radiaţia termiCă. ipoteza Cuantelor 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. Cunoașteţi că lumina este de natură electro magnetică – undele de lumină sunt cele electromag netice care, nimerind în ochiul uman, produc sen zaţie vizuală. Sursele de lumină sunt corpurile care produc lumină, adică emit unde electromagnetice. Corpurile, la rândul lor, sunt 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.
În calitate de exemplu servește transmiterea căldurii prin radiaţie (acest fenomen l-ați studiat în clasa a VIII-a) de la Soare spre Pământ etc. Prin urmare, atomul, emiţând unde electro mag netice, le cedează energie, micșorându-și cu valoarea respectivă energia, conform legii conservării și transformării energiei. În stare stabilă, numită, de regulă, stare fundamen tală, energia atomului este minimă. Atomul poate să emită energie, dacă în prealabil a primit din exterior o cantitate de energie și a trecut din starea fundamen tală într-o stare cu energie mai mare. Astfel de stări ale atomului sunt numite stări excitate, iar procesul de trecere în ele – excitare a atomului. Atomul excitat nu este stabil. El emite unde electro magnetice care transportă surplusul de energie primit de atom la excitare și trece în stare cu energie mai mică.
Există mai multe modalităţi de excitare a atomilor, deci și tipuri de radiaţii. Radiaţia emisă de atomii excitaţi pe seama surse lor exterioare de energie (cu excepţia încălzirii) este numită radiaţie luminescentă.
Radiaţia emisă de corp pe seama energiei sale interne este numită radiaţie termică. Să analizăm fenomenul de emisie a radiaţiei termice pornind de la faptul că atomii (moleculele) corpului se află în mișcare termică continuă. Vitezele atomilor la temperatura dată au valori diferite: unii au viteze mai mari, alţii – mai mici. În urma interacţiunilor (ciocnirilor), atomii în mișcare primesc unii de la alţii energie suplimentară și trec în stare excitată. Astfel, excitarea atomilor se produce pe seama energiei interne a corpului. Trecerea atomilor excitaţi în stări cu energii mai mici este însoţită de emisia undelor electromagnetice cu diverse lungimi de undă. Ca rezultat, spectrul radiaţiei electromagnetice emise de corpurile încălzite este continuu. La ridicarea temperaturii mișcarea termică se inten sifică, atomii posedă energii cinetice mai mari. În consecinţă, cresc energiile atomilor excitaţi, iar emisia radiaţiei termice se amplifică. Concomitent, ridicarea tempe ra turii este însoţită de extinderea diapazonului de lungimi de undă ale radiaţiei emise. Dacă la tempe ratura camerei corpurile emit radiaţie infraroșie, invizibilă ochiului uman, la temperaturi de circa 500–600 oC ele emit și radiaţie de culoare roșie, iar la ridicarea ulterioară a acesteia își modifică culoarea de la roșie la oranj, apoi la galbenă și tot așa până la cea albă.
80
Corpurile nu numai emit, dar și absorb radiaţia incidentă pe ele, gradul de absorbţie fiind în funcţie de natura substanţei. Corpul care absoarbe absolut toată radiaţia inci dentă pe suprafaţa lui este numit corp absolut negru. Radiaţia termică se deosebește esenţial de cea luminescentă prin faptul că se poate afla în echilibru termic cu corpurile cu care interacţionează. Ne ima ginăm o cavitate în interiorul unui corp A înconjurat cu un înveliș adiabatic (fig. 5.1). El nu face schimb de energie cu mediul înconjurător. Admitem că
în interiorul cavităţii se află două corpuri, B și C, având temperaturi diferite, precum și de cea a corpului A. Toate acestea emit radiaţie termică în cavitate și absorb parţial radiaţia incidentă pe ele. Are loc un schimb continuu de energie: corpurile mai calde emit mai multă energie decât absorb, cele reci, invers, absorb mai mult decât emit. În consecinţă, primele corpuri se răcesc, iar cele lalte se încălzesc. Acest schimb de căldură prin radiaţie durează până la egalarea temperaturii corpurilor. Ele trec în stare de echilibru termic atât între ele, cât și cu radiaţia termică din interiorul cavităţii. Temperatura radiaţiei termice este egală cu cea a corpurilor. După stabilirea echilibrului termic, procesele de emisie și de absorbţie a radiaţiei continuă, fiecare porţiune de suprafaţă a corpului emite o cantitate de energie egală cu cea absorbită în același interval de timp. Situaţia este similară celei ce are loc la echilibrul termic dintre lichid și vaporii săi saturaţi – 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 și ale comportării ei la variaţia temperaturii. A devenit necesară și 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 având frecvenţele într-un interval unitar de frecvenţe care conţine valoarea ν. Această mărime este în funcţie de frecvenţă și de temperatură, iar cunoașterea explicită a expresiei respective permite să fie deduse legile experimentale. Experimental a fost obţinut graficul ce reprezintă densitatea spectrală a emitanţei corpului absolut negru în funcţie de frecvenţă (curba 1 din figura 5.2.). Existenţa maximului denotă faptul că corpul absolut negru aproape nu emite unde electromagnetice cu frecvenţe foarte mici și foarte mari. Majoritatea undelor emise au frecvenţele în vecinătatea frecvenţei νm, ce cores punde maximului densităţii spectrale rv. S-au depus eforturi pentru a deduce teoretic, în baza concepţiilor și legităţilor fizicii clasice, for mula
A efectuat primele cercetări în domeniul termodinamicii, a studiat diferite aplicaţii ale principiului al doilea, indicând semnificaţia acestui principiu pentru procesele ireversibile. Cel mai important rezultat al său (a. 1900) se referă la teoria radiaţiei termice de echilibru a corpului negru. A lansat ipoteza cuantelor, ceea ce ia permis să deducă expresia corectă pentru densitatea spectrală a emitanţei, iar în baza acesteia să deducă legile experimentale ale radiaţiei termice stabilite anterior. Pentru aceste lucrări în anul 1918 a fost distins cu Premiul Nobel. Adept fidel al teoriei relativităţii (termen propus de Planck), a dedus ecuaţiile dinamicii relativiste (a. 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 în 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.
MAx kArL ernst Ludwig PLAnck (1858–1947) fizician teoretician german
Fig. 5.1 Fig. 5.2
81
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 și 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.
1. Care stare a atomului este numită fundamentală? Dar care excitată? 2. Care este deosebirea dintre tipurile 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 acelaşi 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 Verificaţi-vă cunoştinţele
până la o temperatură înaltă (de circa 1 000oC), cana este introdusă întro ca meră întunecată. Care este aspectul ei pentru obser vatorul 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 temp
În calitate de exemplu servește transmiterea căldurii prin radiaţie (acest fenomen l-ați studiat în clasa a VIII-a) de la Soare spre Pământ etc. Prin urmare, atomul, emiţând unde electro mag netice, le cedează energie, micșorându-și cu valoarea respectivă energia, conform legii conservării și transformării energiei. În stare stabilă, numită, de regulă, stare fundamen tală, energia atomului este minimă. Atomul poate să emită energie, dacă în prealabil a primit din exterior o cantitate de energie și a trecut din starea fundamen tală într-o stare cu energie mai mare. Astfel de stări ale atomului sunt numite stări excitate, iar procesul de trecere în ele – excitare a atomului. Atomul excitat nu este stabil. El emite unde electro magnetice care transportă surplusul de energie primit de atom la excitare și trece în stare cu energie mai mică.
Există mai multe modalităţi de excitare a atomilor, deci și tipuri de radiaţii. Radiaţia emisă de atomii excitaţi pe seama surse lor exterioare de energie (cu excepţia încălzirii) este numită radiaţie luminescentă.
Radiaţia emisă de corp pe seama energiei sale interne este numită radiaţie termică. Să analizăm fenomenul de emisie a radiaţiei termice pornind de la faptul că atomii (moleculele) corpului se află în mișcare termică continuă. Vitezele atomilor la temperatura dată au valori diferite: unii au viteze mai mari, alţii – mai mici. În urma interacţiunilor (ciocnirilor), atomii în mișcare primesc unii de la alţii energie suplimentară și trec în stare excitată. Astfel, excitarea atomilor se produce pe seama energiei interne a corpului. Trecerea atomilor excitaţi în stări cu energii mai mici este însoţită de emisia undelor electromagnetice cu diverse lungimi de undă. Ca rezultat, spectrul radiaţiei electromagnetice emise de corpurile încălzite este continuu. La ridicarea temperaturii mișcarea termică se inten sifică, atomii posedă energii cinetice mai mari. În consecinţă, cresc energiile atomilor excitaţi, iar emisia radiaţiei termice se amplifică. Concomitent, ridicarea tempe ra turii este însoţită de extinderea diapazonului de lungimi de undă ale radiaţiei emise. Dacă la tempe ratura camerei corpurile emit radiaţie infraroșie, invizibilă ochiului uman, la temperaturi de circa 500–600 oC ele emit și radiaţie de culoare roșie, iar la ridicarea ulterioară a acesteia își modifică culoarea de la roșie la oranj, apoi la galbenă și tot așa până la cea albă.
80
Corpurile nu numai emit, dar și absorb radiaţia incidentă pe ele, gradul de absorbţie fiind în funcţie de natura substanţei. Corpul care absoarbe absolut toată radiaţia inci dentă pe suprafaţa lui este numit corp absolut negru. Radiaţia termică se deosebește esenţial de cea luminescentă prin faptul că se poate afla în echilibru termic cu corpurile cu care interacţionează. Ne ima ginăm o cavitate în interiorul unui corp A înconjurat cu un înveliș adiabatic (fig. 5.1). El nu face schimb de energie cu mediul înconjurător. Admitem că
în interiorul cavităţii se află două corpuri, B și C, având temperaturi diferite, precum și de cea a corpului A. Toate acestea emit radiaţie termică în cavitate și absorb parţial radiaţia incidentă pe ele. Are loc un schimb continuu de energie: corpurile mai calde emit mai multă energie decât absorb, cele reci, invers, absorb mai mult decât emit. În consecinţă, primele corpuri se răcesc, iar cele lalte se încălzesc. Acest schimb de căldură prin radiaţie durează până la egalarea temperaturii corpurilor. Ele trec în stare de echilibru termic atât între ele, cât și cu radiaţia termică din interiorul cavităţii. Temperatura radiaţiei termice este egală cu cea a corpurilor. După stabilirea echilibrului termic, procesele de emisie și de absorbţie a radiaţiei continuă, fiecare porţiune de suprafaţă a corpului emite o cantitate de energie egală cu cea absorbită în același interval de timp. Situaţia este similară celei ce are loc la echilibrul termic dintre lichid și vaporii săi saturaţi – 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 și ale comportării ei la variaţia temperaturii. A devenit necesară și 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 având frecvenţele într-un interval unitar de frecvenţe care conţine valoarea ν. Această mărime este în funcţie de frecvenţă și de temperatură, iar cunoașterea explicită a expresiei respective permite să fie deduse legile experimentale. Experimental a fost obţinut graficul ce reprezintă densitatea spectrală a emitanţei corpului absolut negru în funcţie de frecvenţă (curba 1 din figura 5.2.). Existenţa maximului denotă faptul că corpul absolut negru aproape nu emite unde electromagnetice cu frecvenţe foarte mici și foarte mari. Majoritatea undelor emise au frecvenţele în vecinătatea frecvenţei νm, ce cores punde maximului densităţii spectrale rv. S-au depus eforturi pentru a deduce teoretic, în baza concepţiilor și legităţilor fizicii clasice, for mula
A efectuat primele cercetări în domeniul termodinamicii, a studiat diferite aplicaţii ale principiului al doilea, indicând semnificaţia acestui principiu pentru procesele ireversibile. Cel mai important rezultat al său (a. 1900) se referă la teoria radiaţiei termice de echilibru a corpului negru. A lansat ipoteza cuantelor, ceea ce ia permis să deducă expresia corectă pentru densitatea spectrală a emitanţei, iar în baza acesteia să deducă legile experimentale ale radiaţiei termice stabilite anterior. Pentru aceste lucrări în anul 1918 a fost distins cu Premiul Nobel. Adept fidel al teoriei relativităţii (termen propus de Planck), a dedus ecuaţiile dinamicii relativiste (a. 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 în 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.
MAx kArL ernst Ludwig PLAnck (1858–1947) fizician teoretician german
Fig. 5.1 Fig. 5.2
81
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 și 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.
1. Care stare a atomului este numită fundamentală? Dar care excitată? 2. Care este deosebirea dintre tipurile 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 acelaşi 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 Verificaţi-vă cunoştinţele
până la o temperatură înaltă (de circa 1 000oC), cana este introdusă întro ca meră întunecată. Care este aspectul ei pentru obser vatorul 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 temp
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu