Ciało doskonale czarne – problem fizyki Newtona

Spisu treści:

Ciało doskonale czarne – problem fizyki Newtona
Ciało doskonale czarne – problem fizyki Newtona
Anonim

Całkowicie czarne ciało jest wyidealizowanym obiektem mentalno-fizycznym. Co ciekawe, wcale nie musi być czarny. Tutaj jest inaczej.

całkowicie czarne ciało
całkowicie czarne ciało

Albedo

Wszyscy pamiętamy (a przynajmniej powinniśmy byli pamiętać) ze szkolnego kursu fizyki, że pojęcie „albedo” oznacza zdolność powierzchni ciała do odbijania światła. Na przykład pokrywy śnieżne czap lodowych naszej planety są w stanie odbijać do 90% padającego na nie światła słonecznego. Oznacza to, że charakteryzują się wysokim albedo. Nic dziwnego, że pracownicy stacji polarnych często zmuszani są do pracy w okularach przeciwsłonecznych. W końcu patrzenie na czysty śnieg to prawie to samo, co patrzenie gołym okiem na Słońce. Pod tym względem księżyc Saturna Enceladus, który prawie w całości składa się z lodu wodnego, ma rekordowy współczynnik odbicia w całym Układzie Słonecznym, ma biały kolor i odbija prawie całe promieniowanie padające na jego powierzchnię. Z drugiej strony substancja taka jak sadza ma albedo mniejsze niż 1%. Oznacza to, że pochłania około 99% promieniowania elektromagnetycznego.

rozkład energii w widmie ciała doskonale czarnego
rozkład energii w widmie ciała doskonale czarnego

Opis czystego czarnego ciała

Tu dochodzimy do najważniejszej rzeczy. Czytelnik z pewnością domyślił się, że absolutnie czarne ciało to obiekt, którego powierzchnia jest w stanie pochłonąć absolutnie całe padające na nie promieniowanie. Jednocześnie nie oznacza to wcale, że taki obiekt będzie niewidoczny i co do zasady nie może emitować światła. Nie, nie myl tego z czarną dziurą. Może mieć kolor, a nawet być bardzo widoczny, ale promieniowanie ciała doskonale czarnego zawsze będzie określane przez jego własną temperaturę, a nie przez światło odbite. Nawiasem mówiąc, uwzględnia to nie tylko widmo widoczne dla ludzkiego oka, ale także ultrafiolet, promieniowanie podczerwone, fale radiowe, promieniowanie rentgenowskie, promieniowanie gamma i tak dalej. Jak już wspomniano, w naturze nie istnieje całkowicie czarne ciało. Jednak jego właściwościom w naszym układzie gwiezdnym najlepiej odpowiada Słońce, które emituje, ale prawie nie odbija światła (pochodzącego z innych gwiazd).

Idealizacja laboratoryjna

Próby wydobycia przedmiotów, które w ogóle nie odbijają światła, podejmowane są od końca XIX wieku. W rzeczywistości problem ten stał się jednym z warunków wstępnych powstania mechaniki kwantowej. Przede wszystkim należy zauważyć, że każdy foton (lub jakakolwiek inna cząsteczka promieniowania elektromagnetycznego) zaabsorbowany przez atom jest natychmiast emitowany i absorbowany przez sąsiedni atom, a następnie ponownie emitowany. Proces ten będzie trwał do momentu osiągnięcia stanu nasycenia równowagi w organizmie. Jednak, gdy ciało doskonale czarne zostanie podgrzane do takiego stanu równowagi, intensywność emitowanego przez nie światła staje się równa intensywności światła pochłoniętego.

promieniowanie ciała doskonale czarnego
promieniowanie ciała doskonale czarnego

W naukowej społeczności fizyków problem pojawia się, gdy próbuje się obliczyć, jaka powinna być energia promieniowania, która jest zmagazynowana w równowadze wewnątrz ciała doskonale czarnego. I nadchodzi niesamowity moment. Rozkład energii w widmie całkowicie czarnego ciała w stanie równowagi oznacza dosłownie nieskończoność energii promieniowania w nim. Ten problem został nazwany katastrofą ultrafioletową.

Rozwiązanie Plancka

Pierwszym, który znalazł akceptowalne rozwiązanie tego problemu, był niemiecki fizyk Max Planck. Zasugerował, że każde promieniowanie jest pochłaniane przez atomy nie w sposób ciągły, ale dyskretnie. To znaczy w porcjach. Później takie porcje nazwano fotonami. Co więcej, fale radiomagnetyczne mogą być pochłaniane przez atomy tylko przy określonych częstotliwościach. Nieodpowiednie częstotliwości po prostu mijają, co rozwiązuje kwestię nieskończonej energii niezbędnego równania.

Zalecana: