Cos negre perfecte i la seva radiació

Cos negre perfecte i la seva radiació
Cos negre perfecte i la seva radiació
Anonim

El cos absolutament negre s'anomena així perquè absorbeix tota la radiació que cau sobre ell (o millor dit, en ell) tant a l'espectre visible com més enllà. Però si el cos no s'escalfa, l'energia es torna a radiar. Aquesta radiació emesa per un cos completament negre té un interès particular. Els primers intents d'estudiar les seves propietats es van fer fins i tot abans de l'aparició del propi model.

A principis del segle XIX, John Leslie va experimentar amb diverses substàncies. Com a resultat, el sutge negre no només absorbeix tota la llum visible que hi cau. Va irradiar en el rang infraroig molt més fort que altres substàncies més lleugeres. Era radiació tèrmica, que es diferencia de tots els altres tipus en diverses propietats. La radiació d'un cos completament negre és en equilibri, homogènia, es produeix sense transferència d'energia i només depèn de la temperatura del cos.

cos completament negre
cos completament negre

Quan la temperatura de l'objecte és prou alta, la radiació tèrmica es fa visible i, aleshores, qualsevol cos, inclòs el negre absolut, adquireix color.

Un objecte tan únic que només emet un determinat tipus d'energia, no podria evitar cridar l'atenció. Com que parlem de radiació tèrmica, les primeres fórmules i teories sobre com hauria de ser l'espectre es van proposar en el marc de la termodinàmica. La termodinàmica clàssica va ser capaç de determinar a quina longitud d'ona hauria de ser la radiació màxima a una temperatura determinada, en quina direcció i quant es desplaçarà quan s'escalfa i es refreda. No obstant això, no va ser possible predir quina és la distribució de l'energia a l'espectre del cos negre a totes les longituds d'ona i, en particular, en el rang ultraviolat.

radiació del cos negre
radiació del cos negre

Segons la termodinàmica clàssica, l'energia es pot emetre en qualsevol porció, incloses les arbitràriament petites. Però perquè un cos absolutament negre irradi a longituds d'ona curtes, l'energia d'algunes de les seves partícules ha de ser molt gran, i a la regió de les ones ultracurtes aniria a l'infinit. En realitat, això és impossible, l'infinit va aparèixer a les equacions i es va anomenar catàstrofe ultraviolada. Només la teoria de Planck que l'energia es pot irradiar en porcions discretes -quants- va ajudar a resoldre la dificultat. Les equacions de la termodinàmica actuals són casos especials d'equacions de la física quàntica.

distribució de l'energia en l'espectre d'un cos negre
distribució de l'energia en l'espectre d'un cos negre

Inicialment, un cos completament negre es representava com una cavitat amb una obertura estreta. La radiació de l'exterior entra en aquesta cavitat i és absorbida per les parets. Sobre l'espectre de la radiació, queha de tenir un cos absolutament negre, en aquest cas l'espectre de radiació de l'entrada a la cova, l'obertura del pou, la finestra a la cambra fosca en un dia assolellat, etc. Però sobretot, els espectres de la radiació còsmica de fons de l'Univers i les estrelles, inclòs el Sol, coincideixen amb ell.

És segur dir que com més partícules amb diferents energies en un objecte, més forta serà la seva radiació semblant a un cos negre. La corba de distribució d'energia en l'espectre d'un cos negre reflecteix els patrons estadístics del sistema d'aquestes partícules, amb l'única correcció que l'energia transferida durant les interaccions és discreta.

Recomanat: