Fysiikka

Terminen säteily ja mustan kappaleen säteily


Kaksi tärkeätä kvantifysiikan käsitettä ovat lämpö säteily ja musta runko. Nyt tutkimme kutakin niistä.

Terminen säteily

Mikä tahansa ruumiin pinta, joka on absoluuttisen lämpötilan yläpuolella, säteilee sähkömagneettista säteilyä. Koska tämä energia liittyy lämpötilaan, sitä kutsutaan lämpö säteily.

Ruumiin säteily, jonka ruumiin pinta säteilee huoneenlämpötilassa, on infrapuna, näkymätön säteily. Jos nostamme esimerkiksi metallilevyn lämpötilaa 600 ° C: seen, säteilevä säteily on edelleen infrapuna, mutta nyt pystymme “havaitsemaan sen”, jos siirrämme käteni lähemmäs levyä. Lämpötilan nostaminen edelleen noin 700 ° C: seen ei vain tuota voimakasta infrapunasäteilyä, vaan pystymme myös tarkkailemaan punertavan valon säteilyä.

Jos metallilevyn lämpötila nousee edelleen ja olettaen, että sulamislämpötila ei täyty, havaitsemme yhä voimakkaampaa infrapunasäteilyä ja levy muuttuu vähitellen punaisesta oranssiksi, sitten keltaiseksi ja niin edelleen. eteenpäin, yleensä valkoiseksi.

Kun sininen valo tulee ulos, sen sekoittaminen muiden valojen kanssa antaa meille valkoisen tunteen, kuten hehkulampun valaistu hehkulanka. Jos jo valkoiseksi muuttuneella vartalolla on edelleen korkeampi lämpötila, sillä on taipumus saada sinertävä väri. Siksi siniset tähdet ovat kuumin.

Stefan-Boltzmann -laki

Vuonna 1879 Stefan sai empiirisesti yhtälön, jonka Boltzmann osoitti matemaattisesti vuonna 1884. Lauseke on:

(Stefan-Boltzmann -laki)

missä:

Pot = rungon ulkopinnasta säteilytetty kokonaisteho absoluuttisessa lämpötilassa T;

e = kehon säteilykyky tai päästövoima säteilevän pinnan luonteesta riippuen ja voi olettaa arvot välillä 0 ja 1 (mitaton määrä);

σ = Boltzmann-vakio, jonka arvo on σ = 5,67x10-8 W / m2K4;

A = säteilevä pinta-ala.

On tärkeää huomauttaa, että Stefan-Boltzmannin lain mukaan säteilyteho riippuu kehon absoluuttisesta pintalämpötilasta neljännessä voimassa, mikä on siten yhtälön määräävä tekijä.

Stefan-Boltzmannin laki voidaan ilmaista myös seuraavasti:

jossa minä on kehon lähettämän lämmön säteilyn kokonaisintensiteetti, eli emittoidun energian kokonaismäärä aikayksikköä ja kehon ulkopinnan pinta-alayksikköä kohti.

Klassisen sähkömagneettisen teorian mukaan kehosta sähkövaraukset lähettävät lämpöä säteilyä, joka värähtelee eri taajuuksilla lähellä pintaa lämmön sekoittumisen vuoksi. Siten säteilyä emittoidaan jatkuvalla taajuusalueella, toisin sanoen jatkuvalla spektrillä:

Klassisen fysiikan mukaan kun säteily säteilee kehossa, kehon pinnan lähellä olevat sähkövaraukset sekoittuvat siten, että osa absorboi vartaloon tulevaa energiaa. Vuonna 1859 Gustav Kirchhoff tajusi, että ruumiin absorptioteho on yhtä suuri kuin sen päästövoima. matemaattisesti:

Siksi hyvä kehon, joka absorboi lämpöä säteilyä (huono heijastin), on myös hyvä säteilijä. Samoin huono vaimennin (hyvä heijastin) on myös huono päästö.