Излучение абсолютно чёрного тела
История открытия законов излучения. Закон излучения Кирхгофа. Законы Стефана-Больцмана, Релея-Джинса. Первый и второй законы Вина. Эксперимент в области малых частот и ультрафиолетовая катастрофа. Р. Фейнман и создание квантовой электродинамики.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 14.10.2016 |
| Размер файла | 760,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. Ульянова-Ленина
Кафедра РТЭ
ИСТОРИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ НАУКИ
Реферат на тему:
"Излучение абсолютно черного тела"
Выполнил: Тишков П.В.
Группа: 1201
Преподаватель: Григорьев А.Д.
Санкт-Петербург, 2016 год
Содержание
- 1. Открытие законов излучения
- 1.1 Закон излучения Кирхгофа
- 1.2 Закон Стефана-Больцмана
- 1.3 Первый закон излучения Вина
- 1.4 Второй закон излучения Вина
- 1.5 Закон Релея-Джинса
- 2. Ультрафиолетовая катастрофа
- 3. Макс Планк и кванты
- 4. Законы излучения Эйнштейна
- 5. Р. Фейнман и создание квантовой электродинамики
- Список литературы
1. Открытие законов излучения
1.1 Закон излучения Кирхгофа
В 1859 году Густав Кирхгоф установил закон, что отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел при данной температуре для данной частоты и не зависит от их формы, химического состава и прочего.
где еi (х, T) - излучательная способность тела, бi (х, T) - поглощательная способность тела.
Уже в 1862 году Кирхгоф ввёл термин "абсолютно чёрное тело". Абсолютно чёрное тело - физическое тело, которое при любой температуре поглощает всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах. Таким образом, для абсолютно чёрного тела поглощательная способность (отношение поглощённой энергии к энергии падающего излучения) равна 1 при излучениях всех частот, направлений распространения и поляризаций.
Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только его температурой.
Важность абсолютно чёрного тела в вопросе о спектре теплового излучения любых (серых и цветных) тел вообще, кроме того, что оно представляет собой наиболее простой нетривиальный случай, состоит ещё и в том, что вопрос о спектре равновесного теплового излучения тел любого цвета и коэффициента отражения сводится методами классической термодинамики к вопросу об излучении абсолютно чёрного тела (и исторически это было уже сделано к концу 19 века, когда проблема излучения абсолютно чёрного тела вышла на первый план).
1.2 Закон Стефана-Больцмана
В 1879 году на основе экспериментальных данных Йозеф Стефан определил зависимость полной объемной плотности равновесного излучения с и полной испускательной способности u от температуры:
где a - некая универсальная постоянная, у - постоянная Стефана-Больцмана.
Этот закон, поначалу, был сформулирован для испускательной способности любого тела. Впоследствии было определена его справедливость только для абсолютно черного тела.
В 1884 году теоретически этот закон был получен Людвигом Больцманом из термодинамических соображений. Однако значения постоянных a и у в то время были неизвестны.
1.3 Первый закон излучения Вина
В 1893 году Вильгельм Вин, воспользовавшись, помимо классической термодинамики, электромагнитной теорией света, вывел следующую формулу:
где uн - плотность энергии излучения, н - частота излучения, T - температура излучающего тела, f - функция, зависящая только от отношения частоты к температуре. Вид этой функции невозможно установить, исходя только из термодинамических соображений.
Первая формула Вина справедлива для всех частот. Любая более конкретная формула (например, закон Планка) должна удовлетворять первой формуле Вина.
Из первой формулы Вина можно вывести закон смещения Вина (закон максимума) и закон Стефана - Больцмана, но нельзя найти значения постоянных, входящих в эти законы.
1.4 Второй закон излучения Вина
В 1896 году Вин на основе дополнительных предположений вывел второй закон:
где C1, C2 - константы. Опыт показывает, что вторая формула Вина справедлива лишь в пределе высоких частот (малых длин волн). Она является частным конкретным случаем первого закона Вина. Но так же, как и его предшественники, Вильгельм Вин не смог определить константы C1 и C2.
1.5 Закон Релея-Джинса
В 1900 году Джон Рэлей подошёл к изучению спектральных возможностей излучения черного тела с позиции статистической физики, воспользовавшись классическим законом распределения по степеням свободы. А в 1905 году Джеймс Джинс вывел формулу плотности энергии, уточнив расчеты Рэлея, и получил известный закон Рэлея-Джинса:
закон излучение квантовая электродинамика
где u (щ, T) - равновесная плотность энергии теплового излучения, f (щ, T) - испускательная способность абсолютно чёрного тела.
2. Ультрафиолетовая катастрофа
Закон Рэлея-Джинса хорошо согласуется с экспериментом в области малых частот. Однако в области больших частот эта формула заведомо неверна. Из закона Вина и Рэлея - Джинса следовало, что чем короче длина волны, тем большей должна быть интенсивность теплового излучения. Более того, возникал парадокс, заключающийся в том, что интенсивность излучения при переходе к все более коротким волнам (ультрафиолетовая область) должна была расти совершенно неограниченно (что видно на графике). Но на опытах подобного не наблюдалось.
Сложившаяся ситуация в теории излучения называется "ультрафиолетовой катастрофой". Формула Рэлея-Джинса была верна для больших длин волн, формула Вина - для коротких длин волн. Проблема состояла том, чтобы получить изящное выражение, описывающее излучение во всём диапазоне частот.
Проблема была решена при помощи квантовой теории излучения Макса Планка в 1900 году.
3. Макс Планк и кванты
На заседании Немецкого физического общества Макс Планк зачитал свою историческую статью "К теории распределения энергии излучения в нормальном спектре", в которой он ввёл универсальную постоянную h. Именно дату этого события, 14 декабря 1900 года, часто считают днем рождения квантовой теории.
Квантовая гипотеза Планка состояла в том, что для элементарных частиц, любая энергия поглощается или испускается только дискретными порциями (квантами). Эти порции состоят из целого числа квантов с такой энергией е, что эта энергия пропорциональна частоте н с коэффициентом пропорциональности, определённым по формуле:
Где h - постоянная Планка, и ?=h/2р.
Используя теорию квантов, Планк получил выражение для плотности энергии излучения:
С помощью этого выражения можно Планк получил неизвестные коэффициенты С1 и С2 во втором законе Вина:
а также получил закон Релея-Джинса для больших длин волн (hщ/kT<<1).
В 1918 году Макс Планк получил Нобелевскую премию за открытие кванта действия.
4. Законы излучения Эйнштейна
До начала 20-го века считалось, что свет имеет строго волновую природу. Планк предположил, что энергия света выделяется дискретно, определенными порциями - квантами. И 18 марта 1905 года в редакцию поступает статья Альберта Эйнштейна, которая называется "Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света". Эйнштейн во введении к своей работе пишет так: "Согласно сделанному здесь предположению, энергия пучка света, вышедшего из некоторой точки, не распределяется непрерывно во всё возрастающем объёме, а складывается из конечного числа локализованных в пространстве неделимых квантов энергии, поглощаемых или возникающих только целиком". Это предположение согласовывалось с планковской гипотезой.
Эйнштейн предположил, что световое излучение помимо признаков волны, обладает корпускулярными свойствами. Эйнштейн выдвинул тезис, что не только процесс поглощения, но и само электромагнитное излучение дискретно, в последствии, эти порции (кванты) стали называть фотонами. Использую теорию квантов, Эйнштейн получил уравнение фотоэффекта:
где Авых - работа выхода электрона из металла. Свет состоит из потока квантов, которые излучаются и поглощаются веществами. Чем ярче свет (выше частота), тем больше фотонов и, соответственно, больше выбитых с поверхности металла электронов. Впоследствии данная теория неоднократно была подтверждена на практике. Через 16 лет (1921 г.) за разработку теории фотоэффекта Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия.
В 1916 году Эйнштейн дал сравнительно простой вывод формулы Планка, используя для моделирования механизма излучения переходы в двухуровневой системе и применив к описанию вероятностный подход. Он предположил, что атомы могут получать и терять энергию, поглощая или испуская квант света (фотон). Поглощая или испуская фотон, атом может перейти с уровня n на уровень m, и обратно. Эйнштейн предположил также, что существует три сорта процессов: поглощение, пропорциональное интенсивности света; излучение, пропорциональное интенсивности света (его называют индуцированным излучением или вынужденным излучением); спонтанное излучение, не зависящее от интенсивности света.
Введя коэффициенты вероятности поглощения Bnm, индуцированного излучения Bmn и спонтанного излучения Amn, называемые коэффициентами Эйнштейна, он выразил интенсивность излучения:
Используя уже известную формулу Планка, выразил коэффициенты поглощения и излучения. Используя эти коэффициенты, можно довольно просто получить скорость излучений или поглощений атома. Чтобы вычислить любую скорость атомного перехода (а значит и излучения и поглощения), нужно знать все скрытые механизмы атома. Этому учит так называемая квантовая электродинамика, открытая лишь одиннадцать лет спустя. А Эйнштейн предсказал это всё в 1916 году.
5. Р. Фейнман и создание квантовой электродинамики
Благодаря открытию квантов Планком и Эйнштейном, открываются новые и новые законы. В 1913 году появляется боровская модель атома. В 1924 году - гипотеза де-Бройля о корпускулярно-волновом дуализме. В 1926 году Шрёдингер получил одноименное уравнение, а в 1927 году был открыт принцип неопределенности Гейзенберга.
Для решения задач, связанных со взаимодействием электромагнитного поля с нерелятивистскими объектами, например, при излучении и поглощении света атомами, обычной квантовой механики стало недостаточно. Поэтому в 1927 году Полом Дираком была создана первая полная теория квантового поля, он представил электромагнитное поле как систему квантовых осцилляторов и учел его взаимодействие с атомами в первом порядке теории возмущений. Такой подход позволил понять природу спонтанного излучения атомов, о котором говорил Эйнштейн, и вычислить его вероятность.
Используя теорию поля, и открытые Дираком закономерности, работы проводились далее и другими учеными, делая эту теорию более полной и более точной.
Уже в 30-х годах было обнаружено появление бесконечных величин. В то время экспериментальная точность была не слишком высока, и эти бесконечности можно было игнорировать, ограничиваясь низшим порядком теории возмущений, в то время как бесконечности возникали при расчете процессов в более высоких порядках. Но позже потребовалось рассчитывать взаимодействия с высокоэнергетическими фотонами.
В 1947 году Лэмб и Ризерфорд измерили величину разности между энергиями состояний атома водорода, так называемый лэмбовский сдвиг. А в 1948 году группа физиков, включавшая Швингера, Фейнмана, Дайсона и Томонагу, разработала аппарат для "обуздания бесконечностей" - метод перенормировок, что послужило началом квантовой электродинамики - первой перенормируемой теории поля.
Результаты оказались многообещающими. В 1948 году очень точно вычислили магнитный момент электрона, оказалось, что он должен слегка превышать магнетон Бора. Был заново и значительно проще вычислен лэмбовский сдвиг, однозначно получены радиационные поправки высших порядков и детально рассмотрены эффекты поляризации вакуума.
Ричард Фейнман внёс большой вклад в основание и развитие квантовой электродинамики. После создания метода перенормировок, в 1949 году Фейнман разработал одноименный метод диаграмм Фейнмана, который очень наглядно и эффективно описывает взаимодействия в квантовой электродинамике. Также разработал метод интегралов по траекториям. Помимо этого написал несколько книг по квантовой электродинамике, и проводил интересные лекции по той же теме во многих институтах. В 1965 году совместно с Томонагой и Швингером стал лауреатом Нобелевской премии по физике.
При всех этих достижениях квантовая электродинамика всё же не освободилась полностью от ряда спорных проблем. Поэтому она успешно развивается и до сих пор.
Список литературы
1. https: // ru. wikiversity.org/wiki/Квантовая _теория_поля/История
2. https: // ru. wikipedia.org/wiki/Абсолютно_чёрное _тело
3. https: // ru. wikipedia.org/wiki/Квантовая_электродинамика
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Характеристики и законы теплового излучения. Спектральная плотность энергетической светимости. Модель абсолютно черного тела. Закон Кирхгофа, Стефана-Больцмана, смещения Вина. Тепловое излучение и люминесценция. Формула Рэлея-Джинса и теория Планка.
презентация [2,3 M], добавлен 14.03.2016Ознакомление с основами возникновения теплового излучения. Излучение абсолютно чёрного тела и его излучения при разных температурах. Закони Кирхгофа, Стефана—Больцмана и Вина; формула и квантовая гипотеза Планка. Применение методов оптической пирометрии.
презентация [951,0 K], добавлен 04.06.2014Тепловое излучение как излучение телом электромагнитных волн за счет его внутренней энергии. Закон Кирхгофа и закон Стефана–Больцмана, их сущность. Понятие энергетической светимости и поглощательной способности тела. Формулы Рэлея–Джинса и Планка.
презентация [313,1 K], добавлен 29.09.2011Описание основных понятий и формул теплового излучения. Вычисление спектральной плотности и интегральной энергетической светимости (излучательности). Закон Кирхгофа, законы Стефана-Больцмана и Вина. Формула Рэлея-Джинса и Планка. Оптическая пирометрия.
курсовая работа [892,3 K], добавлен 31.10.2013Характеристика особенностей возникновения теплового излучения. Изучение законов теплового излучения черного тела Стефана - Больцмана и Вина. Развитие квантовой теории Эйнштейном. Связь между испускательной и поглощательной способностями черного тела.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 28.03.2013Люминесценция и тепловое излучение. Спектральная поглощательная способность тела, законы Кирхгофа и Стефана-Больцмана. Равновесное излучение в замкнутой полости с зеркальными стенками, формула Рэлея-Джинса. Термодинамическая вероятность, теория Планка.
курс лекций [616,3 K], добавлен 30.04.2012Электромагнитное излучение тела. Теплоизолированная система тел. Лучеиспускательная способность. Законы излучения абсолютно черного тела. Формула Релея-Джинса. Квантовая теория Планка. Энергия радиационного осциллятора. Понятие об оптической пирометрии.
реферат [813,1 K], добавлен 05.11.2008Понятие абсолютно черного тела. Максвелловская теория электромагнетизма. Релятивистский закон сохранения энергии – массы. Теория относительности А. Эйнштейна. Поглощательная способность тела. Закон теплового излучения Г. Кирхгофа, Стефана-Больцмана.
реферат [748,6 K], добавлен 30.05.2012Экспериментальные закономерности теплового излучения. Спектральная плотность излучения. Поток лучистой энергии. Абсолютно черное тело и Закон Кирхгофа. Экспериментальная зависимость излучательной способности от температуры. Закон смещения или закон Вина.
презентация [1,8 M], добавлен 23.08.2013Возникновение учения о квантах. Фотоэффект и его законы: Кирхгофа, Стефана-Больцмана и Вина. Формулы Рэлея-Джинса и Планка. Фотон, его энергия и импульс. Давление света и опыты П.Н. Лебедева. Корпускулярно-волновой дуализм. Химическое действие света.
курсовая работа [853,0 K], добавлен 22.02.2014
