Wat is Blackbody-straling?

Bettmann-archief / Getty Images

De golftheorie van licht, die de vergelijkingen van Maxwell zo goed vingen, werd de dominante lichttheorie in de jaren 1800 (en overtrof de corpusculaire theorie van Newton, die in een aantal situaties had gefaald). De eerste grote uitdaging voor de theorie kwam in het uitleggen thermische straling , wat het type is van electromagnetische straling uitgezonden door objecten vanwege hun temperatuur.

Thermische straling testen

Er kan een apparaat worden ingesteld om de straling te detecteren van een object dat op temperatuur wordt gehouden T ₁. (Omdat een warm lichaam straling in alle richtingen afgeeft, moet er een soort van afscherming worden aangebracht zodat de straling die wordt onderzocht in een smalle bundel zit.) Door een dispersief medium (d.w.z. een prisma) tussen het lichaam en de detector te plaatsen, golflengten ( ik ) van de straling verspreidt zich onder een hoek ( i ). Omdat het geen geometrisch punt is, meet de detector een bereik-delta- theta wat overeenkomt met een bereik delta- ik , hoewel in een ideale opstelling dit bereik relatief klein is.

Als l vertegenwoordigt de totale intensiteit van de fra bij alle golflengten, dan is die intensiteit over een interval δ ik (tussen de grenzen van) ik en ⪅ ) is:

d l = R ( ik ) d ik

R ( ik ) is de uitstraling of intensiteit per eenheid golflengte-interval. In calculus notatie, de δ-waarden verminderen tot hun limiet van nul en de vergelijking wordt:

van = R ( ik ) dλ

Het hierboven beschreven experiment detecteert van , en daarom R ( ik ) kan voor elke gewenste golflengte worden bepaald.

Straling, temperatuur en golflengte

Door het experiment uit te voeren voor een aantal verschillende temperaturen, verkrijgen we een reeks stralings- versus golflengtecurven, die significante resultaten opleveren:

De totale intensiteit uitgestraald over alle golflengten (d.w.z. het gebied onder de R ( ik ) curve) stijgt naarmate de temperatuur stijgt.

Dit is zeker intuïtief en in feite ontdekken we dat als we de integraal van de bovenstaande intensiteitsvergelijking nemen, we een waarde krijgen die evenredig is met de vierde macht van de temperatuur. Concreet komt de proportionaliteit van: wet van Stefan en wordt bepaald door de Stefan-Boltzmann-constante ( sigma ) in de vorm:

l = in T ⁴

De waarde van de golflengte: ik_max waarbij de straling zijn maximum bereikt, neemt af naarmate de temperatuur stijgt.

De experimenten tonen aan dat de maximale golflengte omgekeerd evenredig is met de temperatuur. In feite hebben we ontdekt dat als je vermenigvuldigt ik_max en de temperatuur, krijg je een constante, in wat bekend staat als Wein's verplaatsingswet : ik_maxT = 2.898 x 10^-3mK

Blackbody-straling

De bovenstaande beschrijving omvatte een beetje vals spelen. Licht wordt gereflecteerd door objecten , dus het beschreven experiment stuit op het probleem van wat er daadwerkelijk wordt getest. Om de situatie te vereenvoudigen, keken wetenschappers naar een zwart lichaam , dat wil zeggen een object dat geen licht weerkaatst.

Overweeg een metalen doos met een klein gaatje erin. Als er licht op het gat valt, komt het de doos binnen en is er weinig kans dat het weer terugkaatst. Daarom is in dit geval het gat, niet de doos zelf, het zwarte lichaam. De straling die buiten het gat wordt gedetecteerd, is een monster van de straling in de doos, dus enige analyse is vereist om te begrijpen wat er in de doos gebeurt.

De doos is gevuld met elektromagnetisch staande golven. Als de muren van metaal zijn, kaatst de straling rond in de doos, waarbij het elektrische veld bij elke muur stopt en een knoop bij elke muur creëert.

Het aantal staande golven met golflengten tussen ik en dλ is

N(λ) dλ = (8π V / λ⁴) doe

waar IN is het volume van de doos. Dit kan worden aangetoond door regelmatige analyse van staande golven en deze uit te breiden naar drie dimensies.

Elke individuele golf draagt ​​een energie bij kT aan de straling in de doos. Uit de klassieke thermodynamica weten we dat de straling in de doos in thermisch evenwicht is met de wanden op temperatuur T . Straling wordt geabsorbeerd en snel weer uitgezonden door de wanden, waardoor oscillaties in de frequentie van de straling ontstaan. De gemiddelde thermische kinetische energie van een oscillerend atoom is 0,5 kT . Aangezien dit eenvoudige harmonische oscillatoren zijn, is de gemiddelde kinetische energie gelijk aan de gemiddelde potentiële energie, dus de totale energie is kT .

De uitstraling is gerelateerd aan de energiedichtheid (energie per volume-eenheid) in ( ik ) in de relatie

R ( ik ) = ( c / 4) in ( ik )

Dit wordt verkregen door de hoeveelheid straling te bepalen die door een oppervlakte-element in de holte gaat.

Falen van de klassieke natuurkunde

in ( ik ) = (8 Pi / ik ⁴) kT

R ( ik ) = (8 Pi / ik ⁴) kT ( c / 4) (bekend als de Rayleigh-Jeans-formule )

De gegevens (de andere drie curven in de grafiek) tonen eigenlijk een maximale straling, en onder de lambda_max op dit punt valt de straling weg en nadert 0 als lambda benadert 0.

Deze mislukking wordt de ultraviolette catastrofe , en tegen 1900 had het ernstige problemen veroorzaakt voor de klassieke natuurkunde omdat het de basisconcepten van thermodynamica en elektromagnetisme die betrokken waren bij het bereiken van die vergelijking. (Bij langere golflengten ligt de Rayleigh-Jeans-formule dichter bij de waargenomen gegevens.)

De theorie van Planck

Max Planck suggereerde dat een atoom alleen energie kan absorberen of uitstralen in discrete bundels ( quanta ). Als de energie van deze quanta evenredig is met de stralingsfrequentie, dan zou bij hoge frequenties de energie eveneens groot worden. Aangezien geen enkele staande golf een energie kan hebben die groter is dan kT , dit zette een effectieve limiet op de hoogfrequente straling, waardoor de ultraviolette catastrofe werd opgelost.

Elk oscillator kan alleen energie uitzenden of absorberen in hoeveelheden die gehele veelvouden zijn van de energiekwanta ( epsilon ):

EN = n e , waarbij het aantal quanta, n = 1, 2, 3, . . .

n

e = h nee

h

( c / 4)(8 Pi / ik ⁴)(( hc / ik )(1 / ( ehc / λ kT - 1)))

Gevolgen

Terwijl Planck het idee van quanta introduceerde om problemen in één specifiek experiment op te lossen, ging Albert Einstein verder door het te definiëren als een fundamentele eigenschap van het elektromagnetische veld. Planck, en de meeste natuurkundigen, waren traag om deze interpretatie te accepteren totdat er overweldigend bewijs was om dit te doen.