Εκπεμπόμενες Δυνάμεις της Ακτινοβολίας Μαύρου Σώματος
Ένα μαύρο σώμα είναι ένα αδιαφανές αντικείμενο που εκπέμπει θερμική ακτινοβολία. Ένα τέλειο μαύρο σώμα απορροφά όλο το εισερχόμενο φως και δεν αντανακλά τίποτα από αυτό. Ένα τέτοιο αντικείμενο θα φαινόταν απολύτως μαύρο σε κανονική θερμοκρασία (εξ ου και ο όρος μαύρο σώμα). Ένα μαύρο σώμα, από την άλλη πλευρά, θα αρχίσει να λάμπει με θερμική ακτινοβολία όταν θερμανθεί σε υψηλή θερμοκρασία.
Στην πραγματικότητα, όλα τα αντικείμενα εκπέμπουν θερμική ακτινοβολία (εφόσον η θερμοκρασία τους είναι πάνω από το Απόλυτο Μηδέν, ή -273,15 βαθμούς Κελσίου), αλλά κανένα αντικείμενο δεν εκπέμπει πλήρως θερμική ακτινοβολία. Μάλλον, ορισμένα μήκη κύματος φωτός εκπέμπουν/απορροφούν καλύτερα από άλλα. Λόγω αυτών των αντιφάσεων, είναι δύσκολο να αναλυθούν οι αλληλεπιδράσεις του φωτός, της θερμότητας και της ύλης χρησιμοποιώντας συνηθισμένα πράγματα.
Ακτινοβολία μαύρου σώματος
Η εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας από ένα θερμοδυναμικά ισορροπημένο αντικείμενο είναι γνωστή ως ακτινοβολία μαύρου σώματος. Η συνολική ενέργεια που εκπέμπεται από ένα μαύρο σώμα εξαρτάται από τη θερμοκρασία του, με ένα τέλειο μαύρο σώμα να απορροφά και να εκπέμπει ξανά όλη τη λαμβανόμενη ακτινοβολία σε οποιοδήποτε μήκος κύματος.
Όταν η θερμοκρασία ενός αντικειμένου αυξάνεται, εκπέμπει ακτινοβολία μαύρου σώματος, κάτι που είναι συνηθισμένο φαινόμενο. Ανάλογα με τη θερμοκρασία του αντικειμένου και την ποσότητα της ακτινοβολίας, η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία καταλαμβάνει ένα ευρύ φάσμα που μπορεί να είναι ορατή και αόρατη.
Το θερμαντικό στοιχείο μιας τοστιέρας και το νήμα μιας λάμπας είναι ένα από τα πιο κοινά παραδείγματα. Η φασματική ένταση της ακτινοβολίας του μαύρου σώματος αυξάνεται με τη θερμοκρασία:αντικείμενα σε θερμοκρασία δωματίου (περίπου 300 K) εκπέμπουν ακτινοβολία με μέγιστη ένταση στο μακρινό υπέρυθρο. Η ακτινοβολία από τα νήματα της τοστιέρας και τα νήματα των λαμπτήρων (περίπου 700 K και 2.000 K, αντίστοιχα) κορυφώνεται επίσης στο υπέρυθρο, αν και τα φάσματα τους εκτείνονται προοδευτικά στο ορατό. και η επιφάνεια των 6.000 K του Ήλιου εκπέμπει ακτινοβολία μαύρου σώματος με μέγιστη ένταση στο ορατό.
Παράδειγμα
- Το απλούστερο παράδειγμα μαύρου σώματος είναι μια κοιλότητα με τρύπα. Όταν το φως προσπίπτει στην κοιλότητα, εισέρχεται από την οπή αλλά δεν ανακλάται πίσω από την κοιλότητα.
- Ένα κράμα νικελίου-φωσφόρου που παράγεται χημικά και ευθυγραμμίζεται κάθετα με τις συστοιχίες νανοσωλήνων άνθρακα είναι ένα εξαιρετικά μαύρο υλικό που απορροφά το 99,9% του φωτός.
Δυνάμεις εκπομπής της ακτινοβολίας μαύρου σώματος
Ένα μαύρο σώμα είναι αυτό που απορροφά όλη την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια (φως, κ.λπ.) που το χτυπά. Για να διατηρήσει τη θερμική ισορροπία, μια μαύρη ουσία πρέπει να απελευθερώσει ακτινοβολία με τον ίδιο ρυθμό που την απορροφά, επομένως ακτινοβολεί επίσης καλά.
Όλοι είμαστε εξοικειωμένοι με την ακτινοβολία που εκπέμπεται από ένα θερμαινόμενο αντικείμενο.
Όταν θερμαίνουμε ένα αντικείμενο σε περίπου 1500 βαθμούς Φαρενάιτ, βλέπουμε μια αμυδρή κόκκινη λάμψη και αναφερόμαστε στο αντικείμενο ως καυτό. Όταν θερμαίνουμε οτιδήποτε στους περίπου 5000 βαθμούς Φαρενάιτ, κοντά στη θερμοκρασία της επιφάνειας του ήλιου, ακτινοβολεί έντονα στο ορατό φάσμα και λέγεται ότι είναι λευκό καυτό.
Θεωρώντας τις πλάκες σε θερμική ισορροπία, είναι δυνατό να αποδειχθεί ότι η ισχύς εκπομπής πάνω από τον συντελεστή απορρόφησης πρέπει να είναι ίδια ως συνάρτηση του μήκους κύματος, ακόμη και για πλάκες κατασκευασμένες από διάφορα υλικά.
Εάν υπάρχουν διαφορές, μπορεί να υπάρξει καθαρή μεταφορά ενέργειας από τη μια πλάκα στην άλλη, η οποία θα παραβίαζε την απαίτηση ισορροπίας.
Ως αποτέλεσμα, η ισχύς εκπομπής του μαύρου σώματος, E(ν,T), είναι μια καθολική ιδιότητα που μπορεί να συναχθεί από θεμελιώδεις αρχές.
Οι Rayleigh και Jeans υπολόγισαν την ενεργειακή πυκνότητα (σε κύματα ΗΜ) μέσα σε μια κοιλότητα, και ως εκ τούτου το φάσμα εκπομπής του μαύρου σώματος. Ο υπολογισμός τους βασίστηκε στη βασική θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού και στην ισοκατανομή. Όχι μόνο αντέκρουε τα στοιχεία, αλλά επίσης υποστήριξε ότι όλη η ενέργεια θα εκπέμπεται γρήγορα ως ακτινοβολία EM υψηλής συχνότητας. Αυτό αναφέρθηκε ως καταστροφή UV.
Ο Plank ανακάλυψε έναν τύπο που προέβλεψε με ακρίβεια τα δεδομένα τόσο σε μεγάλα όσο και σε μικρά μήκη κύματος.
Ο τύπος του ταίριαζε τόσο καλά με τα δεδομένα που προσπάθησε να το συμπεράνει. Μπόρεσε να το κάνει αυτό μέσα σε λίγους μήνες υποθέτοντας ότι η ενέργεια απελευθερώθηκε σε κβάντα με E=hν. Παρά το γεγονός ότι υπάρχει ένας τεράστιος αριθμός τρόπων κοιλότητας σε υψηλές συχνότητες, η πιθανότητα εκπομπής τέτοιων κβαντών υψηλής ενέργειας εξαφανίζεται γρήγορα σύμφωνα με την κατανομή Boltzmann. Η Plank μείωσε την ακτινοβολία υψηλής συχνότητας στον υπολογισμό, ευθυγραμμίζοντας την με το πείραμα. Αξίζει να σημειωθεί ότι ο τύπος Black Body του Plank είναι ο ίδιος στο όριο με το hν<
Πού,
k =σταθερά του Boltzmann, T =απόλυτη θερμοκρασία, h = σταθερά Planck
Ένα μαύρο σώμα, από την άλλη πλευρά, θα αρχίσει να λάμπει με θερμική ακτινοβολία όταν θερμανθεί σε υψηλή θερμοκρασία. Ένα μαύρο σώμα είναι αυτό που απορροφά όλη την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια που το χτυπά. Για να διατηρήσει τη θερμική ισορροπία, μια μαύρη ουσία πρέπει να απελευθερώσει ακτινοβολία με τον ίδιο ρυθμό που την απορροφά, επομένως ακτινοβολεί επίσης καλά. Όταν θερμαίνουμε οτιδήποτε στους περίπου 5000 βαθμούς Φαρενάιτ, κοντά στη θερμοκρασία της επιφάνειας του ήλιου, ακτινοβολεί έντονα στο ορατό φάσμα και λέγεται ότι είναι λευκό καυτό. Θεωρώντας τις πλάκες σε θερμική ισορροπία, είναι δυνατό να αποδειχθεί ότι η ισχύς εκπομπής πάνω από τον συντελεστή απορρόφησης πρέπει να είναι ίδια ως συνάρτηση του μήκους κύματος, ακόμη και για πλάκες κατασκευασμένες από διάφορα υλικά.
Συμπέρασμα
