RADIAŢIA TERMICĂ. IPOTEZA CUANTELOR

19:16 0 Comments

Să precizăm două noţiuni esenţiale. Prin radiaţie electromagnetică sau simplu radiaţie se subînţelege totalitatea undelor electromagnetice provenite de la anumite corpuri, iar prin emisie - fenomenul de „producere” a radiaţiei.
Cunoaşteţi că lumina este de natură electromagnetică - undele de lumină sînt cele electromagnetice care, nimerind în ochiul uman, produc senzaţie vizuală.
Sursele de lumină sînt corpurile care produc lumină, adică emit unde electromagnetice. Corpurile, la rîndul lor, sînt formate din atomi, deci ei de fapt emit aceste unde. Evidenţiind trăsăturile generale ale fenomenului de emisie, se va ţine seama de faptul că undele electromagnetice transportă energie. Drept exemplu serveşte transmiterea căldurii prin radiaţie (studiată în clasa a VIIl-a) de la Soare spre Pămînt etc. Prin urmare atomul, emiţînd unde electromagnetice, le cedează energie, micşorîndu-şi cu valoarea respectivă energia, conform legii conservării şi transformării energiei.
în stare stabilă, numită, de regulă, stare fundamentală, energia atomului este minimă. Atomul poate să emită energie dacă preventiv a primit din exterior o cantitate de energie şi a trecut din starea fundamentală într-o stare cu energie mai mare. Astfel de stări ale atomului sînt numite stări excitate, iar procesul de trecere în ele - excitare a atomului. Atomul excitat nu este stabil. El emite unde electromagnetice care transportă surplusul de energie primit de atom la excitare şi trece în stare cu energie mai mică.
79
Corpurile nu numai emit, dar şi absorb radiaţia incidenţă pe ele, gradul de absorbţie fiind în funcţie de natura substanţei.
I Corpul care absoarbe absolut toată radiaţia incidenţă pe suprafaţa lui este numit corp negru.
Radiaţia termică se deosebeşte esenţial de cea luminescentă prin faptul că se poate afla în echilibru termic cu corpurile cu care interacţionează. Ne imaginăm o cavitate în interiorul unui corp A înconjurat cu un înveliş adiabatic (fig. 5.1). El nu face schimb de energie cu mediul înconjurător. Fie că în interiorul
Fig. 5.7
A efectuat primele cercetări în domeniul termodinamicii, a studiat diferite aplicaţii ale principiului al doilea, ale noţiunii de entropie, indicînd semnificaţia acestui principiu pentru procesele ireversibile. Cel mai important rezultat al său '900) se referă la teoria radiaţiei termice de echilibru a corpului negru. A lansat ipoteza cuantelor, ceea ce i-a permis să deducă expresia corectă pentru densitatea soectrală a emitanţei, iar în baza acesteia să deducă legile experimentale ale radiaţiei termice stabilite anterior. Pentru aceste lucrări în 1918 a fost distins cu Premiul Nobel. Adept fidel al teoriei relativităţii (termen propus de Planck), a dedus ecuaţiile dinamicii relativiste (1906), a obţinut expresia relativistă pentru energia şi impulsul electronului. A efectuat cercetări în domeniul termodinamicii statistice relativiste, a introdus în circuitul ştiinţific două constante universale: constanta h numită ulterior constanta lui Planck şi constanta lui Boltzmann {k). Este autor de cărţi publicate ia domeniul istoriei şi metodologiei fizicii şi al filosofiei. Max Planck este considerat unul dintre fondatorii fizicii moderne, Lucrările sale au fost înalt apreciate de Albert Einstein.
cavităţii se află două corpuri, B şi C, avînd temperaturi diferite, precum şi de cea a corpului A. Toate acestea emit radiaţie termică în cavitate şi absorb parţial radiaţia incidenţă pe ele. Are loc un schimb continuu de energie: corpurile mai calde emit mai multă energie decît absorb, cele reci, invers, absorb mai mult decît emit. în consecinţă primele corpuri se răcesc, iar celelalte se încălzesc. Acest schimb de căldură prin radiaţie durează pînă la egalarea temperaturii corpurilor. Ele trec în stare de echilibru termic atît între ele, cît şi cu radiaţia termică din interiorul cavităţii. Temperatura radiaţiei termice este egală cu cea a corpurilor.
După stabilirea echilibrului termic, procesele de emisie şi de absorbţie a radiaţiei continuă, fiecare porţiune de suprafaţă a corpului emite o cantitate de energie egală cu cea absorbită în acelaşi interval de timp. Situaţia este similară celei ce are loc la echilibrul termic dintre lichid şi vaporii săi saturanţi - numărul de molecule ce trec din starea lichidă a substanţei în cea gazoasă este egal cu numărul de molecule ce trec în sens invers. în condiţia de echilibru termic, corpul care emite multă energie de asemenea absoarbe mai multă energie. Această concluzie, formulată strict în termeni respectivi, este cunoscută ca legea lui Kirchhoff pentru radiaţia termică.
în urma numeroaselor experimente, în anul 1893 au fost formulate legile principale ale radiaţiei termice de echilibru şi ale comportării ei la variaţia temperaturii. A devenit necesară şi explicarea teoretică a acestora. S-a constatat că mărimea fizică ce descrie detaliat radiaţia termică de echilibru este densitatea spectrală a emitanţei rv. Ea este numeric egală cu energia radiaţiei emise de o suprafaţă de arie unitară a corpului într-o unitate de timp avînd frecvenţele într-un interval unitar de frecvenţe care conţine valoarea v. Această mărime este în funcţie de frecvenţă şi de temperatură, iar cunoaşterea explicită a expresiei respective permite să fie deduse legile experimentale.
Experimental a fost obţinut graficul ce reprezintă densitatea spectrală a emitanţei corpului negru în funcţie de frecvenţă (curba 1 din figura 5.2.). Existenţa maximului denotă faptul că corpul negru aproape nu emite unde electromagnetice cu frecvenţe foarte mici şi foarte mari. Majoritatea undelor emise au frecvenţele în vecinătatea frecvenţei v„„ ce corespunde maximului densităţii spectrale rv.
S-au depus eforturi pentru a deduce teoretic, în baza concepţiilor şi legităţilor fizicii clasice, formula
80
explicită pentru rv, care ar corespunde curbei experimentale 1 din figura 5.2. Formula obţinută este reprezentată grafic prin curba 2 (linia întreruptă). Aceasta este conformă curbei experimentale doar la frecvenţe mici ale radiaţiei termice.
Formula ce descrie corect densitatea spectrală a emitanţei corpului negru în funcţie de frecvenţă şi de temperatură a fost obţinută de către Planck. Acesta a lansat o ipoteză neordinară, numită ulterior ipoteza cuantelor:
Corpurile emit şi absorb energia radiaţiei nu în mod continuu, adică în orice cantităţi, ci în mod discret, în cantităţi multiple unei energii minime.
Această cantitate minimă, porţiune, de energie a fost numită cuantă de energie (lat. quantum „cantitate”). Planck a stabilit că valoarea cuantei de energie e este direct proporţională cu frecvenţa radiaţiei v, anume:
s = hv. (5.1)
Aici h = 6,625 • 10 34 J • s este o constantă universală, numită ulterior constanta lui Planck.
Planck a comunicat rezultatele obţinute la şedinţa Societăţii Fizicienilor Germani ce a avut loc la Berlin, la 14 decembrie 1900. Această dată este considerată „zi de naştere” a fizicii cuantice, care a determinat dezvoltarea fizicii şi a aplicaţiilor ei pe parcursul întregului secol al XX-lea.
Verificaţi-vă cunoştinţele
1. Care starea atomului este numită fundamentală? Dar care excitată?
2. Care este deosebirea dintre felurile de excitare a atomilor în cazurile luminescenţei şi radiaţiei termice?
3. în ce constă echilibrul dinamic dintre radiaţia termică de echilibru şi corpurile cu care interacţionează?
4. Care corp, la temperatura dată, emite mai multă energie în aceiaşi interval de timp: cel negru sau cel alb?
5. în camera iluminată vedem o cană de faianţă de culoare albă, ornată cu un trandafir negru. încălzită
pînă la o temperatură înaltă (de circa 1 000°C), cana este introdusă într-o cameră întunecată. Care este aspectul ei pentru observatorul din această cameră?
6. Care este caracterul variaţiei energiei atomului din punctul de vedere al ipotezei cuantelor lui Planck?
7. Determinaţi energia cuantei ce corespunde luminii cu lungimea de undă de 693 nm.
8. * Stabiliţi frecvenţa ce corespunde cuantei a cărei energie
este egală cu energia cinetică medie a atomului de heliu la temperatura de 527°C.