32. Światło a fizyka kwantowa

32.1 Promieniowanie termiczne

  Z codziennego doświadczenia wiemy, że rozgrzane do wysokiej temperatury ciała są źródłami światła widzialnego. Typowym przykładem są wolframowe włókna żarówek.

Promieniowanie wysyłane przez ogrzane ciała nazywamy promieniowaniem termicznym . Wszystkie ciała emitują takie promieniowanie do otoczenia, a także z tego otoczenia je absorbują w każdej temperaturze wyższej od zera bezwzględnego. Jeżeli ciało ma wyższą temperaturę od otoczenia to będzie się oziębiać ponieważ szybkość promieniowania przewyższa szybkość absorpcji (oba procesy zawsze występują jednocześnie). Gdy osiągnięta zostanie równowaga termodynamiczna wtedy te szybkości będą równe.

Za pomocą siatki dyfrakcyjnej możemy zbadać światło emitowane przez te źródła tzn. dowiedzieć się jakie są długości fal wypromieniowywanych przez ciało i jakie jest ich natężenie Wyniki takiej analizy dla taśmy wolframowej ogrzanej do T = 2000 K. sa pokazane na rysunku 32.1.

 Rys. 32.1. Zdolność emisyjna wolframu i ciała doskonale czarnego

Wielkość Rλ przedstawiona na osi pionowej nazywana jest widmową zdolnością emisyjną promieniowania i jest tak zdefiniowana, że wielkość Rλd λ oznacza moc promieniowania czyli szybkość, z jaką jednostkowy obszar powierzchni wypromieniowuje energię odpowiadającą długościom fal zawartym w przedziale od λ, do λ+d λ.

Całkowitą energię wysyłanego promieniowania w całym zakresie długości fal możemy obliczyć sumując emisję dla wszystkich długości fal tzn. całkując R λ po wszystkich długościach fal. Wielkość ta nazywana jest całkowitą emisją energetyczną promieniowania R i wyraża się wzorem

(32.1)

Oznacza to, że możemy interpretować emisję energetyczną promieniowania R jako powierzchnię pod wykresem Rλ od λ.

Widmo emitowane przez ciało stałe ma charakter ciągły i silnie zależy od temperatury. Ponadto szczegóły tego widma są prawie niezależne od rodzaju substancji.

Zauważmy, że w "zwykłych" temperaturach większość ciał jest dla nas widoczna dlatego, że odbijają one (lub rozpraszają) światło, które na nie pada, a nie dlatego, że ciała te wysyłają promieniowanie widzialne (świecą). Jeżeli nie pada na nie światło (np. w nocy) to są one niewidoczne. Dopiero gdy ciała mają wysoką temperaturę wtedy świecą własnym światłem. Ale jak widać z rysunku 32.1 i tak większość emitowanego promieniowania jest niewidzialna bo przypada na zakres podczerwieni czyli promieniowania cieplnego. Dlatego ciała, świecące własnym światłem są bardzo gorące. Jeżeli będziemy rozgrzewać kawałek metalu to początkowo chociaż jest on gorący to z jego wyglądu nie można tego stwierdzić bo nie świeci; można to tylko zrobić dotykiem. Emituje promieniowanie podczerwone. Ze wzrostem temperatury kawałek metalu staje się początkowo ciemno-czerwony, następnie jasno-czerwony, aż wreszcie świeci światłem niebiesko-białym.

Ponieważ ilościowe interpretacje takich widm promieniowania są trudne to posługujemy się wyidealizowanym ciałem stałym, zwanym ciałem doskonale
czarnym
. (Tak postępowaliśmy już w przypadku gazów gdy rozważaliśmy modelowy obiekt tzw. gaz doskonały.) Ciało doskonale czarne charakteryzuje się tym, że pochłania całkowicie padające nań promieniowanie.