar- nesne tamamen varsayımsaldır, ancak örneğin ışığın tek bir küçük delikten nüfuz ettiği, içeriden yansıtılan içi boş, eşit şekilde ısıtılan bir küre iyi bir yaklaşımdır.)

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 (kızılötesi radyasyon) ve ışık birikir ve bu ışınlar dışarıya kaçmadan önce boşluğun duvarlarından defalarca 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, siyah bir cisim içindeki her frekansın emilen ışığın miktarı, emilmesine ve yayılmasına rağmen aynı kalır. farklı atomlar bedenler.

Bu ana kadar siyah cismin davranışı oldukça anlaşılır kalıyor. Klasik fizikteki problemler (burada "klasik" derken kuantum mekaniğinin ortaya çıkmasından önceki fiziği kastediyoruz) siyah bir cismin içinde depolanan radyasyon enerjisini hesaplamaya çalışırken başladı. denge durumu. 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.

Birlikte ele alındığında, bu iki sonuç düşünülemez bir sonuca yol açtı: Siyah bir cismin içindeki radyasyon enerjisi sonsuz olmalıdır! Klasik fizik yasalarının bu şeytani alay konusuna şu ad verildi: ultraviyole felaketiçünkü yüksek frekanslı radyasyon spektrumun ultraviyole kısmında yer alır.

Düzen Alman fizikçi Max Planck tarafından yeniden sağlandı ( santimetre. Planck sabiti) - atomların ışığı yalnızca kısımlar halinde ve yalnızca belirli frekanslarda emip yayabildiğini varsayarsak sorunun ortadan kalktığını gösterdi. (Daha sonra Albert Einstein, bu kavramı tanıtarak bu fikri genelleştirdi. fotonlar- ışık radyasyonunun kesin olarak tanımlanmış kısımları.) Bu şemaya göre, birçok radyasyon frekansı tahmin edildi klasik fizik, atomlar onları ememediği veya yayamadığı için siyah bir cisim içinde var olamaz; Buna göre, bir siyah cisim içindeki denge radyasyonu hesaplanırken bu frekanslar dikkate alınmaz. Planck, yalnızca izin verilen frekansları bırakarak, ultraviyole felaketi ve atom altı düzeyde dünyanın yapısının doğru anlaşılması yolunda bilime yön verdi. Ek olarak denge kara cisim ışınımının karakteristik frekans dağılımını da hesapladı.

Bu dağılım, Planck'ın kendisi tarafından yayınlanmasından onlarca yıl sonra, kozmologların keşfettikleri kalıntı materyali keşfetmeleriyle dünya çapında üne kavuştu. mikrodalga radyasyonu (santimetre. Big Bang), Planck dağılımına tam olarak uymaktadır. spektral özellikler ve mutlak sıfırın yaklaşık üç derece üzerindeki bir sıcaklıktaki kara cisim radyasyonuna karşılık gelir.

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 elektromanyetik radyasyonun yaklaşık %99'unu emer.

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 problem kuantum mekaniğinin ortaya çıkmasının ön koşullarından biri haline geldi. 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 geçip gider ve bu da sorunu çözer sonsuz enerji gerekli denklem.

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.
Işık ışınlarının tamamen siyah bir cisimdeki hareketi Yapay olarak neredeyse tamamen siyah bir cisim oluşturmak mümkündür. iç yüzey belirli bir sıcaklığa kadar ısıtılır opak gövde bir boşluk ve küçük bir delik ile. 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 uzunluk üzerinde doğal kısıtlamalar getirdiğine dikkat edilmelidir. elektromanyetik dalga, içinde yayılabilir. Aslında dalga boyu daha büyük boyutlar siyah gövde, o zaman içindeki duvarlardan uzağa bakamayacak. Bu gerçek özellikle evreni tamamen siyah bir cisim şeklinde modelleyen kozmolojide önemlidir. erken aşamalarözellikle kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu dikkate alındığında.
Mutlak siyah cisim kavramı astrofizikte yaygın olarak kullanılmaktadır. Güneş'in radyasyonu, 6000K sıcaklıktaki böyle bir cismin radyasyonuna yakındır. Tüm Evren sözde şeyle kaplıdır kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu 3K sıcaklıkta siyah cisim radyasyonuna yakın. Yıldızların toplam radyasyonunun böyle bir cismin radyasyonuyla karşılaştırılması, yaklaşık olarak tahmin etmemizi sağlar. etkili sıcaklık yıldızlar. 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.
İçin pratik uygulama Siyah cisim modeli için, boşluk duvarlarının eşit şekilde ısıtılması ve radyasyonun küçük bir delikten dışarı çıkması olasılığının sağlanması gerekmektedir. 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 geçirilmesi veya düşük sıcaklıklar– buz, katı karbon dioksit, sıvı hava vb. ile doldurarak.
Radyasyon eğitimi almak için yüksek sıcaklıklar farklı tasarımda siyah bir gövde kullanıldı. Platin levhadan yapılmış bir silindir; elektrik akımı, iç porselen silindirin eşit şekilde ısıtılması için gereklidir. 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.