Ce este radiația Blackbody?

Teoria undelor luminii, pe care ecuațiile lui Maxwell au surprins-o atât de bine, a devenit teoria 1800 a luminii dominante 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 radiației termice, care este tipul de radiații electromagnetice emise de obiecte din cauza temperaturii lor.

Testarea radiațiilor termice

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 pus un fel de ecranare astfel încât radiația examinată să fie într-un fascicul îngust.) Plasarea unui mediu dispersiv (adică o prismă) între corp și detector, lungimi de undă (λ) radiația se dispersează într-un unghi (θ). Detectorul, întrucât nu este un punct geometric, măsoară o deltă a intervalului-teta care corespunde unei delte a intervalului-λ, deși 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 notație de calcul, valorile reduce se reduc până 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.

Radiancia, temperatura și lungimea de undă

Efectuând experimentul pentru o serie de temperaturi diferite, obținem o gamă de curianță în raport cu curbele lungimii de undă, care dau rezultate semnificative:

1. Intensitatea totală radiată pe toate lungimile de undă (adică zona de sub R(λ) curba) crește pe măsură ce temperatura crește.
   1. 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:

   2. eu = σ T⁴

2. 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 deplasării lui Wein:λ_max T = 2.898 x 10^-3 mK

Radiație Blackbody

Descrierea de mai sus a implicat un pic de înșelăciune. Lumina este reflectată în obiecte, astfel încât experimentul descris se confruntă cu problema a ceea ce este de fapt testat. 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 cutie 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, deci este necesară o anumită analiză pentru a înțelege ce se întâmplă în interiorul cutiei.

1. Cutia este umplută cu unde electromagnetice 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.
2. 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.
3. 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 reeditată rapid de pereți, ceea ce creează oscilații în frecvența radiațiilor. 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.
4. Radianta este legata de densitatea energiei (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.

Eșecul fizicii clasice

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 ultraviolete, iar până în 1900 crease probleme fizice clasice, deoarece a pus în discuție conceptele de bază ale termodinamicii și electromagneticii care au fost implicate în atingerea acestei ecuații. (La lungimi de undă mai lungi, formula Rayleigh-Jeans este mai aproape de datele observate.)

Teoria lui Planck

Max Planck

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

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

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

ν

ε = h ν

h

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

kT e Formula Rayleigh-Jeans

Consecințe

fizică cuantică efect fotoelectric

, introducând teoria fotonului său. În timp ce Planck a introdus ideea de quanta pentru a remedia problemele într-un experiment specific, 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.