Πώς η κβαντική θεωρία εξηγεί τις καμπύλες ακτινοβολίας μαύρου σώματος;
Επεξήγηση της κβαντικής θεωρίας για τις καμπύλες ακτινοβολίας Blackbody
Η κλασσική φυσική απέτυχε να εξηγήσει τις παρατηρούμενες καμπύλες ακτινοβολίας μαύρου σώματος, οδηγώντας στην "υπεριώδη καταστροφή". Εδώ είναι πώς η κβαντική θεωρία επιλύει αυτό το πρόβλημα:
Αποτυχία της κλασικής φυσικής:
* Θεώρημα ισορροπίας: Η κλασική φυσική υποθέτει ότι η ενέργεια θα μπορούσε να διανεμηθεί συνεχώς μεταξύ των τρόπων δόνησης ενός μαύρου σώματος. Αυτό οδήγησε στην πρόβλεψη ότι η ένταση της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας θα πρέπει να αυξηθεί επ 'αόριστον με τη συχνότητα, η οποία έρχεται σε αντίθεση με πειραματικές παρατηρήσεις.
Λύση της κβαντικής θεωρίας:
* Κοσμή της ενέργειας: Ο Max Planck πρότεινε ότι η ενέργεια δεν είναι συνεχής, αλλά έρχεται σε διακριτά πακέτα που ονομάζονται Quanta. Η ενέργεια ενός κβαντικού είναι ανάλογη με τη συχνότητα της ακτινοβολίας:E =HF, όπου το H είναι η σταθερά του Planck.
* Νόμος του Planck: Εφαρμόζοντας την αρχή της ποσοτικοποίησης στους ταλαντωτές μέσα στο Blackbody, ο Planck προέκυψε μια νέα φόρμουλα που προέβλεψε σωστά τις παρατηρούμενες καμπύλες ακτινοβολίας. Αυτός ο τύπος, γνωστός ως νόμος του Planck, δηλώνει:
`` `
B (ν, t) =(2Hν3/c²) * (1/(e^(hν/kt) - 1)))
`` `
όπου:
* B (ν, t) είναι η φασματική ακτινοβολία στη συχνότητα ν και θερμοκρασία t
* H είναι η σταθερά του Planck
* C είναι η ταχύτητα του φωτός
* k είναι η σταθερά του Boltzmann
Βασικά σημεία:
* Κάτω συχνότητες: Σε χαμηλότερες συχνότητες, το acerate quanta είναι μικρές και πολλοί ταλαντωτές μπορούν να ενθουσιαστούν. Αυτό οδηγεί σε υψηλή ένταση σε μεγαλύτερα μήκη κύματος.
* υψηλότερες συχνότητες: Σε υψηλότερες συχνότητες, το acerate quanta είναι μεγάλες. Λιγότεροι ταλαντωτές έχουν αρκετή ενέργεια για να είναι ενθουσιασμένοι, οδηγώντας σε μείωση της έντασης σε μικρότερα μήκη κύματος.
* Νόμος περί μετατόπισης του Wien: Ο νόμος του Planck εξηγεί επίσης τον νόμο περί μετατόπισης του Wien, ο οποίος δηλώνει ότι το μέγιστο μήκος κύματος της ακτινοβολίας του μαύρου σώματος μετατοπίζεται προς μικρότερα μήκη κύματος καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία.
Συνέπειες:
* Η επιτυχία της θεωρίας του Planck στην εξήγηση της ακτινοβολίας του μαύρου σώματος ήταν ένα σημαντικό σημείο καμπής στη φυσική, οδηγώντας στην ανάπτυξη της κβαντικής μηχανικής.
* Οδήγησε επίσης στην κατανόηση ότι το φως μπορεί να συμπεριφέρεται τόσο ως κύμα όσο και ως σωματίδιο, ανοίγοντας το δρόμο για την ανάπτυξη της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής.
Συνοπτικά, η κβαντική θεωρία εξήγησε με επιτυχία τις καμπύλες ακτινοβολίας μαύρου σώματος, εισάγοντας την έννοια της κβαντισμένης ενέργειας, όπου η ενέργεια δεν είναι συνεχής αλλά έρχεται σε διακριτά πακέτα. Αυτό οδήγησε στο νόμο του Planck, ο οποίος προέβλεψε με ακρίβεια τις παρατηρούμενες καμπύλες ακτινοβολίας και άνοιξε μια νέα εποχή φυσικής.
