Το τέλειο μαύρο σώμα και η ακτινοβολία του

Το τέλειο μαύρο σώμα και η ακτινοβολία του
Το τέλειο μαύρο σώμα και η ακτινοβολία του
Anonim

Το απόλυτα μαύρο σώμα ονομάζεται τέτοιο επειδή απορροφά όλη την ακτινοβολία που πέφτει πάνω του (ή μάλλον, μέσα του) τόσο στο ορατό φάσμα όσο και πέρα από αυτό. Αλλά εάν το σώμα δεν θερμαίνεται, η ενέργεια ακτινοβολείται εκ νέου. Αυτή η ακτινοβολία που εκπέμπεται από ένα εντελώς μαύρο σώμα παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Οι πρώτες προσπάθειες μελέτης των ιδιοτήτων του έγιναν πριν ακόμη εμφανιστεί το ίδιο το μοντέλο.

Στις αρχές του 19ου αιώνα, ο John Leslie πειραματίστηκε με διάφορες ουσίες. Όπως αποδείχθηκε, η μαύρη αιθάλη όχι μόνο απορροφά όλο το ορατό φως που πέφτει πάνω της. Ακτινοβολούσε στην υπέρυθρη ακτινοβολία πολύ πιο ισχυρή από άλλες, ελαφρύτερες, ουσίες. Ήταν θερμική ακτινοβολία, η οποία διαφέρει από όλους τους άλλους τύπους σε αρκετές ιδιότητες. Η ακτινοβολία ενός εντελώς μαύρου σώματος είναι ισορροπημένη, ομοιογενής, συμβαίνει χωρίς μεταφορά ενέργειας και εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία του σώματος.

εντελώς μαύρο σώμα
εντελώς μαύρο σώμα

Όταν η θερμοκρασία του αντικειμένου είναι αρκετά υψηλή, η θερμική ακτινοβολία γίνεται ορατή και τότε οποιοδήποτε σώμα, συμπεριλαμβανομένου του απολύτως μαύρου, αποκτά χρώμα.

Ένα τόσο μοναδικό αντικείμενο που εκπέμπει μόνο ένα συγκεκριμένο είδος ενέργειας, δεν θα μπορούσε παρά να τραβήξει την προσοχή. Δεδομένου ότι μιλάμε για θερμική ακτινοβολία, οι πρώτοι τύποι και θεωρίες για το πώς πρέπει να μοιάζει το φάσμα προτάθηκαν στο πλαίσιο της θερμοδυναμικής. Η κλασική θερμοδυναμική ήταν σε θέση να προσδιορίσει σε ποιο μήκος κύματος θα έπρεπε να είναι η μέγιστη ακτινοβολία σε μια δεδομένη θερμοκρασία, σε ποια κατεύθυνση και πόσο θα μετατοπιστεί όταν θερμανθεί και ψυχθεί. Ωστόσο, δεν ήταν δυνατό να προβλεφθεί ποια είναι η κατανομή της ενέργειας στο φάσμα του μαύρου σώματος σε όλα τα μήκη κύματος και, ειδικότερα, στην περιοχή υπεριώδους.

ακτινοβολία μαύρου σώματος
ακτινοβολία μαύρου σώματος

Σύμφωνα με την κλασική θερμοδυναμική, η ενέργεια μπορεί να εκπέμπεται σε οποιαδήποτε μέρη, συμπεριλαμβανομένων αυθαίρετα μικρών. Αλλά για να ακτινοβολεί ένα απολύτως μαύρο σώμα σε μικρά μήκη κύματος, η ενέργεια ορισμένων από τα σωματίδια του πρέπει να είναι πολύ μεγάλη και στην περιοχή των υπερμικρών κυμάτων θα πήγαινε στο άπειρο. Στην πραγματικότητα, αυτό είναι αδύνατο, το άπειρο εμφανίστηκε στις εξισώσεις και ονομάστηκε υπεριώδης καταστροφή. Μόνο η θεωρία του Planck ότι η ενέργεια μπορεί να ακτινοβοληθεί σε διακριτά τμήματα - κβάντα - βοήθησε στην επίλυση της δυσκολίας. Οι σημερινές εξισώσεις της θερμοδυναμικής είναι ειδικές περιπτώσεις των εξισώσεων της κβαντικής φυσικής.

κατανομή της ενέργειας στο φάσμα ενός μαύρου σώματος
κατανομή της ενέργειας στο φάσμα ενός μαύρου σώματος

Αρχικά, ένα εντελώς μαύρο σώμα παριστάνεται ως κοιλότητα με στενό άνοιγμα. Η ακτινοβολία από το εξωτερικό εισέρχεται σε μια τέτοια κοιλότητα και απορροφάται από τα τοιχώματα. Στο φάσμα της ακτινοβολίας, το οποίοπρέπει να έχει ένα απόλυτα μαύρο σώμα, οπότε το φάσμα της ακτινοβολίας από την είσοδο στο σπήλαιο, το άνοιγμα του πηγαδιού, το παράθυρο στο σκοτεινό δωμάτιο μια ηλιόλουστη μέρα κ.λπ. Αλλά πάνω απ 'όλα, τα φάσματα της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου του Σύμπαντος και των αστεριών, συμπεριλαμβανομένου του Ήλιου, συμπίπτουν με αυτό.

Είναι ασφαλές να πούμε ότι όσο περισσότερα σωματίδια με διαφορετικές ενέργειες σε ένα αντικείμενο, τόσο ισχυρότερη η ακτινοβολία του θα μοιάζει με μαύρο σώμα. Η καμπύλη κατανομής ενέργειας στο φάσμα ενός μαύρου σώματος αντανακλά τα στατιστικά μοτίβα στο σύστημα αυτών των σωματιδίων, με τη μόνη διόρθωση ότι η ενέργεια που μεταφέρεται κατά τις αλληλεπιδράσεις είναι διακριτή.

Συνιστάται: