24.3 Закон Стефана-Больцмана. Закон зміщення Віна

Закон Стефана-Больцмана

1. Закон відкритий незалежно Й. Стефаном і Л. Больцманом - цей закон визначає залежність потужності випромінювання абсолютно чорного тіла від його температури.

2. Визначення. Потужність випромінювання абсолютно чорного тіла прямо пропорційна площі поверхні й четвертого ступеня температури тіла.

3. , де S - площа випромінювання, є - ступінь чорноти (для всіх речовин є < 1, для абсолютно чорного тіла є = 1), σ - постійна (σ = 5,67·10^-8 Дж·с^-1·м^-2·К^-4), Т - абсолютна температура поверхні.

4. Застосовується для опису випромінювання нагрітої поверхні.

Закон зміщення Віна

1. Вільгельм Він уперше вивів цей закон у 1893 році шляхом застосування законів термодинаміки до електромагнітного випромінювання. Він установлює залежність довжини хвилі, на якій потік випромінювання енергії чорного тіла досягає свого максимуму, від його температури.

2. Визначення. При зростанні температури абсолютно чорного тіла максимум випромінювання зсувається в ультрафіолетову частину спектру (в область коротких довжин хвиль) (Рисунок 24.1).

3. , де T - температура, а λ_max - довжина хвилі з максимальною інтенсивністю, b - постійна Вина, у системі СІ має значення b = 0,002898 м·К.

4. Описує криву випромінювання абсолютно чорного тіла.

2 4.4 Ультрафіолетова катастрофа. Квантова гіпотеза випромінювання м. Планка

Англійські фізики Релей і Джинс, аналізуючи закон Стефана-Больцмана й закон зміщення Віна, дійшли висновку, що інтенсивність випромінювання нагрітого тіла, пропорційна його абсолютній температурі й обернено пропорційна квадрату довжини хвилі випроміненого ним світла. Але цей закон відповідав тільки середині видимого спектру, тобто для жовтих і зелених кольорів світла. У міру наближення до ультрафіолетового випромінювання відповідність різко порушувалось, і чим коротша довжина хвилі, тим більшою повинна бути інтенсивність теплового випромінювання (Рисунок 24.4). При переході до ультрафіолетового випромінювання інтенсивність ставала необмеженою. Теплова ж рівновага між речовиною і випромінюванням ставала можливою тільки при абсолютному нулі температури. Іншими словами, згідно з класичною фізикою, у процесі встановлення теплової рівноваги електромагнітне поле повинно «викачати» з речовини всю його внутрішню енергію без залишку. Ці положення фізики образно охрестили «ультрафіолетової катастрофою».

Проте численні спостереження й досліди свідчать, що речовина й електромагнітне поле можуть перебувати в тепловій рівновазі при будь-якій температурі. Але саме цей «простий» факт тепловогї рівноваги між речовиною й полем класична фізика пояснити не могла. Основна причина того крилася в уявленнях про безперервність електромагнітного поля. У класичній фізиці речовина відрізняється від поля тим, що має дискретну структуру, тобто складається з окремих частинок, а поле безперервне.

Квантова гіпотеза випромінювання М. Планка

Н імецький фізик М. Планк у 1900 р знайшов формулу, яка не призводила до зазначеної «ультрафіолетової катастрофи» й вела до відомих формул Вина і Релея-Джинса для довгих електромагнітних хвиль. На основі цієї формули Планк висунув гіпотезу, яка блискуче підтвердилась явищем зовнішнього фотоефекту.

Гіпотеза М. Планка. Енергія випромінюється не суцільною хвилею, а квантами (певними порціями), енергія яких не може бути більшою чи складати частину енергії визначеної за формулою W = hν, де h - деяка постійна, однакова для електромагнітних хвиль будь-якої довжини, ν - частота світла.

Постійна Планка h

Це фундаментальна фізична стала, що визначає широке коло фізичних явищ, що володіють дискретністю h = 6,63 10^-34 Дж∙с