جسم أسود بالكامل. الجسم الأسود هو مشكلة في الفيزياء النيوتونية.

الصفحة الرئيسية

الصرف الصحي

جسم أسود بالكامل

جسم أسود بالكامل- المثالية الفيزيائية المستخدمة في الديناميكا الحرارية ، وهي جسم يمتص كل الإشعاع الكهرومغناطيسي الساقط عليه في جميع النطاقات ولا يعكس شيئًا. على الرغم من الاسم ، يمكن أن ينبعث الجسم الأسود نفسه إشعاعًا كهرومغناطيسيًا من أي تردد ويكون له لون بصريًا. يتم تحديد الطيف الإشعاعي لجسم أسود فقط من خلال درجة حرارته.

تكمن أهمية الجسم الأسود في مسألة طيف الإشعاع الحراري لأي أجسام (رمادية وملونة) بشكل عام ، بالإضافة إلى كونه أبسط حالة غير تافهة ، في حقيقة أن مسألة طيف التوازن يتم تقليل الإشعاع الحراري للأجسام من أي لون ومعامل انعكاس من خلال طرق الديناميكا الحرارية الكلاسيكية إلى مسألة الإشعاع من جسم أسود تمامًا (وقد حدث هذا بالفعل بحلول نهاية القرن التاسع عشر ، عندما كانت مشكلة الإشعاع من ظهر الجسم الأسود تمامًا في المقدمة).

المواد الأكثر سوادًا ، على سبيل المثال ، السخام ، تمتص ما يصل إلى 99٪ من الإشعاع الساقط (أي أن لديها بياض 0.01) في نطاق الطول الموجي المرئي ، لكنها تمتص الأشعة تحت الحمراء بشكل أسوأ بكثير. من بين أجسام النظام الشمسي ، تتمتع الشمس بخصائص جسم أسود تمامًا إلى أقصى حد.

تم تقديم المصطلح بواسطة Gustav Kirchhoff في عام 1862.

نموذج عملي

نموذج الجسم الأسود

لا توجد أجسام سوداء على الإطلاق في الطبيعة (باستثناء الثقوب السوداء) ، لذلك ، في الفيزياء ، يتم استخدام نموذج للتجارب. إنه تجويف مغلق بفتحة صغيرة. سيتم امتصاص الضوء الذي يدخل من خلال هذه الفتحة تمامًا بعد الانعكاسات المتكررة ، وسيبدو الثقب أسود تمامًا من الخارج. ولكن عندما يتم تسخين هذا التجويف ، سيكون له إشعاع مرئي خاص به. نظرًا لأن الإشعاع المنبعث من الجدران الداخلية للتجويف ، قبل أن يخرج (بعد كل شيء ، فإن الفتحة صغيرة جدًا) ، في الغالبية العظمى من الحالات ، ستخضع لعدد كبير من الامتصاص والإشعاعات الجديدة ، ويمكن القول بذلك. التأكد من أن الإشعاع داخل التجويف في حالة توازن ديناميكي حراري مع الجدران. (في الواقع ، الثقب الخاص بهذا النموذج ليس مهمًا على الإطلاق ، فهو مطلوب فقط للتأكيد على الملاحظة الأساسية للإشعاع الداخلي ؛ يمكن ، على سبيل المثال ، أن يكون الثقب مغلقًا تمامًا ، ويفتح بسرعة فقط عندما يكون التوازن قد تم بالفعل. تم تأسيسها ويتم إجراء القياس).

قوانين إشعاع الجسم الأسود

النهج الكلاسيكي

في البداية ، تم تطبيق طرق كلاسيكية بحتة لحل المشكلة ، والتي أعطت عددًا من النتائج المهمة والصحيحة ، لكنها لم تسمح بحل المشكلة تمامًا ، مما أدى في النهاية ليس فقط إلى تناقض حاد مع التجربة ، ولكن أيضًا إلى تناقض داخلي - ما يسمى ب كارثة الأشعة فوق البنفسجية.

كانت دراسة قوانين إشعاع الجسم الأسود أحد المتطلبات الأساسية لظهور ميكانيكا الكم.

أول قانون إشعاع في فيينا

في عام 1893 ، استخدم فيلهلم وين ، بالإضافة إلى الديناميكا الحرارية الكلاسيكية ، النظرية الكهرومغناطيسية للضوء ، واستمد الصيغة التالية:

أين شν هي كثافة الطاقة الإشعاعية ،

ν - تردد الإشعاع ،

تيهي درجة حرارة الجسم المشع ،

Fهي وظيفة تعتمد فقط على التردد ودرجة الحرارة. لا يمكن تحديد شكل هذه الوظيفة من الاعتبارات الديناميكية الحرارية وحدها.

صيغة Wien الأولى صالحة لجميع الترددات. أي صيغة أكثر تحديدًا (مثل قانون بلانك) يجب أن تفي بصيغة فيينا الأولى.

من صيغة Wien الأولى ، يمكن للمرء اشتقاق قانون Wien للإزاحة (قانون الحد الأقصى) وقانون Stefan-Boltzmann ، لكن لا يمكن للمرء العثور على قيم الثوابت المدرجة في هذه القوانين.

تاريخيًا ، كان أول قانون لفين يسمى قانون الإزاحة ، ولكن مصطلح "قانون إزاحة فيينا" يشير في الوقت الحاضر إلى قانون الحد الأقصى.

قانون الإشعاع الثاني لفين

في عام 1896 ، اشتقت فيينا قانونًا ثانيًا بناءً على افتراضات إضافية:

أين ج 1 , ج 2 - الثوابت. تظهر التجربة أن صيغة Wien الثانية صالحة فقط في حدود الترددات العالية (الأطوال الموجية القصيرة). إنها حالة خاصة من قانون فيينا الأول.

في وقت لاحق ، أظهر ماكس بلانك أن قانون فيينا الثاني يتبع قانون بلانك لطاقات الفوتون العالية ، كما وجد الثوابت ج 1 و ج 2. مع وضع هذا في الاعتبار ، يمكن كتابة قانون فيينا الثاني على النحو التالي:

أين حهو ثابت بلانك ،

كهل ثابت بولتزمان ،

جهي سرعة الضوء في الفراغ.

قانون رايلي جينز

تؤدي محاولة وصف إشعاع الجسم الأسود تمامًا استنادًا إلى المبادئ الكلاسيكية للديناميكا الحرارية والديناميكا الكهربائية إلى قانون رايلي جينز:

تفترض هذه الصيغة زيادة تربيعية في الكثافة الطيفية للإشعاع اعتمادًا على تردده. في الممارسة العملية ، قد يعني مثل هذا القانون استحالة التوازن الديناميكي الحراري بين المادة والإشعاع ، لأنه وفقًا لذلك ، يجب تحويل كل الطاقة الحرارية إلى طاقة إشعاعية في منطقة الطول الموجي القصير من الطيف. سميت هذه الظاهرة الافتراضية بكارثة الأشعة فوق البنفسجية.

ومع ذلك ، فإن قانون إشعاع Rayleigh-Jeans صالح لمنطقة الطول الموجي الطويل للطيف ويصف بشكل مناسب طبيعة الإشعاع. لا يمكن تفسير حقيقة مثل هذا التطابق إلا باستخدام طريقة ميكانيكا الكم ، والتي بموجبها يحدث الإشعاع بشكل منفصل. استنادًا إلى قوانين الكم ، يمكنك الحصول على صيغة Planck ، والتي ستتزامن مع صيغة Rayleigh-Jeans لـ.

هذه الحقيقة هي توضيح ممتاز لعمل مبدأ المطابقة ، والذي بموجبه يجب أن تشرح النظرية الفيزيائية الجديدة كل ما كان باستطاعة النظرية القديمة تفسيرها.

قانون بلانك

اعتماد قوة إشعاع الجسم الأسود على الطول الموجي.

يتم تحديد كثافة الإشعاع لجسم أسود تمامًا ، اعتمادًا على درجة الحرارة والتردد ، بواسطة قانون بلانك:

أين هي قدرة الإشعاع لكل وحدة مساحة من السطح المشع في فاصل تردد وحدة في الاتجاه العمودي لكل وحدة زاوية صلبة (SI unit: J s −1 m −2 Hz −1 sr −1).

بالتساوي ،

أين هي قدرة الإشعاع لكل وحدة مساحة من السطح المشع في فاصل طول موجي للوحدة في الاتجاه العمودي لكل وحدة زاوية صلبة (SI unit: J s −1 m −2 m −1 sr 1).

يتم وصف إجمالي الطاقة الطيفية (أي المنبعثة في جميع الاتجاهات) للإشعاع من سطح الوحدة لجسم أسود بنفس الصيغ حتى المعامل π: ε (ν ، تي) = π أنا(ν, تي), ε(λ, تي) = π ش(λ, تي).

قانون ستيفان بولتزمان

يتم تحديد الطاقة الإجمالية للإشعاع الحراري بواسطة قانون Stefan-Boltzmann ، والذي ينص على:

تتناسب القوة الإشعاعية للجسم الأسود (الطاقة المتكاملة على كامل الطيف) ، لكل وحدة مساحة سطحية ، طرديًا مع القوة الرابعة لدرجة حرارة الجسم:

أين هي القدرة لكل وحدة مساحة من السطح المشع ، و

W / (م² ك 4) - ثابت ستيفان بولتزمان.

وبالتالي ، فإن الجسم الأسود تمامًا عند = 100 كلفن يشع 5.67 واط لكل متر مربع من سطحه. عند درجة حرارة 1000 كلفن ، تزداد قوة الإشعاع إلى 56.7 كيلووات لكل متر مربع.

بالنسبة للأجسام غير السوداء ، يمكن للمرء أن يكتب تقريبًا:

أين درجة السواد (لجميع المواد ، لجسم أسود بالكامل).

لا يمكن حساب ثابت Stefan-Boltzmann نظريًا إلا من الاعتبارات الكمومية ، باستخدام صيغة Planck. في الوقت نفسه ، يمكن الحصول على الشكل العام للصيغة من الاعتبارات الكلاسيكية (التي لا تزيل مشكلة كارثة الأشعة فوق البنفسجية).

قانون النزوح في فيينا

يتم تحديد الطول الموجي الذي يتم عنده الحد الأقصى لطاقة الإشعاع لجسم أسود قانون النزوح في فيينا:

أين درجة الحرارة بوحدة كلفن وطول الموجة بأقصى شدة بالأمتار.

لذا ، إذا افترضنا في التقريب الأول أن جلد الإنسان قريب من خصائص الجسم الأسود تمامًا ، فإن أقصى طيف إشعاع عند درجة حرارة 36 درجة مئوية (309 كلفن) يقع عند طول موجي 9400 نانومتر (في منطقة الأشعة تحت الحمراء من الطيف).

يظهر الرسم البياني اللون المرئي للأجسام السوداء تمامًا بدرجات حرارة مختلفة.

إشعاع الجسم الأسود

الإشعاع الكهرومغناطيسي في حالة توازن ديناميكي حراري مع جسم أسود تمامًا عند درجة حرارة معينة (على سبيل المثال ، الإشعاع داخل تجويف في جسم أسود تمامًا) يسمى إشعاع الجسم الأسود (أو التوازن الحراري). الإشعاع الحراري المتوازن متجانس ، متناحي الخواص وغير مستقطب ، لا يوجد فيه نقل للطاقة ، كل خصائصه تعتمد فقط على درجة حرارة باعث الجسم الأسود المطلق (وبما أن إشعاع الجسم الأسود في حالة توازن حراري مع جسم معين ، فإن هذا يمكن أن تعزى درجة الحرارة إلى الإشعاع). كثافة الطاقة الحجمية لإشعاع الجسم الأسود تساوي ضغطها يساوي قريب جدًا في خصائصه من الجسم الأسود هو ما يسمى بقايا الإشعاع ، أو الخلفية الكونية الميكروية - الإشعاع يملأ الكون بدرجة حرارة حوالي 3 كلفن.

اللونية لإشعاع الجسم الأسود

يتم إعطاء الألوان بالمقارنة مع ضوء النهار المنتشر. يمكن أن يتشوه اللون المدرك حقًا عن طريق تكيف العين مع ظروف الإضاءة.

قانون الإشعاع كيرشوف

قانون الإشعاع كيرشوف هو قانون فيزيائي وضعه الفيزيائي الألماني كيرشوف عام 1859.

تنص الصيغة الحالية للقانون على ما يلي:

نسبة الانبعاثية لأي جسم إلى قدرته على الامتصاص هي نفسها لجميع الأجسام عند درجة حرارة معينة لتردد معين ولا تعتمد على شكلها وطبيعتها الكيميائية.

من المعروف أنه عندما يسقط الإشعاع الكهرومغناطيسي على الجسم ، ينعكس جزء منه ، ويمتص جزء منه ، ويمكن أن ينتقل جزء منه. يسمى جزء من الإشعاع الممتص عند تردد معين القدرة على الامتصاصهيئة . من ناحية أخرى ، يشع كل جسم ساخن الطاقة وفقًا لقانون معين يسمى انبعاثية الجسم.

يمكن أن تختلف قيمها اختلافًا كبيرًا عند الانتقال من جسم إلى آخر ، ومع ذلك ، وفقًا لقانون الإشعاع Kirchhoff ، لا تعتمد نسبة قدرات الانبعاث والامتصاص على طبيعة الجسم وهي وظيفة عالمية التردد (الطول الموجي) ودرجة الحرارة:

بحكم التعريف ، يمتص الجسم الأسود تمامًا كل الإشعاع الساقط عليه ، أي بالنسبة له. لذلك ، تتطابق الوظيفة مع انبعاثية جسم أسود تمامًا ، كما هو موصوف في قانون ستيفان بولتزمان ، ونتيجة لذلك يمكن العثور على انبعاث أي جسم بناءً على قدرته على الامتصاص فقط.

تمتلك الأجسام الحقيقية قوة امتصاص أقل من الوحدة ، وبالتالي ، فإن الابتعاثية أقل من تلك الموجودة في الجسم الأسود تمامًا. تسمى الأجسام التي لا تعتمد قدرتها على الامتصاص على التردد باللون الرمادي. طيفهم له نفس شكل الجسم الأسود تمامًا. في الحالة العامة ، تعتمد سعة امتصاص الأجسام على التردد ودرجة الحرارة ، ويمكن أن يختلف طيفها اختلافًا كبيرًا عن طيف الجسم الأسود تمامًا. تم إجراء دراسة الانبعاثية للأسطح المختلفة لأول مرة من قبل العالم الاسكتلندي ليزلي باستخدام اختراعه الخاص - مكعب ليزلي.

في جميع النطاقات ولا تعكس أي شيء. على الرغم من الاسم ، يمكن للجسم الأسود نفسه أن يصدر إشعاعًا كهرومغناطيسيًا من أي تردد ويكون له بصريًا. يتم تحديد الطيف الإشعاعي لجسم أسود فقط من خلال درجة حرارته.

المواد الأكثر سوادًا ، على سبيل المثال ، السخام ، تمتص ما يصل إلى 99٪ من الإشعاع الساقط (أي أن لديها بياض يساوي 0.01) في نطاق الطول الموجي المرئي ، لكنها تمتص الأشعة تحت الحمراء بشكل أسوأ بكثير. من بين أجسام النظام الشمسي ، تتمتع الشمس بخصائص جسم أسود تمامًا إلى أقصى حد.

نموذج عملي

نموذج الجسم الأسود

قوانين إشعاع الجسم الأسود

النهج الكلاسيكي

كانت دراسة قوانين إشعاع الجسم الأسود المطلق أحد المتطلبات الأساسية لظهور ميكانيكا الكم.

أول قانون إشعاع في فيينا

ك- ثابت بولتزمان ، جهي سرعة الضوء في الفراغ.

قانون رايلي جينز

تفترض هذه الصيغة زيادة تربيعية في الكثافة الطيفية للإشعاع اعتمادًا على تردده. في الممارسة العملية ، قد يعني هذا القانون استحالة التوازن الديناميكي الحراري بين المادة والإشعاع ، لأنه وفقًا لذلك ، يجب تحويل كل الطاقة الحرارية إلى طاقة إشعاعية في منطقة الطول الموجي القصير من الطيف. سميت هذه الظاهرة الافتراضية بكارثة الأشعة فوق البنفسجية.

ومع ذلك ، فإن قانون إشعاع Rayleigh-Jeans صالح لمنطقة الطول الموجي الطويل للطيف ويصف بشكل مناسب طبيعة الإشعاع. لا يمكن تفسير حقيقة مثل هذا التطابق إلا باستخدام طريقة ميكانيكا الكم ، والتي بموجبها يحدث الإشعاع بشكل منفصل. استنادًا إلى قوانين الكم ، يمكن للمرء الحصول على صيغة بلانك ، والتي ستتزامن مع صيغة Rayleigh-Jeans لـ.

قانون بلانك

يتم تحديد كثافة الإشعاع لجسم أسود تمامًا ، اعتمادًا على درجة الحرارة والتردد ، بواسطة قانون بلانك:

بالتساوي ،

يتم وصف إجمالي الطاقة الطيفية (أي المنبعثة في جميع الاتجاهات) للإشعاع من سطح الوحدة لجسم أسود تمامًا بواسطة نفس الصيغ حتى المعامل π: ε(ν, تي) = π أنا(ν, تي) , ε(λ, تي) = π ش(λ, تي) .

قانون ستيفان بولتزمان

يتم تحديد الطاقة الإجمالية للإشعاع الحراري بواسطة قانون Stefan-Boltzmann ، والذي ينص على:

أين يهي القدرة لكل وحدة مساحة من السطح المشع ، و

W / (م² ك 4) - ثابت ستيفان بولتزمان.

وهكذا ، جسم أسود بالكامل تي= 100 كلفن تصدر 5.67 واط لكل متر مربع من سطحه. عند درجة حرارة 1000 كلفن ، تزداد قوة الإشعاع إلى 56.7 كيلووات لكل متر مربع.

بالنسبة للأجسام غير السوداء ، يمكن للمرء أن يكتب تقريبًا:

أين درجة السواد (لجميع المواد ، لجسم أسود بالكامل).

قانون النزوح في فيينا

يتم تحديد الطول الموجي الذي يتم عنده الحد الأقصى لطاقة الإشعاع لجسم أسود قانون النزوح في فيينا:

أين تيهي درجة الحرارة بوحدة الكلفن ، وهي الطول الموجي بأقصى شدة بالأمتار.

يظهر الرسم البياني اللون المرئي للأجسام السوداء تمامًا بدرجات حرارة مختلفة.

إشعاع الجسم الأسود

الإشعاع الكهرومغناطيسي في حالة توازن ديناميكي حراري مع جسم أسود تمامًا عند درجة حرارة معينة (على سبيل المثال ، الإشعاع داخل تجويف في جسم أسود تمامًا) يسمى إشعاع الجسم الأسود (أو التوازن الحراري). الإشعاع الحراري المتوازن متجانس ، متناحي الخواص وغير مستقطب ، لا يوجد فيه نقل للطاقة ، كل خصائصه تعتمد فقط على درجة حرارة باعث الجسم الأسود المطلق (وبما أن إشعاع الجسم الأسود في حالة توازن حراري مع جسم معين ، فإن هذا يمكن أن تعزى درجة الحرارة إلى الإشعاع). كثافة الطاقة الحجمية لإشعاع الجسم الأسود مساوية لضغطه. ومن خصائصه القريبة جدًا من إشعاع الجسم الأسود ما يسمى بالإشعاع المتبقي ، أو إشعاع الخلفية الكونية الميكروويف - الإشعاع الذي يملأ الكون بدرجة حرارة تبلغ حوالي 3 كلفن. .

اللونية لإشعاع الجسم الأسود

يتم إعطاء الألوان بالمقارنة مع ضوء النهار المنتشر (

تم تقديم مفهوم "الجسم الأسود" من قبل الفيزيائي الألماني جوستاف كيرشوف في منتصف القرن التاسع عشر. ارتبطت الحاجة إلى إدخال مثل هذا المفهوم مع تطور نظرية الإشعاع الحراري.

الجسم الأسود هو جسم مثالي يمتص كل الإشعاع الكهرومغناطيسي الساقط عليه في جميع نطاقات الطول الموجي ولا يعكس أي شيء.

وبالتالي ، فإن طاقة أي إشعاع ساقط يتم نقلها بالكامل إلى الجسم الأسود وتحويلها إلى طاقته الداخلية. بالتزامن مع امتصاص الجسم الأسود ، ينبعث أيضًا من الإشعاع الكهرومغناطيسي ويفقد الطاقة. علاوة على ذلك ، يتم تحديد قوة هذا الإشعاع ومحتواه الطيفي فقط من خلال درجة حرارة الجسم الأسود. إن درجة حرارة الجسم الأسود هي التي تحدد مقدار الإشعاع الذي يصدره في نطاقات الأشعة تحت الحمراء والمرئية والأشعة فوق البنفسجية وغيرها. لذلك ، الجسم الأسود ، على الرغم من اسمه ، عند درجة حرارة عالية بما فيه الكفاية سوف يشع في النطاق المرئي ويكون له لون بصري. شمسنا هي مثال لجسم تم تسخينه إلى درجة حرارة 5800 درجة مئوية ، في حين أنه قريب من خصائص الجسم الأسود.

لا توجد أجسام سوداء تمامًا في الطبيعة ، لذلك ، في الفيزياء ، يتم استخدام نموذج للتجارب. غالبًا ما يكون تجويفًا مغلقًا بمدخل صغير. تمتص الجدران الإشعاع الذي يدخل من خلال هذه الفتحة تمامًا بعد انعكاسات متعددة. لا ينعكس أي جزء من الإشعاع الذي دخل الثقب منه - وهذا يتوافق مع تعريف الجسم الأسود (الامتصاص الكامل وعدم الانعكاس). في هذه الحالة ، يكون للتجويف إشعاع خاص به يتوافق مع درجة حرارته. نظرًا لأن الإشعاع الذاتي للجدران الداخلية للتجويف ينتج أيضًا عددًا كبيرًا من الامتصاص والإشعاعات الجديدة ، يمكن القول أن الإشعاع داخل التجويف في حالة توازن ديناميكي حراري مع الجدران. يتم تحديد خصائص إشعاع التوازن هذا فقط من خلال درجة حرارة التجويف (الجسم الأسود): إجمالي الطاقة الإشعاعية (في جميع الأطوال الموجية) وفقًا لقانون ستيفان بولتزمان ، وتوزيع الطاقة الإشعاعية على الأطوال الموجية موصوفة في صيغة بلانك .

لا توجد أجسام سوداء على الإطلاق في الطبيعة. هناك أمثلة على أجساد هي الأقرب في خصائصها إلى الأسود تمامًا. على سبيل المثال ، يمكن أن يمتص السخام ما يصل إلى 99٪ من الضوء الساقط عليه. من الواضح أن الخشونة الخاصة لسطح المادة تجعل من الممكن تقليل الانعكاسات إلى الحد الأدنى. من خلال الانعكاس المتكرر متبوعًا بالامتصاص نرى أجسامًا سوداء مثل المخمل الأسود.

قابلت ذات مرة شيئًا قريبًا جدًا من الجسم الأسود في مصنع جيليت لشفرات الحلاقة في سانت بطرسبرغ ، حيث أتيحت لي فرصة العمل حتى قبل التقاط التصوير الحراري. يتم تجميع شفرات الحلاقة الكلاسيكية ذات الوجهين في "سكاكين" في العملية التكنولوجية ، حتى 3000 شفرة في حزمة. السطح الجانبي ، الذي يتكون من العديد من الشفرات الحادة المضغوطة بإحكام ، أسود مخملي ، على الرغم من أن كل شفرة فولاذية فردية لها حافة فولاذية لامعة ومحددة بشكل حاد. قد تصل كتلة الشفرات المتروكة على حافة النافذة في الطقس المشمس إلى درجات حرارة تصل إلى 80 درجة مئوية. في الوقت نفسه ، لم يتم تسخين الشفرات الفردية عمليًا ، لأنها تعكس معظم الإشعاع. الخيوط الموجودة على البراغي والمسامير لها شكل سطح مماثل ، وتكون انبعاثها أعلى من السطح الأملس. غالبًا ما تستخدم هذه الخاصية في التحكم في التصوير الحراري للمعدات الكهربائية.

يعمل العلماء على إنشاء مواد ذات خصائص قريبة من تلك الموجودة في الأجسام السوداء تمامًا. على سبيل المثال ، تم تحقيق نتائج مهمة في النطاق البصري. في عام 2004 ، تم تطوير سبيكة من النيكل والفوسفور في إنجلترا ، والتي كانت عبارة عن طلاء دقيق المسام وانعكاس 0.16-0.18٪. تم إدراج هذه المادة في موسوعة جينيس للأرقام القياسية باعتبارها أكثر المواد سوادًا في العالم. في عام 2008 ، سجل العلماء الأمريكيون رقمًا قياسيًا جديدًا - غشاء رقيق نماه ، يتكون من أنابيب كربون عمودية ، يمتص الإشعاع بالكامل تقريبًا ، ويعكسه بنسبة 0.045٪. يبلغ قطر هذا الأنبوب من عشرة نانومترات ويبلغ طوله من عشرة إلى عدة مئات من الميكرومترات. تحتوي المادة التي تم إنشاؤها على بنية فضفاضة مخملية وسطح خشن.

يتم معايرة كل جهاز يعمل بالأشعة تحت الحمراء مقابل طراز (نماذج) الجسم الأسود. لا يمكن أن تكون دقة قياس درجة الحرارة أفضل من دقة المعايرة. لذلك ، فإن جودة المعايرة مهمة جدًا. أثناء المعايرة (أو التحقق) باستخدام بواعث مرجعية ، يتم إعادة إنتاج درجات الحرارة من نطاق القياس الكامل لجهاز التصوير الحراري أو البيرومتر. في الممارسة العملية ، يتم استخدام بواعث الحرارة المرجعية في شكل نموذج أسود من الأنواع التالية:

نماذج تجويف الجسم الأسود.لديهم تجويف مع مدخل صغير. يتم ضبط درجة الحرارة في التجويف والحفاظ عليها وقياسها بدقة عالية. يمكن إعادة إنتاج درجات حرارة عالية في مثل هذه البواعث.

نماذج الجسم الأسود الممتدة أو المستوية.اجعل وسادة مطلية بمركب عالي الانبعاث (انعكاس منخفض). يتم ضبط درجة حرارة الموقع وصيانتها وقياسها بدقة عالية. في مثل هذه المشعات ، يمكن إعادة إنتاج درجات حرارة منخفضة سلبية.

عند البحث عن معلومات حول نماذج الجسم الأسود المستوردة ، استخدم المصطلح "جسم أسود". من المهم أيضًا فهم الفرق بين فحص جهاز التصوير الحراري ومعايرته والتحقق منه. تم وصف هذه الإجراءات بالتفصيل على الموقع الإلكتروني في القسم الخاص بأجهزة التصوير الحراري.

المواد المستخدمة: ويكيبيديا ؛ TSB ؛ مركز تدريب الأشعة تحت الحمراء (ITC) ؛ معايرة فلوك

يُطلق على الجسم الأسود تمامًا هذا الاسم لأنه يمتص كل الإشعاع الساقط عليه (أو بالأحرى ، داخله) في كل من الطيف المرئي وما بعده. ولكن إذا لم يسخن الجسم ، يعاد إشعاع الطاقة مرة أخرى. هذا الإشعاع المنبعث من جسم أسود تمامًا له أهمية خاصة. تم إجراء المحاولات الأولى لدراسة خصائصه حتى قبل ظهور النموذج نفسه.

في أوائل القرن التاسع عشر ، جرب جون ليزلي مواد مختلفة. كما اتضح فيما بعد ، فإن السخام الأسود لا يمتص فقط كل الضوء المرئي الساقط عليه. يشع في نطاق الأشعة تحت الحمراء أقوى بكثير من المواد الأخرى الأخف وزنا. كانت عبارة عن إشعاع حراري يختلف عن سائر الأنواع في عدة خصائص. إن إشعاع الجسم الأسود المطلق هو توازن ، متجانس ، يحدث بدون نقل للطاقة ويعتمد عليه فقط

عند درجة حرارة الجسم العالية بما فيه الكفاية ، يصبح الإشعاع الحراري مرئيًا ، وبعد ذلك يكتسب أي جسم ، بما في ذلك الأسود المطلق ، لونًا.

مثل هذا الكائن الفريد الذي يشع بشكل استثنائي معين لا يمكن أن يفشل في جذب الانتباه. نظرًا لأننا نتحدث عن الإشعاع الحراري ، فقد تم اقتراح الصيغ والنظريات الأولى حول الشكل الذي يجب أن يبدو عليه الطيف في إطار الديناميكا الحرارية. كانت الديناميكا الحرارية الكلاسيكية قادرة على تحديد ما يجب أن يكون الحد الأقصى للإشعاع عند درجة حرارة معينة ، وفي أي اتجاه وكم سيتحول عند تسخينه وتبريده. ومع ذلك ، لم يكن من الممكن التنبؤ بتوزيع الطاقة في طيف الجسم الأسود في جميع الأطوال الموجية ، وعلى وجه الخصوص ، في نطاق الأشعة فوق البنفسجية.

وفقًا للديناميكا الحرارية الكلاسيكية ، يمكن أن تنبعث الطاقة في أي أجزاء ، بما في ذلك الأجزاء الصغيرة بشكل عشوائي. ولكن لكي يشع جسم أسود تمامًا بأطوال موجية قصيرة ، يجب أن تكون طاقة بعض جسيماتها كبيرة جدًا ، وفي منطقة الموجات فائقة القصر ، ستنتقل إلى ما لا نهاية. في الواقع ، هذا مستحيل ، اللانهاية ظهرت في المعادلات وحصلت على الاسم فقط تلك الطاقة يمكن أن تنبعث في أجزاء منفصلة - كوانتا - ساعدت في حل الصعوبة. معادلات اليوم للديناميكا الحرارية هي حالات خاصة للمعادلات

في البداية ، تم تمثيل الجسم الأسود بالكامل كتجويف بفتحة ضيقة. يدخل الإشعاع من الخارج إلى مثل هذا التجويف ويمتصه الجدران. في هذه الحالة ، فإن طيف الإشعاع من مدخل الكهف ، وفتح البئر ، ونافذة الغرفة المظلمة في يوم مشمس ، وما إلى ذلك ، يشبه طيف الإشعاع الذي يجب أن يكون للجسم الأسود تمامًا. لكن الأهم من ذلك كله ، أن أطياف الكون والنجوم ، بما في ذلك الشمس ، تتطابق معها.

من الآمن أن نقول إنه كلما زاد عدد الجسيمات ذات الطاقات المختلفة في الجسم ، كلما كانت إشعاعاته أقوى مثل الجسم الأسود. يعكس منحنى توزيع الطاقة في طيف الجسم الأسود الأنماط الإحصائية في نظام هذه الجسيمات ، مع التصحيح الوحيد الذي تنقله الطاقة أثناء التفاعلات منفصلة.

الجسم الأسود المطلق هو كائن عقلي جسدي مثالي. ومن المثير للاهتمام أنه لا يجب أن يكون أسودًا على الإطلاق. هنا الأمر مختلف.

البيدو

نتذكر جميعًا (أو على الأقل يجب أن نتذكر) من دورة الفيزياء المدرسية أن مفهوم "البياض" يعني قدرة سطح الجسم على عكس الضوء. لذلك ، على سبيل المثال ، يمكن للأغطية الثلجية للغطاء الجليدي لكوكبنا أن تعكس ما يصل إلى 90٪ من ضوء الشمس الساقط عليها. هذا يعني أنها تتميز بارتفاع البياض. ليس من المستغرب أن يُجبر موظفو المحطات القطبية غالبًا على العمل مرتديًا النظارات الشمسية. بعد كل شيء ، فإن النظر إلى الثلج النقي يشبه النظر إلى الشمس بالعين المجردة. في هذا الصدد ، فإن قمر كوكب زحل إنسيلادوس ، الذي يتكون بالكامل تقريبًا من جليد الماء ، له انعكاس قياسي في النظام الشمسي بأكمله ، وله لون أبيض ويعكس تقريبًا كل الإشعاع الساقط على سطحه. من ناحية أخرى ، فإن مادة مثل السخام لها بياض أقل من 1 ٪. أي أنه يمتص حوالي 99٪ من الإشعاع الكهرومغناطيسي.

الجسم الأسود المطلق: الوصف

هنا نأتي إلى أهم شيء. من المؤكد أن القارئ قد خمّن أن الجسم الأسود المطلق هو جسم سطحه قادر تمامًا على امتصاص كل الإشعاع الساقط عليه. في الوقت نفسه ، هذا لا يعني على الإطلاق أن مثل هذا الكائن سيكون غير مرئي ولا يمكن ، من حيث المبدأ ، أن ينبعث منه ضوء. لا ، لا تخلط بينه وبين الثقب الأسود. قد يكون له لون وحتى يكون مرئيًا جدًا ، لكن إشعاع الجسم الأسود سيتم تحديده دائمًا من خلال درجة حرارته وليس الضوء المنعكس. بالمناسبة ، هذا لا يأخذ في الاعتبار فقط الطيف المرئي للعين البشرية ، ولكن أيضًا الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء وموجات الراديو والأشعة السينية وأشعة جاما وما إلى ذلك. كما ذكرنا سابقًا ، لا يوجد جسم أسود تمامًا في الطبيعة. ومع ذلك ، فإن خصائصه في نظامنا النجمي تتوافق تمامًا مع الشمس ، التي تنبعث ، لكنها لا تعكس الضوء تقريبًا (القادم من النجوم الأخرى).

المثالية المخبرية

تم إجراء محاولات لإخراج الأشياء التي لا تعكس الضوء على الإطلاق منذ نهاية القرن التاسع عشر. في الواقع ، أصبحت هذه المشكلة أحد المتطلبات الأساسية لظهور ميكانيكا الكم. بادئ ذي بدء ، من المهم أن نلاحظ أن أي فوتون (أو أي جسيم آخر من الإشعاع الكهرومغناطيسي) تمتصه ذرة يتم بثه وامتصاصه على الفور بواسطة ذرة مجاورة ، ويعاد انبعاثه. ستستمر هذه العملية حتى يتم الوصول إلى حالة تشبع التوازن في الجسم. ومع ذلك ، عندما يتم تسخين جسم أسود إلى مثل هذه الحالة من التوازن ، فإن شدة الضوء المنبعث منه تصبح مساوية لشدة الامتصاص.

في المجتمع العلمي للفيزيائيين ، تظهر المشكلة عند محاولة حساب الطاقة الإشعاعية التي يجب أن تكون ، والتي يتم تخزينها داخل الجسم الأسود في حالة توازن. وهنا تأتي اللحظة الرائعة. يعني توزيع الطاقة في طيف جسم أسود تمامًا في حالة توازن اللانهاية الحرفية للطاقة الإشعاعية بداخله. سميت هذه المشكلة بكارثة الأشعة فوق البنفسجية.

حل بلانك

أول من وجد حلاً مقبولاً لهذه المشكلة كان الفيزيائي الألماني ماكس بلانك. واقترح أن الذرات تمتص أي إشعاع ليس بشكل مستمر ، ولكن بشكل منفصل. هذا هو ، في أجزاء. في وقت لاحق ، سميت هذه الأجزاء بالفوتونات. علاوة على ذلك ، لا يمكن للذرات امتصاص الموجات الراديوية المغناطيسية إلا عند ترددات معينة. تمر ببساطة الترددات غير المناسبة ، مما يحل مسألة الطاقة اللانهائية للمعادلة الضرورية.

الأقسام