Абсолютно черное тело - davaiknam.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Вопросы к экзамену за III часть курса физики для групп тс-200, 201... 1 122.75kb.
Любое понятие, тем более такое, которое мы числим по разряду аксиоматических... 1 77.59kb.
Вопросы для подготовки к экзамену по курсу "Теоретическая механика" 1 37.14kb.
Лабораторная работа №54 Какое тело называется абсолютно черным? 1 37.01kb.
Масса и импульс фотона. Давление света 1 27.63kb.
Милорад Павич Другое тело 12 2250.05kb.
Черное и черное 9 2427.56kb.
«Числовые и функциональные ряды» 1 14.32kb.
Методы лечебного применения йогической практики 19 3100.72kb.
Краснодар 2011 занятие №11. Раздел Физические основы механики. 1 78.86kb.
Китайцы сотворили черную дыру Впервые в истории этот космический... 1 24.02kb.
Закон излучения абсолютно чёрного тела канарёв Ф. М. Шестая лекция... 1 104.08kb.
Направления изучения представлений о справедливости 1 202.17kb.

Абсолютно черное тело - страница №1/1

Абсолютно черное тело

Свет и цвет. Когда мы при дневном (солнечном) свете смотрим на различ­ные тела, окружающие нас, мы видим их окрашенными в различные цвета. Так, трава и листья деревьев — зеле­ные, цветы — красные или синие, желтые или фиолетовые. Есть также черные, белые, серые тела. Все это не может не вызвать удивления. Каза­лось бы, все тела освещены одним и тем же светом — светом Солнца. Почему же различны их цвета? Поста­раемся ответить на этот вопрос.

Будем исходить из того, что свет — это электромагнитная волна, то есть распространяющееся переменное элек­тромагнитное поле. В солнечном свете содержатся волны, в которых электри­ческое и магнитное поля колеблются с различными частотами.

Всякое же вещество состоит из ато­мов и молекул, содержащих заряжен­ные частицы, которые взаимодейству­ют друг с другом. Поскольку частицы заряжены, под действием электриче­ского поля они могут двигаться, а если поле переменное — то они могут совер­шать колебания, причем каждая ча­стица в теле имеет определенную соб­ственную частоту колебаний.

Эта простая, хотя и не слишком точ­ная, картина позволит нам понять, что происходит при взаимодействии света с веществом.

Когда на тело падает свет, электри­ческое поле, «принесенное» им, застав­ляет заряженные частицы в теле со­вершать вынужденные колебания (по­ле световой волны переменное!). При этом у некоторых частиц их собствен­ная частота колебаний может сов­пасть с какой-то частотой колебаний поля световой волны. Тогда, как из­вестно, произойдет явление резонан­са — резкого увеличения амплитуды колебаний. При резонансе энергия, принесенная волной, передается ато­мам тела, что в конечном счете, вызы­вает его нагревание. О свете, частота которого попала в резонанс, говорят, что он поглотился телом.

Но какие-то волны из падающего света не попадают в резонанс. Однако они тоже заставляют колебаться ча­стицы в теле, но колебаться с малой амплитудой. Эти частицы сами стано­вятся источниками так называемых вторичных электромагнитных волн той же частоты. Вторичные волны, складываясь с падающей волной, со­ставляют отраженный или проходя­щий свет.

Если тело непрозрачное, то погло­щение и отражение — вот все, что мо­жет произойти с падающим на тело светом: не попавший в резонанс свет отражается, попавший — поглощает­ся. В этом и состоит « секрет » цветно­сти тел. Если, например, из состава падающего солнечного света в резо­нанс попали колебания, соответству­ющие красному цвету, то в отражен­ном свете их не будет. А наш глаз устроен так, что солнечный свет, ли­шенный своей красной части, вызы­вает ощущение зеленого цвета. Окраска непрозрачных тел зависит, таким образом, от того, какие частоты пада­ющего света отсутствуют в свете, отра­женном телом.

Существуют тела, в которых заря­женные частицы имеют так много различных собственных частот коле­баний, что каждая или почти каждая частота в падающем свете попадает в резонанс. Тогда весь падающий свет поглощается, и отражаться просто не­чему. Такие тела называют черными, то есть телами черного цвета. В дей­ствительности черный цвет — это не цвет, а отсутствие всякого цвета.

Есть и такие тела, в которых ни одна частота в падающем свете не попа­дает в резонанс, тогда поглощения, нет вовсе, а весь падающий свет отра­жается. Такие тела называют белыми. Белый цвет — тоже не цвет, это смесь всех цветов.

Излучение света. Известно, что вся­кое тело может само стать источником света. Это и понятно — ведь во всяком теле есть колеблющиеся заряженные частицы, способные стать источника­ми испускаемых волн. Но при обыч­ных условиях — при небольших тем­пературах — частоты этих колебаний сравнительно малы, и испускаемые длины волн существенно превосходят длины волн видимого света (инфра­красный свет). При высокой же темпе­ратуре в теле «включаются» колеба­ния и более высоких частот, и оно начинает испускать световые волны, видимые глазом.

Какой же свет излучает тело, коле­бания каких частот могут быть «вклю­чены » при нагревании? Очевидно, что возникнуть могут только колеба­ния с собственными частотами. При низких температурах число заряжен­ных частиц, имеющих высокие собст­венные частоты колебаний, мало, и их излучение незаметно. С повышением температуры число таких частиц воз­растает, и становится возможным из­лучение видимого света.



Связь между излучением и погло­щением света. Поглощение и излуче­ние — это противоположные друг другу явления. Однако между ними есть нечто общее.

Поглощать — это значит «брать», излучать — значит «давать». А что «берет» тело, поглощая свет? Очевид­но, то, что может взять, то есть свет тех частот, которые равны собственным частотам колебаний его частиц. Что «дает» тело, излучая свет? То, что оно имеет, то есть свет, соответствующий собственным частотам колебаний. По­этому между способностью тела излу­чать свет и способностью его погло­щать должна существовать тесная связь. И связь эта простая: тело излу­чает тем больше, чем сильнее оно по­глощает. При этом, естественно, са­мым ярким излучателем должно быть черное тело, которое поглощает коле­бания всех частот. Математически эта связь была установлена в 1859 году немецким физиком Густавом Кирхго­фом.

Назовем испускательной способно­стью тела энергию, излучаемую еди­ницей площади его поверхности в еди­ницу времени, и обозначим ее через Еλ,Т. Она различна для разных длин волн (λ) и разных температур (Т), отсюда индексы λ и Т. Поглощательной способностью тела назовем отно­шение поглощенной телом световой энергии в единицу времени к падаю­щей. Обозначим ее через Аλ,Тона тоже различна для разных λ и Т.

Закон Кирхгофа гласит, что отноше­ние испускательной и поглощательной способностей одинаково для всех тел:



Еλ,Т/Аλ,Т
Величина С не зависит от природы тел, но зависит от длины волны света и от температуры: С =f (λ, Т). Согласно закону Кирхгофа, тело, которое при данной температуре лучше погло­щает, должно интенсивнее излучать..

Абсолютно черное тело. Закон Кирхгофа справедлив для всех тел. Это значит, что его можно применить и к такому телу, которое поглощает все без исключения длины волн. Такое тело называют абсолютно черным. Для него поглощательная способность равна единице, так что закон Кирхго­фа принимает вид

Еλ,Т=С=f (λ, Т).
Таким образом, становится ясным смысл функции f(λ,Т) она равна ис­пускательной способности абсолютно черного тела. Задача нахождения функции C=f(λ,Т) превратилась в за­дачу найти зависимость энергии излу­чения абсолютно черного тела от тем­пературы и длины волны. В конце концов, после двух десятилетий тщет­ных попыток она была решена. Ее решение, данное немецким физиком-теоретиком Максом Планком, стало началом новой физики — квантовой физики.

Заметим, что абсолютно черных тел в природе не существует. Даже самое черное из всех известных ве­ществ — сажа — поглощает не 100, а 98 % падающего на него света. По­этому для экспериментального иссле­дования излучения абсолютно черно­го тела использовалось искусственное устройство.

Оказалось, что свойствами абсолют­но черного тела обладает... замкнутая полость с малым отверстием (см. рису­нок). В самом деле, когда в отверстие попадает луч света, внутри полости он испытывает множество последо­вательных отражений, так что шансов выйти из отверстия наружу у него очень мало. (По этой же причине от­крытое окно в доме кажется темным даже в яркий солнечный день.) Бели такое тело нагреть, то излучение, исхо­дящее из отверстия, практически ни­чем не отличается от излучения аб­солютно черного тела.

Хорошей имитацией абсолютно чер­ного тела может служить и труба, один конец которой закрыт. Если тру­бу нагреть, ее открытый конец светит как абсолютно черное тело. При обыч­ной же температуре он выглядит со­вершенно черным, как и отверстие в полости.



Может ли белое быть чернее черного?
Начнем с совсем простого наблюде­ния.

Положите рядом листки белой и черной бумаги и создайте в комнате полную темноту. Тогда ни одного листка вы не увидите, т. е. оба они бу­дут одинаково черными.

Казалось бы, ни при каких усло­виях белая бумага не может быть чер­нее черной. И все же это не так. По­пробуйте придумать и поставить опыт, в котором белое оказывается более черным, чем черное. Но прежде про­читайте следующий абзац.

Тело, которое при любой темпе­ратуре полностью поглощает падаю­щее на него излучение любой часто­ты, называется абсолютно черным. Понятно, что это идеализация, в природе абсолютно черных тел нет. Тела, которые мы обычно называем черными (сажа, копоть, черные бар­хат и бумага и т. д.), на самом деле серые, т. е. они частично поглощают, а частично рассеивают падающий на них свет. Следовательно, для решения поставленной задачи можно, напри­мер, из белой бумаги сделать тело, более близкое к абсолютно черному, чем черная бумага. Теперь искомое решение почти очевидно.

Оказывается, вполне хорошей мо­делью абсолютно черного тела может служить сферическая полость с не­большим отверстием. Если диаметр отверстия не превышает 1/10 диа­метра полости, то (как показывает соответствующий расчет) вошедший в отверстие световой пучок сможет выйти из него .обратно лишь после многократных рассеяний или отраже­ний от разных точек стенки полости. Но при каждом «соприкосновении» пучка со стенкой энергия света ча­стично поглощается, так что доля вы­ходящего обратно из отверстия излу­чения ничтожно мала. Поэтому мож­но полагать, что отверстие полости практически полностью поглощает свет любой длины волны, как и абсо­лютно черное тело.

Конкретный прибор для опыта мож­но сделать, например, так. Из карто­на склейте коробку размером при­мерно 100X100X100 мм с открываю­щейся крышкой. Изнутри коробку оклейте белой бумагой, а снаружи — покрасьте черной тушью, гуашью или, что еще лучше, оклейте черной бумагой от фотопакетов. В крышке проделайте отверстие диаметром не более 10 мм. Фотографию такого при­бора вы видите на заставке.



Показывая опыт, осветите крышку коробки настольной лампой. Тогда отверстие будет выглядеть более чер­ным, чем черная крышка. Откройте крышку, и все увидят, что за отвер­стием — белая бумага, которая в опы­те действительно оказывается чернее черной!

Для того чтобы просто пронаблю­дать явление, можно поступить еще проще (но менее интересно). Возьмите белую фарфоровую чашку и закройте ее бумажной, черной крышкой с не­большим отверстием — эффект будет практически таким же.




Потомство: наказание за погрешности в технике. Генри Луис Менкен
ещё >>