1uomo.ru

Мода и Стиль
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Классические теории Вина и Рэлея-Джинса. «Ультрафиолетовая катастрофа»

Классические теории Вина и Рэлея-Джинса. «Ультрафиолетовая катастрофа».

Многие ученые пытались объяснить особенности излучения черного тела с позиций классической термодинамики. Опираясь на законы термодинамики, принцип равного распределения энергии по степеням свободы, применяя методы классической статической механики для стационарных волн, которые могли бы существовать в полости, Вин, Рэлей, Джинс и многие другие ученые пытались получить теоретическую формулу, описывающую известную экспериментальную функцию

Однако формула, например, полученная Вином, неплохо совпадающая с экспериментальными данными в высокочастотной области излучения, расходилась с экспериментом в низкочастотной части спектра.

Формула Рэлея-Джинса, напротив, подтверждалась в низкочастотной части спектра и уводила в бесконечность в высокочастотной области (рис. 10.4)

Энергетическая светимость тела, вычисленная с использованием теоретической формулы Рэлея-Джинса, оказывается бесконечной.

Отсюда следует абсурдный вывод: плотность энергии в равновесной системе бесконечна!

Этот результат, получивший название ультрафиолетовой катастрофы, на самом деле означал катастрофу классической физики.

Гипотеза Планка

В 1889 году к теоретическому изучению излучения черного тела приступил Макс Планк. Ему удалось подобрать такую эмпирическую формулу, которая приводила к формуле Вина в области коротких волн и совпадала с законом Рэлея-Джинса в длинноволновой области.

. (10.7)

Формула Планка позволяет вычислить интегральную светимость абсолютно черного тела. Это вычисление приводит к закону Стефана-Больцмана.

При этом постоянная Больцмана — σ, рассчитанная по формуле Планка, в точности совпадает с тем значением, которое дает эксперимент.

Формула Планка подтверждает и закон смещения Вина

И здесь постоянная «b» подтверждается экспериментом.

Найдя столь удачную формулу(10.7), Планк попытался объяснить физический смысл новой константы ħ, которую ему пришлось ввести в это математическое выражение.

Оказалось, что формула безукоризненно описывает излучение черного тела только в предположении, что каждый колеблющийся осциллятор, окруженный абсолютно поглощающей оболочкой, излучает энергию дискретно, то есть порциями – квантами.

Энергия такого кванта по Планку пропорциональна частоте:

. (10.8)

Если согласиться с этой неслыханной гипотезой о порциальном излучении энергии, возникает новый вопрос: каков механизм распространения этих «порций энергии»?

Сохраняют ли кванты свою индивидуальность или каждый элемент рассеивается в пространстве, превращаясь в электромагнитную волну?

Первое предположение — об индивидуальности квантов — несовместимо с классической волновой теорией оптики и теплового излучения.

Опасаясь отбрасывать волновую теорию, которая на протяжении целого века ни у кого не вызывала никаких сомнений, Планк избрал второе из двух объяснений. В первоначальной форме его теория предполагала испускание излучения дискретным, в виде квантов, а само излучение – непрерывным.

Читайте так же:
Рисунки для задних карманов джинсы

«Когда думаешь о полном опытном подтверждении, которое получила электродинамика Максвелла, — писал Планк в 1911 году,— о необычайных трудностях, с которыми придется столкнуться всем теориям при объяснении электрических и магнитных явлений, если они откажутся от этой электродинамики, инстинктивно испытываешь неприязнь ко всякой попытке поколебать её фундамент».

Закон Рэлея — Джинса

Закон Рэлея-Джинса — закон излучения Рэлея-Джинса для равновесной плотности излучения абсолютно чёрного тела u(ω,T) и для испускательной способности абсолютно чёрного тела f(ω,T) который получили Рэлей и Джинс, в рамках классической статистики (теорема о равнораспределении энергии по степеням свободы и представление об электромагнитном поле как о бесконечномерной динамической системе). [1] [2] [3]

Правильно описывал низкочастотную часть спектра, при средних частотах приводил к резкому расхождению с экспериментом, а при высоких — к абсурдному результату (см. ниже), означавшему неудовлетворительность классической физики.

Вывод формулы

Основываясь на законе о равнораспределении энергии по степеням свободы: на каждое электромагнитное колебание приходится в среднем энергия, складываемая из двух частей kT. Одну половинку вносит электрическая составляющая волны, а вторую  —— магнитная. Само по себе, равновесное излучение в полости, можно представить как систему стоячих волн. Количество стоячих волн в трехмерном пространстве дается выражением:

 mathrm<d data-lazy-src=

 u(omega,T) = kT frac<omega^2 data-lazy-src=

Формулы (3) и (4) удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными лишь для больших длин волн, на более коротких волнах согласие с экспериментом резко расходится. Более того, интегрирование (3) по ω в пределах от 0 до для равновесной плотности энергии u(T) дает бесконечно большое значение. Этот результат, получивший название ультрафиолетовой катастрофы, очевидно, входит в противоречие с экспериментом: равновесие между излучением и излучающим телом должно устанавливаться при конечных значениях u(T) . Однако ошибки в выводе формулы Релея-Джинса с классической точки зрения  —— нет. Очевидно несогласие с экспериментом вызвано некими закономерностями, которые несовместимы с классической физикой. Эти закономерности были определены Максом Планком: в 1900 году ему удалось найти вид функции u(ω,T) , соответствующий опытным данным, в дальнейшем называемую формулой Планка.

Закон рэлея джинса ультрафиолетовая катастрофа

В 1900 году Рэлей подошёл к изучению спектральных закономерностей излучения черного тела с позиции статистической физики воспользовавшись классическим законом равномерного распределения энергии по степеням свободы.

Рэлей (Стретт) Джон Уильям (1842–1919) – английский физик. Работы посвящены теории колебаний, одним из основоположников которой он является, акустике, теории теплового излучения, молекулярной физике, гидродинамике, электромагнетизму, оптике. Исследовал колебания упругих тел, первый обратил внимание на автоколебания. Заложил основы теории молекулярного рассеяния света, объяснил голубой цвет неба. Сконструировал рефрактометр (рефрактометр Рэлея).

Он рассмотрел равновесное излучение в замкнутой полости с зеркальными стенками как совокупность стоячих электромагнитных волн (осцилляторов).

К стоячим волнам, образующимся в промежутке между двумя стенками, Рэлей применил один из основных законов статистической физики – закон о равномерном распределении энергии между степенями свободы системы, находящейся в равновесии. Каждой стоячей волне со своей собственной частотой соответствует своя колебательная степень свободы (на одну колебательную степень свободы приходится , то есть сумма потенциальной и кинетической тоже (в среднем)). То есть каждый осциллятор в среднем имеет энергию, равную kT: .

Читайте так же:
Какая стрижка подойдет для лица с брылями
Джинс Джеймс Хопвуд (1877–1946) – английский физик и астрофизик. Основные физические исследования посвящены кинетической теории газов и теории теплового излучения. Вывел в 1905 году формулу плотности энергии (закон Релея–Джинса). Работы Джинса посвящены также квантовой теории, математической теории электричества и магнетизма, теоретической механике, теории относительности.

В 1905 году Джинс уточнил расчеты Рэлея и окончательно получил:

.(1.5.1)

Это и есть формула Рэлея–Джинса.

Из формулы (1.5.1) видно, что монотонно возрастает с ростом ν 2 в отличие от экспериментальной, кривой которая имеет максимум (рис. 1.5).


Рис. 1.5

Формула (1.5.1) справедлива только в области малых частот и не согласуется с законом Вина. Попытка получить из формулы Рэлея–Джинса закон Стефана–Больцмана (R

T 4 ) приводит к абсурду:

.

Этот результат получил название «ультрафиолетовой катастрофы», так как с точки зрения классической физики вывод Рэлея–Джинса был сделан безупречно.

Итак, было получено две формулы, описывающие излучение абсолютно черного тела: одна для коротковолновой части спектра (формула Вина), другая – для длинноволновой (формула Рэлея–Джинса). Задача состояла в том, чтобы получить выражение, описывающее тепловое излучение во всем диапазоне частот.

Open Library — открытая библиотека учебной информации

Открытая библиотека для школьников и студентов. Лекции, конспекты и учебные материалы по всем научным направлениям.

Категории

Энергетика Ультрафиолетовая катастрофа.

Первый и второй законы Вина

Первый закон Вина записывают в виде формулы:

uν — плотность энергии излучения, ν— частота излучения, T — температура излучающего тела,

f — функция, зависящая только от частоты и температуры. Вид этой функции невозможно установить, исходя только из термодинамических соображений.

Это формула для расчета плотности излучения любой частоты.

Второй закон Вина записывают в виде формулы:

uν — плотность энергии излучения, ν— частота излучения, T— температура излучающего тела,

По этой формуле рассчитывают плотность энергии излучения волн малой длины.

Ультрафиоле́товая катастро́фа— физический термин, описывающий парадокс классической физики, состоящий в том, что полная мощность теплового излучения любого нагретого тела должна быть бесконечной. Название парадокс получил из-за того, что спектральная плотность мощности излучения должна была неограниченно расти по мере сокращения длины волны.По сути данный парадокс показал если не внутреннюю противоречивость классической физики, то по крайней мере крайне резкое (абсурдное) расхождение с элементарными наблюдениями и экспериментом.Так как это не согласуется с экспериментальным наблюдением, в конце 19 века возникали трудности в описании фотометрических характеристик тел.Проблема была решена при помощи квантовой теории излучения Макса Планка в 1900 году. 30. Гипотеза Планка. Выход из ультрафиолетовой катастрофы.

Читайте так же:
Как носить павлопосадский платок с дубленкой

Гипо́теза Пла́нка — гипотеза, выдвинутая 14 декабря 1900 года Максом Планком и заключающаяся в том, что при тепловом излучении энергия испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными квантами (порциями). Каждая такая порция-квант имеет энергию , пропорциональной частоте ν излучения:где h или — коэффициент пропорциональности, названный впоследствии постоянной Планка. На основе этой гипотезы он предложил теоретический вывод соотношения между температурой тела и испускаемым этим телом излучением — формулу Планка.Позднее гипотеза Планка была подтверждена экспериментально.Выдвижение этой гипотезы считается моментом рождения квантовой механики.

Так, ультрафиолетовый свет может излучаться либо большими квантами, если температура тела высокая, к примеру, поверхность Солнца, либо вообще не излучаться, если энергии теплового движения атомов тела недостаточно, чтобы оно могло испустить квант излучения. Таково качественное объяснение падения интенсивности излучения при λи разрешение ультрафиолетовой катастрофы. Планк, используя квантовые представления, теоретически получил формулу, описывающую зависимость rλ= f(λ , T), названную формулой Планка:

Эта формула дает очень хорошее соответствие экспериментальным данным на всœех частотах и при любых температурах. Путем интегрирования уравнения можно получить закон Стефана — Больцмана, а путем дифференцирования — закон смещения Вина. Гипотеза Планка о дискретном характере электромагнитного излучения положила начало квантовой теории света.

Читайте также

Закон Рэлея-Джинса — закон излучения Рэлея-Джинса для равновесной плотности излучения абсолютно чёрного тела и для испускательной способности абсолютно чёрного тела который получили Рэлей и Джинс, в рамках классической статистики (теорема о равнораспределении. [читать подробенее]

Первый и второй законы Вина Первый закон Вина записывают в виде формулы: где u&. [читать подробенее]

Ультрафиолетовая катастрофа

Несмотря на детальное изучение характеристик теплового излучения, математический вид функции долгое время оставался для физиков загадкой. Английские учёные Дж. Рэлей и Дж. Джинс попытались теоретически вывести зависимость , исходя из теоремы классической статистики о равнораспределении энергии по степеням свободы. Они предположили, что на каждое электромагнитное колебание приходится в среднем энергия, равная двум половинкам kT – одна половинка на электрическую, вторая – на магнитную энергию волны (по классическим представлениям на каждую степень свободы приходится в среднем энергия, равная ). Получалось, что средняя энергия классического осциллятора равна

Спектральная энергетическая светимость связана со средней энергией осциллятора :

поэтому Рэлей и Джинс получили:

Читайте так же:
Горловина гольф что это

Эти результаты хорошо согласовывалась с данными опыта только в области малых частот излучения. На рис.20.5 пунктир соответствует формуле Рэлея-Джинса; сплошная кривая – экспериментальная зависимость. Для больших частот (20.14) даёт . Полная энергетическая светимость по формуле Рэлея-Джинса также равна бесконечности. С точки зрения классической физики вывод формулы Рэлея-Джинса безупречен, но она оказалась неверна.

Классическая физика оказалась несостоятельной при описании теплового излучения. Невозможность решения проблемы теплового излучения методами классической физики назвали «ультрафиолетовой катастрофой».

Квантовая гипотеза и формула Планка

Причина «ультрафиолетовой катастрофы» оказалась лежащей чрезвычайно глубоко. Законы классической электродинамики давали неверный результат при рассмотрении элементарных процессов, обуславливающих тепловое излучение.

Выход из создавшегося положения указал Макс Планк, выдвинув гипотезу, совершенно чуждую представлениям классической физики. Он предположил, что электромагнитное излучение испускается и поглощается дискретными порциями энергии – квантами электромагнитного поля (фотонами). Энергия такого кванта пропорциональна частоте колебаний

а коэффициент пропорциональности h=6.63.10-34Дж. с – постоянная Планка – получил название в честь автора квантовой гипотезы.

Так как излучение испускается порциями, то энергия квантового осциллятора ε может принимать лишь определённые дискретные значения, кратные целому числу элементарных порций энергии ε0: ε=nhν (n=0, 1, 2…). Средняя энергия квантового осциллятора равна

где k=1.38.10-23Дж/с – постоянная Больцмана. Исходя из того, что в состоянии термодинамического равновесия расход энергии на излучение осцилляторов с собственной частотой ν должен полностью компенсироваться в результате поглощения этими осцилляторами энергии падающего на них излучения, Планк показал, что

Тогда спектральная плотность энергетической светимости АЧТ

или, при переходе от частоты к длине волны по (20.3):

Это и есть формула Планка. Если бы для определения средней энергии осциллятора Планк, подобно Рэлею, воспользовался законом классической статистики, он получил бы из (20.17) и (20.13) формулу Рэлея-Джинса (20.14).

Формула Планка правильно описывает экспериментальную кривую рис.20.2 и 20.4; на её основе были объяснены все экспериментально открытые законы теплового излучения, не находившие своего объяснения в рамках классической физики. Так, например, из (20.18а) и (20.4) можно получить закон Стефана-Больцмана (20.10) интегрированием функции Планка по всему интервалу длин волн:

Из формулы Планка можно получить также законы Вина, решив уравнение . Кроме того, формула Планка удовлетворяет принципу соответствия – в области малых частот, когда hν<<kT, (20.18) переходит в формулу Рэлея-Джинса (20.14).

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector