Тақырып: Жылулық сәуле шығару

Денелердің жарқырауы, яғни денелердің электромагниттік толқындар шығаруы әртүрлі энергия түрлері арқылы орындалуы мүмкін. Егер электромагниттік толқындар тек қана ішкі энергия арқылы шығарылатын болса, оны жылулық сәуле шығарудеп атайды. Жарқыраудың қалған түрлерінің барлығы ішкі энергиядан басқа кез келген энергия түрлерімен қоздырылса, оларды люминесценция деп атайтыны белгілі. Жылулық сәуле шығару тепе-теңдік процеске, ал қалған сәуле шығарудың түрлері тепе-теңдік емес процестерге жатады. Тепе-теңдік күйлер мен процестерге термодинамика заңдарын қолдануға болады Температурасы абсолют нөлден жоғары кез-келген дене (қатты дене, сұйық) дене энергия бөледі. Қызған денелер де жарық шығарады. Кызған денелердің сәулеленуі (жарық шығаруы) белгілі жағдайда тепе-теңдік күйге түседі. Себебі шығарылған энергия жұтылуы мүмкін. Мысалы, қабырғалары айна бетіндей жалтыраған қуыс ыдыс алайық. Оның кабырғалары жылу өткізбейді делік. Осы ыдыстың ішінде температуралары әр түрлі екі дене болсын. Температурасы жоғары дене жылу шығарады да, оны температурасы төмен дене жұтады. Сөйтіп,аздан кейін олардың температуралары бірдей болады, яғни екі дене жылулық тепе-тендік күйге түседі. Бұл күй динамикалық сипатқа ие болуы мүмкін.

Электромагниттік сәулелердің шығару және жұту процестері мына шамалармен сипатталады:

1)дененің сәуле шығарғыштық қабілеті (Е) деп бірлік ауданнан бірлік уақыт ішінде шығарылатын сәулелік энергия мөлшерін айтамыз, ол Дж/(с* м²) өлшенеді;

2)дененің сәуле жұтқыштық (А) қабілеті деп дененің жұтқан энергиясының оған берілген энергиясына қатынасын айтамыз. Егер дене өзіне түскен кез келген температурадағы және кез келген ұзындықтағы жарықты түгел жұтатын болса, ондай денені абсолют қара дене деп атайды. Абсолют қара дене үшін А = 1 болады.

Кирхгоф заңы.Тұйық жүйедегі денелердің сәуле шығару және жұту қабілеттерін зерттей келіп неміс физигі Г. Р. Кирхгоф (1859) мынадай заң ашты:

Денелердің температурасы бірдей болғанда олардың сәуле шығарғыштық қабілетінің сәуле жұтқыштық қабілетіне қатынасы денелердің табиғатына байланыссыз және сол температурадағы абсолют қара дененің сәуле шығарғыштық қабілетіне тең:

абсолют қара дененің сәуле шығарғыштық және сәуле жұтқыштық қасиеттері.

Дененің сәуле шығарғыштық немесе сәуле жұтқыштық қабілеттері спектрдің бір алқабына (белгілі толқын ұзындығы мәніне) қатысты алынғанда да Кирхгофтың жоғарғы заңы орындалады. Сонда Кирхгоф заңы былай айтылады: бірдей температурадағы және белгілі толқын ұзындығындағы ( ) дененің сәуле шығарғыштық қабілетінің сәуле жұтқыштық қабілетіне қатынасы денелердің табиғатына байланысты болмайды және ол қатынас сол температурадағы және сол ұзындықтағы абсолют қара дененің сәуле шығарғыштық қабілетіне тең болады, яғни:

Табиғатта абсолютті қара дене болмайды. Дегенмен қасиеттері абсолютті қара денеге өте ұқсас қондырғылар жасауға болады. Мұндай қондырғыны кішкене ғана тесігі бар тұйық қуыс деп қарастырсақ, онда осы қуысқа кірген сәуле тесіктен қайта шығу үшін қуыстың ішінде көптеген шағылыстарға ұшырайды. Әрбір шағылыс кезінде сәуле энергиясының бөлігі жұтылып отырады, сондықтан іс жүзінде кез келген жиілігі бар сәуле осындай қуыспен толық жұтылады. Кирхгоф заңы бойынша осындай қондырғының сәуле шығару қабілеттілігі жиілік функциясына жақын, Т – қуыс қабырғасының температурасы.

Абсолют қара дене спектріндегі энергияның жіктелуі өткен ғасырда зерттелген болатын. Соның нәтижесінде абсолют қара дененің екі заңы ашылды:

Стефан-Больцман заңы.Абсолют қара дененің толық (барлық спектр ойынша) сәуле шығару қабілеті онын, абсолют температурасының төртінші дәрежесіне тура пропорционал: яғни:

= ;

Мұндағы = 5,7*10 ⁸ ВТ/(см²*К⁴) - Стефан-Больцман тұрақтысы.

Вин заңы.Абсолют қара дененің максимум энергиясына сәйкес келетін толқын ұзындығы, оның абсолют температурасына кері пропорционал болады:

;

Мұндағы b = 2898 мкм*К.

Абсолют қара дененін, спектрлік сәулелену қабілетінің толқын ұзындығы мен температураға тәуелділігі былай өрнектеледі:

( )а.қ.д.=f( ),бұл Кирхгоф функциясы деп аталады.

Бұл функцияның шешімін табуға көптеген физиктер ат салысты, оны Рэлей мен Джинс тапқан:

Сондықтан бұл Рэлей - Джинс заңы деп аталады. Ұзын толқындар үшін, Рэлей - Джинс формуласы эксперимент қорытындысымен үйлесіп кетеді де, қысқа толқындар кезінде экспериментпен Рэлей - Джинс формуласы дәл келмейді. Ультракүлгін сәулелер үшін бұл заң ешқандай физикалық мәнге ие болмайды. Бұ «ультракүлгіндік апат» деп аталады. Сонымен классикалық физика заңдары маңызды эксперимент фактілерін теориялық тұрғыдан дәлелдеп бере алмады, бұл дағдарыстан шығудың жолын 1900 жылы М. Планк тапты. Ол жарық дискретті, бөлек-бөлек порциялармен шығарылады және жұтылады деп есептеді. Жарық кванттан (фотоннан) тұрады дегенді ұсынды. Фотонның энергиясы, массасы және импульсы болады.

Фотонның энергиясы жарық жиілігімен не толқын ұзындығымен анықталады: = ;

Мұндағы - Планк тұрақтысы.

Фотонның массасы

Тыныш тұрған фотонның массасы жоқ қозғалыстағы фотонда ғана масса бар. Себебі фотон қозғалысын тоқтатқанда ол жоқ болып кетеді, оны (фотонды) атом немесе молекула жұтып қояды. Ал оның энергиясы энергияның басқа түріне айналады. Фотонның заряды жоқ. Оның жылдамдығы вакуумдағы жарық жылдамдығына тең. Фотонның импульсы:

немесе ;

Жарықтың фотоннан (кванттан) құралатындығын басшылыққа ала отырып Планк абсолют қара дененің сәулелену қабілетін сипаттайтын формула тапты:

Мұндағы с — жарықтың вакуумдағы жылдамдығы, k - Больцман тұрақтысы. Бұл формуланы кез келген ұзындықтағы жарық толқынына қолдануға, сондай-ақ одан Стефан-Больцман, Вин заңдарын да шығарып алуға болады. Аталған заңдардың қолданылатын жері өте көп. Мысалы, аспан денелерінің (жұлдыздардың) шығарып тұрған толқын ұзындығын білсек, онда Вин заңы бойынша оның температурасын таба аламыз. Мысалы, Күннің жарығынан толқын ұзындығы = 0,48 мкм десек, онда оның температурасының Т = 5800К екенін Вин заңын пайдаланып табуға болады. Абсолют қара денелердің температурасы Стефан-Больцман заңымен табылады. Онда дененің шығарып тұрған энергиясы радиациялық пирометр деген құрылғымен өлшенеді. Кирхгоф заңымен заттардың құрамын тексеруге болады. Осы заңның негізінде спектрлік анализ әдісі қолданылады.