Ce este radiația Blackbody?

Teoria undelor luminii, pe care ecuațiile lui Maxwell le-au surprins atât de bine, a devenit lumina dominantă teorie în anii 1800 (depășind teoria corpusculară a lui Newton, care a eșuat într-o serie de situații). Prima provocare majoră a teoriei a venit în explicarea Radiație termala, care este tipul de radiatie electromagnetica emise de obiecte din cauza temperaturii lor.

Un aparat poate fi configurat pentru a detecta radiația de la un obiect menținut la temperatură T₁. (Deoarece un corp cald degajă radiații în toate direcțiile, trebuie să fie pus în aplicare un fel de ecranare, astfel încât radiația a fi examinat se află într-un fascicul îngust.) Plasarea unui mediu dispersiv (adică o prismă) între corp și detector, lungimi de unda (λ) radiația se dispersează într-un unghi (θ). Detectorul, întrucât nu este un punct geometric, măsoară o delimitare a intervaluluiteta care corespunde unui interval delta-λdeși într-o configurație ideală, această gamă este relativ mică.

Dacă eu reprezintă intensitatea totală a fra la toate lungimile de undă, apoi acea intensitate pe un interval δλ (între limitele din λ și δ& Lamba;) este:

δeu = R(λ) δλ

R(λ) este radianţă sau intensitatea pe unitate de lungime de undă. În calcul notație, valorile reduce se reduc la limita lor de zero și ecuația devine:

dI = R(λ) dλ

Experimentul prezentat mai sus detectează dI, prin urmare R(λ) poate fi determinat pentru orice lungime de undă dorită.

Efectuând experimentul pentru o serie de temperaturi diferite, obținem o gamă de radianță vs. curbe de lungime de undă, care dau rezultate semnificative:

• Intensitatea totală radiată pe toate lungimile de undă (adică zona de sub R(λ) curba) crește pe măsură ce temperatura crește.

Acest lucru este cu siguranță intuitiv și, de fapt, descoperim că, dacă luăm integralitatea ecuației de intensitate de mai sus, obținem o valoare care este proporțională cu a patra putere a temperaturii. Mai exact, proporționalitatea provine Legea lui Stefan și este determinat de Constantă Stefan-Boltzmann (sigma) sub forma:

eu = σ T⁴

• Valoarea lungimii de undă λ_max la care radiația își atinge maximul scade odată cu creșterea temperaturii.

Experimentele arată că lungimea de undă maximă este invers proporțională cu temperatura. De fapt, am constatat că dacă înmulțiți λ_max și temperatura, obțineți o constantă, în ceea ce este cunoscut sub numele de Legea privind deplasările nu suntem:λ_max T = 2.898 x 10^-3 mK

Descrierea de mai sus a implicat un pic de înșelăciune. Lumina este reflectată în afara obiectelorDeci experimentul descris se confruntă cu problema a ceea ce se testează de fapt. Pentru a simplifica situația, oamenii de știință s-au uitat la corpuluinegru, adică un obiect care nu reflectă nicio lumină.

Luați în considerare o cutie de metal cu o mică gaură în ea. Dacă lumina lovește gaura, aceasta va intra în casetă și sunt mici șanse ca acesta să răsară înapoi. Prin urmare, în acest caz, gaura, nu cutia în sine, este omul negru. Radiația detectată în afara găurii va fi un eșantion al radiației din interiorul cutiei, astfel încât este necesară o anumită analiză pentru a înțelege ce se întâmplă în interiorul cutiei.

Caseta este completată electromagnetic valuri în picioare. Dacă pereții sunt metalici, radiațiile se ridică în jurul cutiei cu câmpul electric oprit la fiecare perete, creând un nod la fiecare perete.

Numărul de valuri în picioare cu lungimi de undă între λ și dλ este

N (λ) dλ = (8π V / λ⁴) dλ

Unde V este volumul cutiei. Acest lucru poate fi dovedit prin analiza regulată a undelor în picioare și extinderea acesteia la trei dimensiuni.

Fiecare undă individuală contribuie cu o energie kT la radiațiile din cutie. Din termodinamica clasică, știm că radiațiile din cutie sunt în echilibru termic cu pereții la temperatură T. Radiația este absorbită și reemisă rapid de pereți, ceea ce creează oscilații în frecvența radiație. Energia cinetică termică medie a unui atom oscilant este de 0,5kT. Deoarece acestea sunt simple oscilatoare armonice, energia cinetică medie este egală cu energia potențială medie, deci energia totală este kT.

Radianta este legata de densitatea energetica (energie pe unitate de volum) u(λ) în relație

R(λ) = (c / 4) u(λ)

Aceasta se obține determinând cantitatea de radiații care trece printr-un element al suprafeței din interiorul cavității.

u(λ) = (8π / λ⁴) kT

R(λ) = (8π / λ⁴) kT (c / 4) (cunoscut sub numele de Formula Rayleigh-Jeans)

Datele (celelalte trei curbe din grafic) arată de fapt o radianță maximă și mai jos lambda_max în acest moment, radianța cade, apropiindu-se de 0 ca. lambda abordări 0.

Acest eșec este numit catastrofă ultravioleteși, până în 1900, a creat probleme grave pentru fizica clasică, deoarece a pus în discuție conceptele de bază ale termodinamică și electromagnetice care au fost implicate în atingerea acestei ecuații. (La lungimi de undă mai lungi, formula Rayleigh-Jeans este mai aproape de datele observate.)

Max Planck a sugerat că un atom poate absorbi sau retrage energia numai în pachete discrete (Quanta). Dacă energia acestor cante este proporțională cu frecvența de radiație, atunci la frecvențe mari, energia ar deveni în mod similar mare. Deoarece niciun val în picioare nu ar putea avea o energie mai mare decât kT, acest lucru a pus o capacitate eficientă pe radiația de înaltă frecvență, rezolvând astfel catastrofa ultravioletelor.

Fiecare oscilator ar putea emite sau absorbi energie numai în cantități care sunt multipli întregi din cantitatea de energie (epsilon):

E = n ε, unde numărul de cantați, n = 1, 2, 3,.. .

ν

ε = h ν

h

(c / 4)(8π / λ⁴)((hc / λ)(1 / (EHC/λ kT – 1)))

În timp ce Planck a introdus ideea de quanta pentru a remedia problemele într-un experiment specific, Albert Einstein a mers mai departe pentru a o defini drept o proprietate fundamentală a câmpului electromagnetic. Planck, și majoritatea fizicienilor, au acceptat lent această interpretare până când nu au existat dovezi copleșitoare în acest sens.