Fysik

Termisk strålning och svartkroppsstrålning


Två viktiga begrepp för kvantfysik är termisk strålning och svart kropp. Från och med nu kommer vi att studera var och en av dem.

Termisk strålning

Varje yta på en kropp som är över absolut temperatur avger elektromagnetisk strålning. Eftersom denna energi är relaterad till temperatur kallas den termisk strålning.

Den termiska strålningen som avges av en kropps yta vid rumstemperatur är infraröd, en osynlig strålning. Om vi ​​till exempel höjer temperaturen på en metallplatta till 600 ° C kommer den utsända strålningen fortfarande att vara infraröd, men nu kommer vi att kunna "uppfatta den" om vi flyttar händerna närmare plattan. Att höja temperaturen ytterligare till cirka 700 ° C kommer inte bara att få ut intensiv infraröd strålning, utan vi kommer också att kunna observera utsläpp av rött ljus.

Om temperaturen på metallplattan fortsätter att stiga och antar att smälttemperaturen inte uppnås, kommer vi att observera alltmer intensiv infraröd strålning, och plattan ändras gradvis från röd till orange, sedan till gul, och så vidare. framåt, tenderar att bli vit.

När blått ljus kommer ut, genom att blanda det med de andra lamporna får vi känslan av vitt, som med den upplysta glödtråden från en glödlampa. Om en kropp som redan har blivit vit fortsätter att ha en högre temperatur tenderar den att få en blåaktig färg. Det är därför blå stjärnor är de hetaste.

Stefan-Boltzmann lag

1879 fick Stefan empiriskt den ekvation som Boltzmann visade matematiskt 1884. Uttrycket är:

(Stefan-Boltzmann Law)

där:

Krukan = total effekt utstrålad från kroppens yttre yta vid en absolut temperatur T;

e = kroppens emission eller emissionskraft, beroende på den utsändande ytans natur och kan anta värden mellan 0 och 1 (dimensionell kvantitet);

σ = Boltzmann-konstant, vars värde är σ = 5,67x10-8 W / m2K4;

A = utsändande ytarea.

Det är viktigt att påpeka att enligt Stefan-Boltzmanns lag är den utstrålade kraften beroende av kroppens absoluta yttemperatur i den fjärde kraften, vilket således är den avgörande faktorn i ekvationen.

Stefan-Boltzmanns lag kan också uttryckas på följande sätt:

var jag är den totala intensiteten för termisk strålning som avges av kroppen, dvs den totala mängden energi som släpps ut per tidsenhet och per enhetsarea på kroppens yttre yta.

Enligt klassisk elektromagnetisk teori utsänds termisk strålning av elektriska laddningar från kroppen, svängande vid olika frekvenser nära ytan på grund av termisk omröring. Således avges strålning i ett kontinuerligt intervall av frekvenser, det vill säga i ett kontinuerligt spektrum:

Enligt klassisk fysik, när termisk strålning lyser på en kropp, rörs de elektriska laddningarna nära kroppens yta, så att en del av den infallande energin i kroppen absorberas av den. 1859 insåg Gustav Kirchhoff att en kropps absorptionskraft är lika med dess utsläppskraft. matematiskt:

Därför är en bra kroppsabsorberande termisk strålning (dålig reflektor) också en bra sändare. På samma sätt är en dålig absorberare (bra reflektor) också en dålig emitter.