Τέλειο μαύρο σώμα - ένα πρόβλημα της Νευτώνειας φυσικής

Πίνακας περιεχομένων:

Τέλειο μαύρο σώμα - ένα πρόβλημα της Νευτώνειας φυσικής
Τέλειο μαύρο σώμα - ένα πρόβλημα της Νευτώνειας φυσικής
Anonim

Το απόλυτα μαύρο σώμα είναι ένα πνευματικό σωματικό εξιδανικευμένο αντικείμενο. Είναι ενδιαφέρον ότι δεν χρειάζεται να είναι καθόλου μαύρο. Εδώ είναι διαφορετικά.

εντελώς μαύρο σώμα
εντελώς μαύρο σώμα

Albedo

Όλοι θυμόμαστε (ή τουλάχιστον θα έπρεπε να θυμόμαστε) από το μάθημα της σχολικής φυσικής ότι η έννοια του "albedo" υποδηλώνει την ικανότητα της επιφάνειας ενός σώματος να αντανακλά το φως. Έτσι, για παράδειγμα, τα καλύμματα χιονιού των παγοκάλυψης του πλανήτη μας είναι σε θέση να αντανακλούν έως και το 90% του ηλιακού φωτός που πέφτει πάνω τους. Αυτό σημαίνει ότι χαρακτηρίζονται από υψηλό albedo. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι οι υπάλληλοι των πολικών σταθμών αναγκάζονται συχνά να εργάζονται με γυαλιά ηλίου. Εξάλλου, το να κοιτάς το καθαρό χιόνι είναι σχεδόν το ίδιο με το να κοιτάς τον Ήλιο με γυμνό μάτι. Από αυτή την άποψη, το φεγγάρι του Κρόνου Εγκέλαδος, το οποίο αποτελείται σχεδόν εξ ολοκλήρου από πάγο νερού, έχει ανακλαστικότητα ρεκόρ σε ολόκληρο το ηλιακό σύστημα, έχει λευκό χρώμα και αντανακλά σχεδόν όλη την ακτινοβολία που πέφτει στην επιφάνειά του. Από την άλλη πλευρά, μια ουσία όπως η αιθάλη έχει albedo λιγότερο από 1%. Δηλαδή απορροφά περίπου το 99% της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.

κατανομή της ενέργειας στο φάσμα ενός μαύρου σώματος
κατανομή της ενέργειας στο φάσμα ενός μαύρου σώματος

Περιγραφή καθαρού μαύρου σώματος

Εδώ φτάνουμε στο πιο σημαντικό πράγμα. Σίγουρα ο αναγνώστης έχει μαντέψει ότι ένα απολύτως μαύρο σώμα είναι ένα αντικείμενο του οποίου η επιφάνεια είναι ικανή να απορροφήσει απολύτως όλη την ακτινοβολία που πέφτει πάνω του. Ταυτόχρονα, αυτό δεν σημαίνει καθόλου ότι ένα τέτοιο αντικείμενο θα είναι αόρατο και δεν μπορεί, καταρχήν, να εκπέμπει φως. Όχι, μην το μπερδεύετε με μια μαύρη τρύπα. Μπορεί να έχει χρώμα και μάλιστα να είναι πολύ ορατό, αλλά η ακτινοβολία ενός μαύρου σώματος θα καθορίζεται πάντα από τη δική του θερμοκρασία, όχι από το ανακλώμενο φως. Παρεμπιπτόντως, αυτό λαμβάνει υπόψη όχι μόνο το φάσμα που είναι ορατό με το ανθρώπινο μάτι, αλλά και την υπεριώδη, την υπέρυθρη ακτινοβολία, τα ραδιοκύματα, τις ακτίνες Χ, την ακτινοβολία γάμμα και ούτω καθεξής. Όπως ήδη αναφέρθηκε, ένα εντελώς μαύρο σώμα δεν υπάρχει στη φύση. Ωστόσο, τα χαρακτηριστικά του στο αστρικό μας σύστημα ταιριάζουν καλύτερα με τον Ήλιο, ο οποίος εκπέμπει αλλά σχεδόν δεν αντανακλά φως (που προέρχεται από άλλα αστέρια).

Εργαστηριακή εξιδανίκευση

Προσπάθειες να αναδειχθούν αντικείμενα που δεν αντανακλούν καθόλου το φως έχουν γίνει από τα τέλη του 19ου αιώνα. Στην πραγματικότητα, αυτό το πρόβλημα έχει γίνει μια από τις προϋποθέσεις για την εμφάνιση της κβαντικής μηχανικής. Πρώτα απ 'όλα, είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι οποιοδήποτε φωτόνιο (ή οποιοδήποτε άλλο σωματίδιο ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας) που απορροφάται από ένα άτομο εκπέμπεται αμέσως και απορροφάται από ένα γειτονικό άτομο και εκπέμπεται ξανά. Αυτή η διαδικασία θα συνεχιστεί μέχρι να επιτευχθεί η κατάσταση κορεσμού ισορροπίας στο σώμα. Ωστόσο, όταν ένα μαύρο σώμα θερμαίνεται σε μια τέτοια κατάσταση ισορροπίας, η ένταση του φωτός που εκπέμπεται από αυτό γίνεται ίση με την ένταση του απορροφούμενου φωτός.

ακτινοβολία μαύρου σώματος
ακτινοβολία μαύρου σώματος

Στην επιστημονική κοινότητα των φυσικών, το πρόβλημα προκύπτει όταν προσπαθούμε να υπολογίσουμε ποια θα πρέπει να είναι αυτή η ενέργεια ακτινοβολίας, η οποία αποθηκεύεται σε ισορροπία μέσα σε ένα μαύρο σώμα. Και έρχεται η καταπληκτική στιγμή. Η κατανομή της ενέργειας στο φάσμα ενός εντελώς μαύρου σώματος σε κατάσταση ισορροπίας σημαίνει το κυριολεκτικό άπειρο της ενέργειας της ακτινοβολίας μέσα σε αυτό. Αυτό το πρόβλημα έχει ονομαστεί η υπεριώδης καταστροφή.

Λύση Planck

Ο πρώτος που βρήκε μια αποδεκτή λύση σε αυτό το πρόβλημα ήταν ο Γερμανός φυσικός Max Planck. Πρότεινε ότι οποιαδήποτε ακτινοβολία απορροφάται από τα άτομα όχι συνεχώς, αλλά διακριτά. Σε μερίδες δηλαδή. Αργότερα, τέτοια τμήματα ονομάστηκαν φωτόνια. Επιπλέον, τα ραδιομαγνητικά κύματα μπορούν να απορροφηθούν από άτομα μόνο σε ορισμένες συχνότητες. Απλώς περνούν ακατάλληλες συχνότητες, πράγμα που λύνει το ζήτημα της άπειρης ενέργειας της απαραίτητης εξίσωσης.

Συνιστάται: