IV. Излучение Абсолютно Черного Тела.

Свет представляет из себя электромагнитную волну , состоящую из множества спектров, различимых при явлении дисперсии. Как известно, одним из видов переноса энергии является излучение ( в том числе и тепловое). Одним из теплофизических свойств твердого тела является его способность поглощать тепловое излучение. При этом часто наблюдается дискретизация поглощения светового излучения - разные предметы поглощают свет в разных диапазонах (из-за этого очевидно многообразие цветов среди тел разной природы).

В термодинамике рассматривается равновесное тепловое излучение- излучение, испускаемое телом , температура которого постоянна. На рисунке представлена модель системы, находящейся в термодинамическом равновесии:

,

(I)

Сфера δ является непрозрачной, обладает постоянной температурой поверхности T1. В ее центре находится источник равновесного теплового излучения s c постоянной температурой T2=Т1 . Поскольку источник излучает, а сфера поглощает электромагнитные волны, то для оболочки существует величина поглощения , равная отношению энергии, ею поглощенной, к единице времени при заданных частоте и температуре:

При равновесном процессе интенсивность излучения электромагнитных волн будет равна поглощательной способности поверхности сферы. Если на определенной температуре Т тело не в состоянии поглощать определенную частоту ν, то оно не может испускать равновесное излучение этой же частоты.

Для абсолютно черного тела при любой температуре поглощаются волны любых частот , то есть поглощательная способность абсолютно черного тела равна единице. Можно заметить, что спектр излучения солнца близок к абсолютно белому, то есть содержит близкий к полному диапазон частот светового видимого излучения. Следовательно, солнце похоже на абсолютно черное тело: теоретически оно может принимать энергию в том же диапазоне частот.

На практике модель абсолютно черного тела реализуется с использованием таких материалов , как сажа, черный бархат, платиновая чернь.

(II)

На рисунке выше луч попадает в отверстие с малым диаметром на непрозрачной поверхности сферы. Изнутри стенка устлана слоем платиновой черни или сажи. При прохождении через отверстие луч частично теряет энергию, меняя свое направление. При многократном отражении от поверхности энергия волны полностью переходит во внутреннюю энергию стенки. На графике приведены кривые характеристики зависимости лучеиспускательной способности от температуры и частоты в спектре абсолютно черного тела. Кривая, полученная опытным путем асимптотически уходит в бесконечность, три опытных кривых стремятся к нулю на бесконечности- ось ν их асимптота. Эти кривые показывают распределение энергии в спектре абсолютно черного тела, имеют характер непрерывной кривой При разных температурах графики кривых отличаются.

(III)

При неограниченном возрастании кривой лучеиспускательной способности с увеличением частоты противоречит сути экспериментальной кривой и закону сохранения энергии : абсолютно черное тело приT=const ,обладая конечным запасом внутренней энергии , должно испускать с единицы площади неограниченно большую мощность излучения (⟼ ∞ при ν⟼ ∞). Этот вывод получил название ультрафиолетовой катастрофы ( частоты ν находятся в ультрафиолетовом диапазоне).

В теории теплового излучения абсолютно черного тела энергия системы может меняться непрерывно , принимая какие угодно близкие друг к другу близкие значения. Энергия системы- интеграл непрерывных возможных значений. Планк выдвинул гипотезу о том, что некоторые атомы абсолютно черного тела принимают энергию дискретно , квантами. Квант энергии равен:

(12)

На рисунке проиллюстрирована гипотеза Планка:

(IV)

Атом показывает свойства , подобные свойствам электрона ( находится на дискретных энергетических значениях – энергетических уровнях ). Для атома эти уровни кратны .