Hvad er Blackbody-stråling?

Bølgeteorien om lys, som Maxwells ligninger fangede så godt, blev det dominerende lys teori i 1800-tallet (overgå Newtons corpuskulære teori, der var mislykkedes i et antal situationer). Den første store udfordring for teorien kom til at forklare termisk stråling, som er typen af elektromagnetisk stråling udsendt af genstande på grund af deres temperatur.

Et apparat kan indstilles til at detektere strålingen fra en genstand, der holdes ved temperaturen T₁. (Da et varmt legeme afgiver stråling i alle retninger, skal en slags afskærmning placeres på plads, så strålingen der undersøges er i en smal bjælke.) Placering af et spredningsmedium (dvs. et prisme) mellem kroppen og detektoren, bølgelængder (λ) af strålingen spredes i en vinkel (θ). Da detektoren ikke er et geometrisk punkt, måler det en række delta-theta hvilket svarer til et interval delta-λmen i en ideel opsætning er dette interval relativt lille.

Hvis jeg repræsenterer den totale intensitet af fra ved alle bølgelængder, derefter denne intensitet over et interval 5

δjeg = R(λ) δλ

R(λ) er Radiancy eller intensitet pr. enheds bølgelængdeinterval. I calculus notation, δ-værdierne reduceres til deres grænse på nul, og ligningen bliver:

dI = R(λ) dλ

Det ovenfor beskrevne eksperiment detekterer dI, og derfor R(λkan bestemmes for en hvilken som helst ønsket bølgelængde.

Når vi udfører eksperimentet i et antal forskellige temperaturer, opnår vi en række radiancy vs. bølgelængdekurver, der giver betydelige resultater:

• Den totale intensitet udstrålte over alle bølgelængder (dvs. området under R(λ) kurve) stiger, når temperaturen stiger.

Dette er bestemt intuitivt, og faktisk finder vi ud af, at hvis vi tager integralen af ​​intensitetsligningen ovenfor, får vi en værdi, der er proportional med den fjerde effekt af temperaturen. Specifikt kommer proportionaliteten fra Stefan's lov og bestemmes af Stefan-Boltzmann konstant (sigma) i formen:

jeg = σ T⁴

• Værdien af ​​bølgelængden λ_max hvor radiancen når sit maksimum falder, når temperaturen stiger.

Eksperimenterne viser, at den maksimale bølgelængde er omvendt proportional med temperaturen. Faktisk har vi fundet, at hvis du multiplicerer λ_max og temperaturen får du en konstant i det, der er kendt som Weins forskydningslov:λ_max T = 2,898 x 10^-3 mK

Ovenstående beskrivelse involverede lidt snyd. Lys reflekteres fra genstande, så det beskrevne eksperiment løber ind i problemet med, hvad der faktisk testes. For at forenkle situationen så forskerne på en sortlegeme, hvilket vil sige et objekt, der ikke reflekterer noget lys.

Overvej en metalboks med et lille hul i det. Hvis lys rammer hullet, kommer det ind i boksen, og der er lille chance for, at det springer ud igen. I dette tilfælde er hullet, ikke selve kassen, den sorte krop. Strålingen, der detekteres uden for hullet, vil være en prøve af strålingen inde i kassen, så der kræves en vis analyse for at forstå, hvad der sker inde i kassen.

Kassen er fyldt med elektromagnetisk stående bølger. Hvis væggene er metal, springer strålingen rundt i kassen, hvor det elektriske felt stopper ved hver væg, hvilket skaber en knude ved hver væg.

Antallet af stående bølger med bølgelængder mellem λ og dλ er

N (λ) dλ = (8π V / λ⁴d)

hvor V er volumen på kassen. Dette kan bevises ved regelmæssig analyse af stående bølger og udvide det til tre dimensioner.

Hver enkelt bølge bidrager med en energi kT til strålingen i kassen. Fra klassisk termodynamik ved vi, at strålingen i kassen er i termisk ligevægt med væggene ved temperaturen T. Stråling absorberes og hurtigt genmonteres af væggene, hvilket skaber svingninger i frekvensen af stråling. Den gennemsnitlige termiske kinetiske energi for et oscillerende atom er 0,5kT. Da dette er enkle harmoniske oscillatorer, er den gennemsnitlige kinetiske energi lig med den gennemsnitlige potentielle energi, så den samlede energi er kT.

Strålingen er relateret til energitætheden (energi pr. Enhedsvolumen) u(λ) i forholdet

R(λ) = (c / 4) u(λ)

Dette opnås ved at bestemme mængden af ​​stråling, der passerer gennem et element af overfladeareal inden i hulrummet.

u(λ) = (8π / λ⁴) kT

R(λ) = (8π / λ⁴) kT (c / 4) (kendt som Rayleigh-Jeans formel)

Dataene (de tre andre kurver i grafen) viser faktisk en maksimal radiancy og under lambda_max på dette tidspunkt falder radiancen og nærmer sig 0 som lambda nærmer sig 0.

Denne fiasko kaldes ultraviolet katastrofe, og i 1900 havde det skabt alvorlige problemer for klassisk fysik, fordi det satte spørgsmålstegn ved de grundlæggende begreber termodynamik og elektromagnetik, der var involveret i at nå den ligning. (Ved længere bølgelængder er Rayleigh-Jeans-formlen tættere på de observerede data.)

Max Planck antydet, at et atom kun kan absorbere eller genemitte energi i separate bundter (kvanter). Hvis energien fra disse kvanta er proportional med strålingsfrekvensen, ville energien ved store frekvenser på lignende måde blive stor. Da ingen stående bølge kunne have en energi, der er større end kT, dette satte en effektiv hætte på højfrekvensradiancy, hvorved den ultraviolette katastrofe løses.

Hver oscillator kunne udsende eller absorbere energi kun i mængder, der er heltalsmultipleparater af kvanten af ​​energi (epsilon):

E = n ε, hvor antallet af kvanta, n = 1, 2, 3,.. .

ν

ε = h ν

h

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

Mens Planck introducerede ideen om kvanta til at løse problemer i et specifikt eksperiment, gik Albert Einstein videre til at definere den som en grundlæggende egenskab ved det elektromagnetiske felt. Planck og de fleste fysikere var langsomme med at acceptere denne fortolkning, indtil der var overvældende bevis for at gøre det.