Для записи законов излучения и поглощения вводится понятие абсолютно черного тела. Абсолютно черным телом называется воображаемое тело, которое поглощает всю падающую на него энергию при любой температуре. Испускательная и поглощательная способности связаны между собой, эта связь выражается законом Кирхгофа .
Для всех тел при данной температуре отношение испускаемой способности к поглощательной способности есть величина постоянная и равная испускательной способности абсолютно черного тела.
R зависит от температуры, эта зависимость выражается законом Стефана-Больцмана:
Постоянная Стефана-Больцмана
Зависимость длины волны излучения от температуры тела выражается законом Вина .
Длина волны, соответствующая max излучению абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его термодинамической температуре.
b=
, постоянная Вина
Вопросы для самоконтроля
1. Что называется фотоэффектом?
2. Сформулировать законы внешнего фотоэффекта.
3. Что называется люминесценцией?
4. В чем заключается правило Стокса?
5. Записать массу и импульс фотона.
6. Что называется абсолютно черным телом?
7. Сформулировать законы излучения абсолютно черного тела.
8. В чем заключается двойственность природы света?
9. Сформулировать основные законы геометрической оптики.
10. В чем заключается явление дифракции?
11. В чем заключается явление интерференции?
12. Какой свет называется поляризованным?
13. Что называется дисперсией света?
14. Назвать основные фотометрические характеристики.
Абсолютно черное тело - это тело, для которого поглощательная способность тождественно равна единице для всех частот или длин волн и для любой температуры, т.е.:
Из определения абсолютно черного тела следует, что оно должно поглощать все падающее на него излучение.
Понятие "абсолютно черное тело" - это модельное понятие. В природе абсолютно черных тел не существует, но можно создать устройство, являющееся хорошим приближением к абсолютно черному телу - модель абсолютно черного тела .
Модель абсолютно черного тела - это замкнутая полость с маленьким, по сравнению с ее размерами, отверстием (рис. 1.2). Полость изготавливают из материала, достаточно хорошо поглощающего излучение. Излучение, попавшее в отверстие, прежде чем выйти из отверстия, многократно отражается от внутренней поверхности полости.
При каждом отражении часть энергии поглощается, в результате из отверстия выходит отраженный поток dФ", являющийся очень малой частью попавшего в него потока излучения dФ. В результате поглощательная способность отверстия в полости будет близка к единице.
Если внутренние стенки полости поддерживать при температуре Т, то из отверстия будет выходить излучение, свойства которого будут очень близки к свойствам излучения абсолютно черного тела. Внутри полости это излучение будет находиться в термодинамическом равновесии с веществом полости.
По определению плотности энергии, объемная плотность энергии w(Т) равновесного излучения в полости - это:
где dЕ - энергия излучения в объеме dV. Спектральное распределение объемной плотности дается функциями u(λ,T) (или u(ω,T)), которые вводятся аналогично спектральной плотности энергетической светимости ((1.6) и (1.9)), т.е.:
Здесь dw λ и dw ω - объемная плотность энергии в соответствующем интервале длин волн dλ или частот dω.
Закон Кирхгофа утверждает, что отношение испускательной способности тела ((1.6) и (1.9)) к его поглощательной способности (1.14) одинаково для всех тел и является универсальной функцией частоты ω (или длины волны λ) и температуры Т, т.е.:
Очевидно, что поглощательная способность a ω (или a λ ) для разных тел разная, то из закона Кирхгофа следует, что чем сильнее тело поглощает излучение, тем сильнее оно должно это излучение испускать. Так как для абсолютного черного тела a ω ≡ 1 (или a λ ≡ 1), то отсюда следует, что в случае абсолютночерного тела:
Иными словами, f(ω,T) либо φ(λ,T), есть не что иное как, спектральная плотность энергетической светимости (или испускательная способность) абсолютно черного тела.
Функция φ(λ,T) и f(ω,T) связаны со спектральной плотностью энергии излучения абсолютно черного тела следующими соотношениями:
где c - скорость света в вакууме.
Схема установки для опытного определения зависимости φ(λ,T) приведена на рисунке 1.3.
Излучение испускается из отверстия замкнутой полости, нагретой до температуры Т, затем попадает на спектральный прибор (призменный или решеточный монохроматор), который выделяет излучение в интервале частот от λ до λ + dλ. Это излучение попадает на приемник, который позволяет измерить падающую на него мощность излучения. Поделив эту приходящуюся на интервал от λ до λ + dλ мощность на площадь излучателя (площадь отверстия в полости!), мы получим значение функции φ(λ,T) для данной длины волны λ и температуры Т. Полученные экспериментальные результаты воспроизведены на рисунке 1.4.
Итоги лекции N 1
1. Немецкий физик Макс Планк в 1900 г. выдвинул гипотезу, согласно которой электромагнитная энергия излучается порциями, квантами энергии. Величина кванта энергии (см. (1.2):
ε = hv ,
где h=6,6261·10 -34 Дж·с - постоянная Планка, v - частота колебаний электромагнитной волны, излучаемой телом.
Эта гипотеза позволила Планку решить проблему излучения абсолютно черного тела.
2. А Эйнштейн, развивая понятие Планка о квантах энергии ввел в 1905 г. понятие "квант света" или фотон. Согласно Эйнштейну квант электромагнитной энергии ε = hv движется в виде фотона, локализованного в малой области пространства. Представление о фотонах позволило Эйнштейну решить проблему фотоэффекта.
3. Английский физик Э. Резерфорд, основываясь на экспериментальных исследованиях, проведенных в 1909-1910 гг., построил планетарную модель атома. Согласно этой модели в центре атома расположено очень маленькое ядро (r я ~ 10 -15 м), в котором сосредоточена почти вся масса атома. Заряд ядра положителен. Отрицательно заряженные электроны движутся вокруг ядра наподобие планет солнечной системы по орбитам, размер которых ~ 10 -10 м.
4. Атом в модели Резерфорда оказался неустойчивым: согласно электродинамике Максвелла электроны, двигаясь по круговым орбитам, должны непрерывно излучать энергию, в результате чего за время ~ 10 -8 с они должны упасть на ядро. Но весь наш опыт свидетельствует о стабильности атома. Так возникла проблема стабильности атома.
5. Решил проблему стабильности атома в 1913 г. датский физик Нильс Бор на основе выдвинутых им двух постулатов. В теории атома водорода, развитой Н. Бором, существенную роль играет постоянная Планка.
6. Тепловым называется электромагнитное излучение, испускаемое веществом за счет его внутренней энергии. Тепловое излучение может находиться в термодинамическом равновесии с окружающими телами.
7. Энергетическая светимость тела R - это отношение энергии dE, испускаемой за время dt поверхностью dS по всем направлениям, к dt и dS (см. (1.5)):
8. Спектральная плотность энергетической светимости r λ (или испускательная способность тела) - это отношение энергетической светимости dR, взятой в бесконечно малом интервале длин волн dλ, к величине dλ (см. (1.6)):
9. Поток излучения Ф - это отношение энергии dЕ, переносимой электромагнитным излучением через какую-либо поверхность ко времени переноса dt, значительно превышающему период электромагнитных колебаний (см. (1.13)):
10. Поглощательная способность тела a λ - это отношение поглощаемого телом потока излучения dФ λ " в интервале длин волн dλ к падающему на него потоку dФ λ в том же интервале dλ, (см. (1.14):
11. Абсолютно черное тело - это тело, для которого поглощательная способность тождественно равна единице для всех длин волн и для любой температуры, т.е.
Абсолютно черное тело - это модельное понятие.
12. Закон Кирхгофа утверждает, что отношение испускательной способности тела r λ к его поглощательной способности а λ одинаково для всех тел и является универсальной функцией длины волны λ (или частоты ω) и температуры Т (см. (1.17)):
ЛЕКЦИЯ N 2
Проблема излучения абсолютно черного тела. Формула Планка. Закон Стефана-Больцмана, закон Вина
§ 1. Проблема излучения абсолютно черного тела . Формула Планка
Проблема излучения абсолютно черного тела состояла в том, чтобы теоретически получить зависимость φ(λ,Т) - спектральную плотность энергетической светимости абсолютно черного тела.
Казалось, что ситуация ясна: при заданной температуре Т молекулы вещества излучающей полости имеют максвелловское распределение по скоростям и излучают электромагнитные волны в соответствии с законами классической электродинамики. Излучение находится в термодинамическом равновесии с веществом, значит для нахождения спектральной плотности энергии излучения u(λ,T) и связанной с ней функции φ(λ,Т) можно использовать законы термодинамики и классической статистики.
Однако, все попытки теоретиков получить на основе классической физики закон излучения абсолютно черного тела потерпели неудачу.
Частичный вклад в решение этой проблемы внесли Густав Кирхгоф, Вильгельм Вин, Иозеф Стефан, Людвиг Больцман, Джон Уильям Релей, Джеймс Хонвуд Джинс.
Проблема излучения абсолютно черного тела была решена Максом Планком. Для этого ему пришлось отказаться от классических представлений и сделать предположение о том, что заряд, совершающий колебания с частотой v , может получать или отдавать энергию порциями, или квантами.
Величина кванта энергии в соответствии с (1.2) и (1.4):
где h - постоянная Планка; 
v
- частота колебаний электромагнитной волны, излученной колеблющемся зарядом; ω = 2πv
- круговая частота.
На основе представления о квантах энергии М. Планк, используя методы статистической термодинамики, получил выражение для функции u(ω,Т), дающей распределение плотности энергии в спектре излучения абсолютного черного тела:
Вывод этой формулы будет дан в лекции N 12, § 3 после того, как мы познакомимся с основами квантовой статистики.
Для перехода к спектральной плотности энергетической светимости f(ω,Т) запишем вторую формулу (1.19):
Используя это соотношение и формулу Планка (2.1) для u(ω,T), получим, что:
Это и есть формула Планка для спектральной плотности энергетической светимости f(ω,T) .
Теперь мы получим формулу Планка для φ(λ,Т).Как мы знаем из (1.18), в случае абсолютно черного тела f(ω,T) = r ω , а φ(λ,Т) = r λ .
Связь между r λ и r ω дает формула (1.12), применяя ее мы получим:
Здесь мы аргумент ω функции f(ω,Т) выразили через длину волны λ. Подставляя сюда формулу Планка для f(ω,Т)из (2.2), получим формулу Планка для φ(λ,Т) - спектральной плотности энергетической светимости в зависимости от длины волны λ:
График этой функции хорошо совпадает с экспериментальными графиками φ(λ,Т) для всех длин волн и температур.
Это и означает, что проблем излучения абсолютно черного тела решена.
§ 2. Закон Стефана-Больцмана и закон Вина
Из (1.11) для абсолютно черного тела, когда r ω = f(λ,Т), получим энергетическую светимость R(T), интегрируя функцию f(ω,Т) (2.2) во всем интервале частот.
Интегрирование дает:
Введем обозначение:
тогда выражение для энергетической светимости R примет следующий вид:
Это и есть закон Стефана-Больцмана .
М. Стефан на основе анализа опытных данных пришел в 1879 г. к выводу, что энергетическая светимость любого тела пропорциональна четвертой степени температуры.
Л. Больцман в 1884 г. нашел из термодинамических соображений, что такая зависимость энергетической светимости от температуры справедлива лишь для абсолютно черного тела.
Постоянная σ носит название постоянной Стефана-Больцмана . Ее экспериментальное значение:
Вычисления по теоретической формуле дают для σ результат очень хорошо согласующийся с экспериментальным.
Отметим, что графически энергетическая светимость равна площади, ограниченной графиком функции f(ω,Т), это иллюстрирует рисунок 2.1.
Максимум графика спектральной плотности энергетической светимости φ(λ,Т) при повышении температуры смещается в область более коротких волн (рис. 2.2). Для нахождения закона, по которому происходит смещение максимума φ(λ,Т) в зависимости от температуры, надо исследовать функцию φ(λ,Т) на максимум. Определив положение этого максимума, мы получим закон его перемещения с изменением температуры.
Как известно из математики, для исследования функции на максимум надо найти ее производную и приравнять к нулю:
Подставив сюда φ(λ,Т) из (1.23) и взяв производную, получим три корня алгебраического уравнения относительно переменной λ. Два из них (λ = 0 и λ = ∞) соответствуют нулевым минимумам функции φ(λ,Т). Для третьего корня получается приближенное выражение:
Введем обозначение:
тогда положение максимума функции φ(λ,Т) будет определятся простой формулой:
Это и есть закон смещения Вина .
Он назван так в честь В. Вина, теоретически получившим в 1894 г. это соотношение. Постоянная в законе смещения Вина имеет следующее численное значение:
Итоги лекции N 2
1. Проблема излучения абсолютно черного тела состояла в том, что все попытки получить на основе классической физики зависимость φ(λ,Т) - спектральную плотность энергетической светимости абсолютно черного тела потерпели неудачу.
2. Эту проблему решил в 1900 г. М. Планк на основе своей гипотезы квантов: заряд, совершающий колебания с частотой v , может получить или отдавать энергию порциями или квантами. Величина кванта энергии:
здесь h = 6,626 ·10 -34 - постоянная Планка, величина 
Дж·с также называется постоянной Планка ["аш" с чертой], ω - круговая (циклическая) частота.
3. Формула Планка для спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела имеет следующий вид (см. (2.4):
здесь λ - длина волны электромагнитного излучения, Т - абсолютная температура, h - постоянная Планка, с - скорость света в вакууме, k - постоянная Больцмана.
4. Из формулы Планка следует выражение для энергетической светимости R абсолютно черного тела:
которое позволяет теоретически вычислить постоянную Стефана-Больцмана (см. (2.5)):
теоретическое значение которой хорошо совпадает с ее экспериментальным значением:
в законе Стефана-Больцмана (см.(2.6)):
5. Из формулы Планка следует закон смещения Вина, определяющий λ max - положение максимума функции φ(λ,Т) в зависимости от абсолютной температуры (см. (2.9):
Для b - постоянной Вина - из формулы Планка получается следующее выражение (см. (2.8)):
Постоянная Вина имеет следующее значение b = 2,90 ·10 -3 м·К.
ЛЕКЦИЯ N 3
Проблема фотоэффекта . Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
§ 1. Проблема фотоэффект а
Фотоэффект - это испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения.
Такой фотоэффект называют внешним. Именно о нем мы будем говорить в этой главе. Есть еще и внутренний фотоэффект . (см. лекцию 13, § 2).
В 1887 г. немецкий физик Генрих Герц обнаружил, что ультрафиолетовый свет, освещающий отрицательный электрод в разряднике, облегчает прохождение разряда. В 1888-89 гг. русский физик А. Г. Столетов занимается систематическим исследованием фотоэффекта (схема его установки приведена на рисунке). Исследования проводились в атмосфере газа, что сильно усложняло происходившие процессы.
Столетов обнаружил, что:
1) наибольшее воздействие оказывают ультрафиолетовые лучи;
2) сила тока возрастает с увеличением интенсивности света, освещающего фотокатод;
3) испущенные под действием света заряды имеют отрицательный знак.
Дальнейшие исследования фотоэффекта производились в 1900-1904 гг. немецким физиком Ф. Ленардом в наивысшем достигнутом в то время вакууме.
Ленарду удалось установить, что скорость вылетающих из фотокатода электронов не зависит от интенсивности света и прямо пропорционально его частоте . Так родилась проблема фотоэффекта . Объяснить результаты опытов Ленарда на основе электродинамики Максвелла было невозможно!
На рисунке 3.2 изображена установка, позволяющая детально изучать фотоэффект.
Электроды, фотокатод и анод , помещены в баллон, из которого откачан воздух. Свет на фотокатод подается через кварцевое окошко . Кварц, в отличие от стекла, хорошо пропускает ультрафиолетовые лучи. Разность потенциалов (напряжение) между фотокатодом и анодом измеряет вольтметр . Ток в цепи анода измеряется чувствительным микроамперметром . Для регулировки напряжения батарея питания подключена к реостату со средней точкой. Если движок реостата стоит против средней точки, подсоединенной через микроамперметр к аноду, то разность потенциалов между фотокатодом и анодом равна нулю. При смещении движка влево, потенциал анода становится отрицательным относительно катода. Если движок реостата сдвигать вправо от средней точки, то потенциал анода становится положительным.
Вольт-амперная характеристика установки по изучению фотоэффекта позволяет получить информацию об энергии электронов, испускаемых фотокатодом.
Вольт-амперная характеристика - это зависимость фототока i от напряжения между катодом и анодом U. При освещении светом, частота v которого достаточна для возникновения фотоэффекта, вольт-амперная характеристика имеет вид графика, изображенного на рис. 3.3:
Из этой характеристики следует, что при некотором положительном напряжении на аноде фототок i достигает насыщения. При этом все электроны, испущенные фотокатодом в единицу времени, попадают за это же время на анод.
При U = 0 часть электронов долетает до анода и создает фототок i 0 . При некотором отрицательном напряжении на аноде - U зад - фототок прекращается. При этом значении напряжения максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона у фотокатода (mv 2 max)/2 полностью расходуется на совершение работы против сил электрического поля:
В этой формуле m e - масса электрона; v max - его максимальная скорость у фотокатода; e - абсолютное значение заряда электрона.
Таким образом, измерив задерживающее напряжение U зад, можно найти кинетическую энергию (и скорость электрона) сразу после его вылета из фотокатода.
Опыт показал, что
1) энергия вылетевших из фотокатода электронов (и их скорость) не зависела от интенсивности света! При изменении частоты света v меняется и U зад, т.е. максимальная кинетическая энергия электронов, покидающих фотокатод;
2) максимальная кинетическая энергия электронов, у фотокатода, (mv 2 max)/2, прямо пропорциональна частоте v света, освещающего фотокатод.
Проблема , как и в случае с излучением абсолютно черного тела, состояла в том, что теоретические предсказания, сделанные для фотоэффекта на основе классической физики (электродинамики Максвелла), противоречили результатам опытов. Интенсивность света I в классической электродинамике является плотностью потока энергии световой волны. Во-первых, с этой точки зрения, энергия, передаваемая световой волной электрону, должна быть пропорциональна интенсивности света. Опыт не подтверждает это предсказание. Во-вторых, в классической электродинамике нет никаких объяснений прямой пропорциональности кинетической энергии электронов, (mv 2 max)/2, частоте света v.
Излучение нагретого металла в видимом диапазоне
Абсолютно чёрное тело - физическая идеализация, применяемая втермодинамике , тело, поглощающее всё падающее на негоэлектромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее. Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметьцвет .Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только еготемпературой .
Важность абсолютно черного тела в вопросе о спектре теплового излучения любых (серых и цветных) тел вообще, кроме того, что оно представляет собой наиболее простой нетривиальный случай, состоит еще и в том, что вопрос о спектре равновесного теплового излучения тел любого цвета и коэффициента отражения сводится методами классической термодинамики к вопросу об излучении абсолютно черного (и исторически это было уже сделано к концу XIX века, когда проблема излучения абсолютно черного тела вышла на первый план).
Наиболее чёрные реальные вещества, например, сажа , поглощают до 99 % падающего излучения (то есть имеютальбедо , равное 0,01) в видимом диапазоне длин волн, однако инфракрасное излучение поглощается ими значительно хуже. Среди телСолнечной системы свойствами абсолютно чёрного тела в наибольшей степени обладаетСолнце .
Модель абсолютно чёрного тела
Абсолютно чёрных тел в природе не существует, поэтому в физике для экспериментов используется модель . Она представляет собой замкнутую полость с небольшим отверстием. Свет, попадающий внутрь сквозь это отверстие, после многократных отражений будет полностью поглощён, и отверстие снаружи будет выглядеть совершенно чёрным. Но при нагревании этой полости у неё появится собственное видимое излучение. Поскольку излучение, испущенное внутренними стенками полости, прежде, чем выйдет (ведь отверстие очень мало), в подавляющей доле случаев претерпит огромное количество новых поглощений и излучений, то можно с уверенностью сказать, что излучение внутри полости находится втермодинамическом равновесии со стенками. (На самом деле, отверстие для этой модели вообще не важно, оно нужно только чтобы подчеркнуть принципиальную наблюдаемость излучения, находящегося внутри; отверстие можно, например, совсем закрыть, и быстро приоткрыть только тогда, когда равновесие уже установилось и проводится измерение).
Изначально к решению проблемы были применены чисто классические методы, которые дали ряд важных и верных результатов, однако полностью решить проблему не позволили, приведя в конечном итоге не только к резкому расхождению с экспериментом, но и к внутреннему противоречию - так называемой ультрафиолетовой катастрофе .
Изучение законов излучения абсолютно чёрного тела явилось одной из предпосылок появления квантовой механики .
В 1893 году Вильгельм Вин , воспользовавшись, помимо классической термодинамики, электромагнитной теорией света, вывел следующую формулу:
u ν - плотность энергии излучения
ν - частота излучения
T - температура излучающего тела
f - функция, зависящая только от частоты и температуры. Вид этой функции невозможно установить, исходя только из термодинамических соображений.
Первая формула Вина справедлива для всех частот. Любая более конкретная формула (например, закон Планка) должна удовлетворять первой формуле Вина.
Из первой формулы Вина можно вывести закон смещения Вина (закон максимума) изакон Стефана-Больцмана , но нельзя найти значения постоянных, входящих в эти законы.
Исторически именно первый закон Вина назывался законом смещения, но в настоящее время термином «закон смещения Вина » называют закон максимума.
– физическая абстракция, применяемая в термодинамике, тело, которое полностью поглощает излучение во всех диапазонах, падающего на него. Несмотря на название, абсолютно черное тело само может испускать электромагнитное излучение. Спектр излучения абсолютно черного тела определяется только его температурой. Практической моделью черного тела может быть полость с небольшим отверстием и зачерненными стенками, поскольку свет, попадающий сквозь отверстие в полость, испытывает многократные отражения и сильно поглощается. Глубокий черный цвет некоторых материалов (древесного угля, черного бархата) и зрачка человеческого глаза объясняется тем же механизмом.Интенсивность излучения абсолютно черного тела в зависимости от температуры и частоты определяется законом Планка:
Где I (?) d ? – мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности на единицу телесного угла в диапазоне частот от? до? + d ?
Общая энергия теплового излучения определяется законом Стефана-Больцмана:
Где F – мощность на единицу площади излучающей поверхности, а
Вт / (м 2 · К 4) – стала Стефана-Больцмана.
Длина волны, при которой энергия излучения максимальна, определяется законом смещения Вина:
Где T
– температура в кельвинах, а ? max
– длина волны с максимальной интенсивностью в метрах.
Видимый цвет абсолютно черных тел с разной температурой представлен на диаграмме справа.
Движение лучей света в абсолютно черном теле Искусственно можно изготовить практически абсолютно черное тело, вичорнившы внутреннюю поверхность нагретого до определенной температуры непрозрачного тела с полостью и малым отверстием. Всякий луч, проходя сквозь отверстие А в полость С, назад практически не выходит, потому испытывает многократного отражения и поглощения. Итак, отверстие А поглощает лучи так, как абсолютно черное тело.
Следует отметить, что геометрические размеры абсолютно черного тела накладывают естественные ограничения на длину электромагнитной волны, может распространяться в нем. Действительно, если длина волны больше размеры черного тела, то она в нем просто не сможет видзеркалюватись от стенок. Этот факт особенно важен в космологии, при моделировании Вселенной, в виде абсолютно черного тела на ранних этапах развития, особенно при рассмотрении реликтового излучения.
Понятием абсолютно черного тела широко пользуются в астрофизике. Излучение Солнца близко к излучению такого тела с температурой 6000К. Вся Вселенная пронизана так называемым реликтовым излучением, близким к излучению абсолютно черного тела с температурой 3К. Сравнение полного излучения звезд с излучением такого тела, позволяет приближенно оценить эффективную температуру звезды. Отклонение излучения звезды от излучения абсолютно черного тела часто бывает весьма заметным. В глубине Солнца и звезд, нагретых до десятков миллионов градусов, излучение с высокой точностью соответствует такому излучению.
Для практической реализации модели абсолютно черного тела необходимо обеспечить возможность равномерного нагрева стенок полости и выход излучения наружу через малое отверстие. Одним из первых экспериментальных образцов черного тела был прибор изготовлен Люммером и Прингсгеймом. Он представлял собой металлическую емкость с двойными стенками (подобно термостата). Пространство между стенками использовался в качестве «температурной бани» для поддержания определенной и равномерной температуры. Это достигалось путем пропускания пару кипящей воды или для низких температур – путем наполнения льдом, твердой углекислотой, жидким воздухом и т.п.
Для исследования излучения при высоких температурах использовалось черное тело другой конструкции. Цилиндр с платиновой жести, через который подается электрический ток, нужен для равномерного нагрева внутреннего фарфорового цилиндра. Температура внутри цилиндра измерялось термопарой, а диафрагмы предотвращали охлаждению проникающим воздухом.
С помощью подобных простых приборов – моделей черного тела, были экспериментально исследованы законы излучения, точно определены его константы и изучены спектральное распределение яркости.
К концу XIX века ученые, исследуя взаимодействие электромагнитного излучения (в частности, света) с атомами вещества, столкнулись с серьезными проблемами, решить которые удалось только в рамках квантовой механики , которая, во многом, и зародилась благодаря тому, что эти проблемы возникли. Чтобы понять первую и, пожалуй, самую серьезную из этих проблем, представьте себе большой черный ящик с зеркальной внутренней поверхностью, в одной из стенок которого проделана маленькая дырочка. Луч света, проникающий в ящик через микроскопическое отверстие, навсегда остается внутри, бесконечно отражаясь от стенок. Объект, не отражающий света, а полностью поглощающий его, выглядит черным, поэтому его и принято называть черным телом . (Абсолютно чёрное тело — подобно многим другим концептуальным физическим явлениям — объект чисто гипотетический, хотя, например, полая, равномерно разогревающаяся зеркальная изнутри сфера, свет в которую проникает через единственное крохотное отверстие, является хорошим приближением.)
Вам, однако, наверняка доводилось и в реальности видеть достаточно близкие аналоги черного тела. В очаге, например, случается, что несколько поленьев сложатся практически вплотную, а внутри них выгорит довольно большая полость. Снаружи поленья остаются темными и не светятся, в то время как внутри выгоревшей полости накапливаются жар (инфракрасное излучение) и свет, и, прежде чем вырваться наружу, эти лучи многократно отражаются от стен полости. Если заглянуть в щель между такими поленьями, вы увидите яркое желто-оранжевое высокотемпературное свечение и, оттуда на вас буквально полыхнет жаром. Просто лучи на какое-то время оказались пойманными в ловушку между поленьями подобно тому, как свет полностью улавливается и поглощается вышеописанным черным ящиком.
Модель такого черного ящика помогает нам понять, как ведет себя поглощенный черным телом свет, взаимодействуя с атомами его вещества. Тут важно понять, что свет поглощается атомом, тут же испускается им и поглощается другим атомом, снова испускается и поглощается, и так будет происходить до момента достижения состояния равновесного насыщения. При нагревании черного тела до равновесного состояния интенсивность испускания и поглощения лучей внутри черного тела уравниваются: при поглощении некоего количества света определенной частоты одним атомом другой атом где-то внутри одновременно испускает такое же количество света той же частоты. Таким образом, количество поглощенного света каждой частоты внутри черного тела остается неизменной, хотя поглощают и испускают его разные атомы тела.
До этого момента поведение черного тела остается достаточно понятным. Проблемы в рамках классической физики (под «классической» здесь имеется в виду физика до появления квантовой механики) начались при попытках подсчитать энергию излучения, сохраняемую внутри абсолютно черного тела в равновесном состоянии. И скоро выяснились две вещи:
По совокупности два этих заключения привели к немыслимому результату: энергия излучения внутри черного тела должна быть бесконечной! Эта злая насмешка над законами классической физики была окрещена ультрафиолетовой катастрофой , поскольку высокочастотное излучение лежит в ультрафиолетовой части спектра.
Порядок удалось восстановить немецкому физику Максу Планку (см. Постоянная Планка) — он показал, что проблема снимается, если допустить, что атомы могут поглощать и излучать свет только порциями и только на определенных частотах. (Позже Альберт Эйнштейн обобщил эту идею, введя понятие фотонов — строго определенных порций светового излучения.) По такой схеме многие частоты излучения, предсказываемые классической физикой, просто не могут существовать внутри черного тела, поскольку атомы не способны ни поглощать, ни испускать их; соответственно, эти частоты выпадают из рассмотрения при расчете равновесного излучения внутри черного тела. Оставив только допустимые частоты, Планк предотвратил ультрафиолетовую катастрофу и направил науку по пути верного понимания устройства мира на субатомном уровне. Кроме того, он рассчитал характерное распределение равновесного излучения черного тела по частотам.
Это распределение получило всемирную известность через многие десятилетия после его публикации самим Планком, когда ученые-космологи выяснили, что открытое ими реликтовое микроволновое излучение (см. Большой взрыв) в точности подчиняется распределению Планка по своим спектральным характеристикам и соответствует излучению абсолютно черного тела при температуре около трех градусов выше абсолютного нуля.
