Введение в квантовую физику
advertisement
Введение в квантовую физику. Тепловое излучение. Абсолютно черное тело. Сергеев А.А. учитель физики МБОУ Воротынская СОШ Зарождение теории В начале ХХ в. перед учеными встали проблемы описания многих физ.явлений 1)Строение атома Согласно электродинамике Максвелла любая ускоренно движущаяся частица должна испускать эл.маг. волны. В атоме электрон ускоренно вращается вокруг ядра, при этом атом должен постоянно излучать. Теряя энергию электрон должен упасть на ядро и атом должен перестать существовать Зарождение теории В начале ХХ в. перед учеными встали проблемы описания многих физ.явлений 2) Происхождение линейчатых спектров испускания и поглощения. 3) Явление фотоэффекта. 4) Явление радиоактивности 5) Рентгеновские лучи. 6) Люминесценция и т.д. Выход из кризиса помогли зарождающиеся теория относительности Эйнштейна и квантовая теория. родилась при глубоком изучении х Тепловое излучение Тепловое излучение – электромагнитное излучение, испускаемое веществом возникающее за счет его внутренней энергии. Все другие виды свечения (излучения света), возбуждаемые за счет любого другого вида энергии, кроме теплового, называются люминесценцией: хемилюминесценция фотолюминесценция электролюминесценция Тепловое излучение Испускают Т.И. все нагретые тела. Разница лишь в интенсивности и спектральном составе • Т.И. ведет к уменьшению вн. энергии следовательно к понижению температуры • Увеличение вн.энергии возможно только за счет поглощения энергии Тепловое излучение • Термодинамическое равновесие, состояние при котором тело в единицу времени теряет при Т.И. столько энергии оно за эту единицу и поглощает. Только при Т.И. возможно термодинамическое равновесие, при всех других видах излучений тело постоянно отдает энергию. Тепловое излучение • Опыт показывает: Чем большую энергию тело излучает при постоянной Т, тем оно сильнее поглощает излучение такого - же спектрального состава при этой Т. Абсолютно черное тело Термин был введён Густавом Кирхгофом в 1862. физическая абстракция, применяемая в термодинамике, тело, поглощающее всю энергию падающего на него излучения любой частоты при произвольной температуре и ничего не отражающее. — Модель АЧТ была введена для теоретического рассмотрения законов излучений Абсолютно черное тело АЧТ само может испускать электромагнитное излучение любой частоты Спектр излучения АЧТ определяется только его температурой. Абсолютно черное тело Наиболее чёрные реальные вещества: • Сажа , поглощают до 99 % падающего излучения. • Черный бархат или бумага. Среди тел Солнечной системы свойствами абсолютно чёрного тела в наибольшей степени обладает Солнце Тела АЧТ α=1 Серое тело α<1 Белое тело α<<1 α – коэффициент поглощения. При одной и той же температуре АЧТ выделит больше тепла чем любое другое Характеристики и законы теплового излучения P 1. Интегральная (полная) светимость - RT S количественная хар-ка Т.И, т.е мощность излучения с единицы поверхности. Еще её называют энергетическая светимость Измеряется в Вт 2 м 2. Спектральная светимость R -полная светимость приходящаяся r на данный интервал длин волн. Характеристики и законы теплового излучения В 1893 году нем.физик Вильгельм Вин теоретически доказал что для каждой температуры существует такая длина волны λ, на которую приходится наибольшая часть энергии, испускаемой АЧТ. Закон смещения Вина b m T b 3 10 -3( ì Ê ) Характеристики и законы теплового излучения Для Солнца max энергии приходится на λ=470нм. Если Солнце считать АЧТ, то из закона Вина следует , что температура поверхности Солнца ≈6000К Если считать, что кожа человека близка по свойствам к абсолютно чёрному телу, то максимум спектра излучения при температуре 36°C (309 К) лежит на длине волны 9400 нм (в инфракрасной области спектра). Характеристики и законы теплового излучения Австрийские физики Иозеф Стефан(экспериментально) и Людвиг Больцман(теоретически) установили, что энергия излучаемая АЧТ за 1 с с единицы поверхности пропорциональна T 4 R T 5,67 10 8 4 Закон Стефана-Больцмана Вт м2 К 4 Излучение АЧТ определяется его температурой Абсолютно черное тело Температурный интервал в Кельвинах Цвет до 1000 Красный 1000—1500 Оранжевый 1500—2000 Жёлтый 2000—4000 Бледно-жёлтый 4000—5500 Желтовато-белый 5500—7000 Чисто белый 7000—9000 Голубовато-белый 9000—15000 Бело-голубой 15000—∞ Голубой х Ультрафиолетовая катастрофа В 1905 году (англ.физики) Джинс и Релей опираясь на законы Вина получили формулу закона распределения энергии в спектре АЧТ 2 2 kT Формула c Релея - Джинса 2 r ,T Она показывает: • Спектральная плотность мощности излучения должна была неограниченно расти по мере сокращения длины волны (увеличения частоты). • Полная мощность теплового излучения любого нагретого тела должна быть бесконечной. Ультрафиолетовая катастрофа RT Этот результат получил название «ультрафиолетовой катастрофы», так как с точки зрения классической физики вывод Рэлея-Джинса был сделан безупречно. ультрафиолетовая катастрофа . Вин Планк 17 х Квантовая гипотеза Планка Планк Макс Карл Эрнст Людвиг (1858 – 1947) – немецкий физиктеоретик, основоположник квантовой теории. В декабре 2000 года мировая научная общественность отмечала столетний юбилей возникновения новой науки – квантовой физики и открытие новой фундаментальной физической константы – постоянной Планка. Заслуга в этом принадлежит выдающемуся немецкому физику Максу Планку . Ему удалось решить проблему спектрального распределения света, излучаемого нагретыми телами, проблему, перед которой классическая физика оказалась бессильной. Планк первым высказал гипотезу о квантовании энергии осциллятора, несовместимую с принципами классической физики. Именно эта гипотеза, развитая впоследствии трудами многих выдающихся физиков, дала толчок процессу пересмотра и ломки старых понятий, который завершился созданием квантовой физики. х Квантовая гипотеза Планка АЧТ испускает и поглощает свет не непрерывно, а определенными порциями энергии- квантами Минимальная порция энергии: 2 h / 2π E h h 6,62 10 34 Дж с постоянная Планка 1,054 10 34 Дж с Формула Планка 2 h 2 h / kT c e 1 2 r ,T Ультрафиолетовая катастрофа Рэлей - Джинс Планк Вин Формула Планка 2 h 2 h / kT c e 1 2 r ,T Формула Планка блестяще согласуется с экспериментальными данными по распределению энергии в спектрах излучения черного тела во всем интервале частот и температур. Формула Планка Из формулы Планка, зная универсальные постоянные h, k и c, можно вычислить постоянную Стефана-Больцмана σ и Вина b. С другой стороны, зная экспериментальные значения σ и b, можно вычислить h и k (именно так и было впервые найдено числовое значение постоянной Планка). Теоретически вывод этой формулы М. Планк изложил 14 декабря 1900 г. на заседании Немецкого физического общества. Этот день стал датой рождения квантовой физики.
