Fyzika

Tepelné žiarenie a žiarenie čiernych telies


Dva dôležité pojmy pre kvantovú fyziku sú tepelné žiarenie a blackbody. Od tejto chvíle budeme študovať každú z nich.

Tepelné žiarenie

Akýkoľvek povrch tela, ktorý je nad absolútnou teplotou, vyžaruje elektromagnetické žiarenie. Pretože táto energia súvisí s teplotou, nazýva sa tepelné žiarenie.

Tepelné žiarenie emitované povrchom tela pri izbovej teplote je infračervené, neviditeľné žiarenie. Ak napríklad zvýšime teplotu kovovej dosky na 600 ° C, vyžarované žiarenie bude stále infračervené, ale teraz ho budeme môcť „vnímať“, ak posunieme ruky bližšie k doske. Zvýšenie teploty na približne 700 ° C prinesie nielen intenzívne infračervené žiarenie, ale budeme tiež môcť pozorovať emisie červenkastého svetla.

Ak teplota kovovej platne naďalej stúpa a predpokladá sa, že teplota topenia nie je splnená, budeme pozorovať stále intenzívnejšie infračervené žiarenie a doska sa postupne mení z červenej na oranžovú, potom na žltú a tak ďalej. ďalej smerujúci k bielemu.

Keď vychádza modré svetlo, jeho zmiešanie s ostatnými svetlami nám dáva pocit bielej, ako pri osvetlenom vlákne žiarovky. Ak má telo, ktoré už zafarbilo, naďalej vyššiu teplotu, bude mať tendenciu získavať namodralú farbu. Preto sú modré hviezdy najhorúcejšie.

Stefan-Boltzmann zákon

V roku 1879 Stefan získal empiricky rovnicu, ktorú Boltzmann matematicky demonštroval v roku 1884. Výraz je:

(Stefan-Boltzmann zákon)

kde:

Pot = celkový výkon vyžarovaný z vonkajšieho povrchu tela pri absolútnej teplote T;

e = emisivita alebo emisná sila karosérie v závislosti od povahy emitujúcej plochy a môže predpokladať hodnoty medzi 0 a 1 (bezrozmerná veličina);

σ = Boltzmannova konštanta, ktorej hodnota je σ = 5,67 x 10-8 W / m2K4;

A = plocha emitujúceho povrchu.

Je dôležité zdôrazniť, že podľa Stefan-Boltzmannovho zákona vyžarovaná sila závisí od absolútnej povrchovej teploty telesa vo štvrtej sile, a teda je určujúcim faktorom v rovnici.

Stefan-Boltzmannov zákon možno vyjadriť takto:

kde ja je celková intenzita tepelného žiarenia emitovaného telom, tj celkové množstvo energie emitovanej na jednotku času a na jednotku plochy vonkajšieho povrchu tela.

Podľa klasickej elektromagnetickej teórie je tepelné žiarenie vyžarované elektrickými nábojmi z tela, kmitajúcimi pri rôznych frekvenciách v blízkosti povrchu v dôsledku tepelného miešania. Žiarenie sa teda vyžaruje v nepretržitom rozsahu frekvencií, to znamená v nepretržitom spektre:

Podľa klasickej fyziky, ako tepelné žiarenie svieti na tele, elektrické náboje blízko povrchu tela sú rozrušené, takže časť energie, ktorá dopadá na telo, je ním absorbovaná. V roku 1859 si Gustav Kirchhoff uvedomil, že absorpčná sila tela sa rovná jeho emisnej sile. matematicky:

Preto je dobrým žiaričom dobré telo absorbujúce tepelné žiarenie (zlý reflektor). Podobne zlý absorbér (dobrý reflektor) je tiež zlým žiaričom.