Топлинно излъчване

1. Абсолютно черно тяло

    От всекидневния опит знаем, че телата по различен начин поглъщат, отразяват и пропускат лъченията.

    Тяло, което изцяло поглъща падналото върху него лъчение, се нарича абсолютно черно тяло или за по-кратко — черно тяло (фиг. 8-1).

Фиг. 8-1.

 

    Абсолютно черното тяло е също така идеален излъчвател. Абсолютно черни тела, подобно на други идеализирани обекти, в природата не съществуват. Саждите, черният бархет, Слънцето и редица други тела с приближение може да се смята, че поглъщат и излъчват като абсолютно черно тяло.

2. Закон на Стефан

    През 1879 година австрийският физик Йозеф Стефан експериментално установява, чемощността Р на топлинното излъчване (енергията, излъчена за 1 s) от нагрято тяло е правопропорционапна на площта S на излъчващата повърхност на тялото и на четвъртата степен на нейната абсолютна температура Т. За абсолютно черно тяло тази зависимост се изразява с формулата

P = σST4

където  σ = 5,67.10-8 W/(m2.K4) е константа на Стефан.

    Ще обърнем специално внимание на много силната зависимост на мощността Р на топлинното излъчване от абсолютната температура Т (измерва се в келвини) на тялото: Р  ~  Т4. Ако например Т нарасне 2 пъти, P нараства 24 =16 пъти.

3. Спектър на топлинно излъчване

    В края на XIX век физиците извършват точни измервания и установяват, че интензитетът на излъчването на абсолютно черно тяло зависи единствено от абсолютната му температура Т и от дължината на вълната X. На фиг. 8-2 са показани спектрите на излъчване при пет различни температури. 

                                               

Фиг. 8-2. Снимка:https://physicstime.com

    При увеличаване на температурата нараства пълната енергия, излъчена от черното тяло за единица време. (Излъчената енергия е правопропорционална на площта, заградена между абсцисната ос и съответстващата на дадената температура спектрална крива.) Освен това при нарастване на температурата максимумът в спектъра на излъчване се отмества към късовълновата област. През 1893 година германският физик Вилхелм Вин установява, че произведението от дължината на вълната λmах, съответстваща на максимума в спектъра, и абсолютната температура Т на черното тяло остава постоянно при изменение на температурата

λmax.T = 2,9.10-3 m.K = const

    Това съотношение изразява закона на Вин за отместването на спектралния максимум.

4. Хипотеза на Планк

    За да обясни получените експериментално спектри на излъчване на абсолютно черно тяло, германският физик Макс Планк изказва принципно ново предположение, което излиза извън рамките на класическата електромагнитна теория на Максуел. Споредхипотезата на Планк електромагнитната енергия се излъчва от атомите и молекулите не непрекъснато, а на отделни порции, наречени кванти.Енергията Е на един квант е правопропорционална на честотата v на електромагнитното лъчение

 

Е = hv. 

 

 Коефициентът на пропорционалност h се нарича константа  на Планк. Нейната числена стойност е h = 6,63.10-34 J .s.           

    Хипотезата на Планк получава блестящо експериментално потвърждение. Тя става ключ за описването не само на излъчването на абсолютно черно тяло, но и бележи началото на съвременната квантова физика на микросвета.