Ultrafialová katastrofa: 5 zajímavých faktů, které byste měli vědět

by

Obsah: Ultrafialová katastrofa

Co je to ultrafialová katastrofa?

Ultrafialová katastrofa, také známý jako Rayleigh-Jeansova katastrofa odkazuje na odchylku od statistické derivace Rayleigh-Jeans zákon na krátkých vlnových délkách. Podle Rayleigh-Jeansova zákona by černé těleso při teplotní rovnováze vyzařovalo ve všech frekvenčních rozsazích a emitovalo by více energie při snižování vlnové délky. Jinými slovy, uvádí, že s rostoucí frekvencí začne černé tělo vyzařovat libovolně velké množství energie. Tento vzorec však není fyzicky vidět. Chyba mezi předpokládaným množstvím energetického záření a získaným množstvím energetického záření je mnohem výraznější při kratších vlnových délkách. Proto se tomu říká ultrafialová katastrofa.

Co je ultrafialové světlo?

Ultrafialové světlo je elektromagnetické záření s frekvencín mezi 8 × 1014 a 3 × 1016 Rozsah Hz a vlnová délka mezi 0.4 x 10-6 - 10-8 metr, takže ultrafialové světlo nedopadá do viditelné oblasti lidského zraku. V těchto vlnových délkách je výrazná ultrafialová katastrofa. Ultrafialové paprsky jsou široce využívány při ničení makrobakterií, sterilizaci lékařského vybavení, i když nadměrné vystavení ultrafialovým paprskům nemusí být pro lidské bytosti dobré a může způsobit různé kožní infekce. Ultrafialové (UV) senzory nebo detektory se používají pro snímání UV záření emitovaného během doby zážehu. UV senzory plamene jsou schopny detekovat požáry a výbuchy v časovém rámci 3–4 milisekund.

Co je to černé tělo?

V roce 1860 dal Gustav Kirchhoff první představu o černém těle. Uvedl to

..předpokládá se, že si lze představit těla, která pro nekonečně malé tloušťky úplně absorbují všechny dopadající paprsky a žádné neodrážejí ani nepřenášejí. Zavolám takové orgány dokonale černá, nebo, stručněji, černá těla

"O vztahu mezi vyzařovací a absorpční silou různých těles pro světlo a teplo"

Černé těleso je materiál, který je schopen absorbovat a emitovat světlo každé vlnové délky nebo frekvence, tj. (E = a = 1). V přírodě nelze najít 100% černé tělo. Materiál známý jako saze je nejblíže skutečnému černému tělu na Zemi. Slunce je jedním z hlavních černých těles ve vesmíru a vyzařuje světlo všech vlnových délek. Když je černé těleso v tepelné rovnováze, vyzařuje záření černého tělesa. Radiace černého tělesa označuje záření vyzařované černým tělesem v každé možné vlnové délce světla. To je také známé jako dutinové záření.

Prohlášení zákona Rayleigh-jeans

Tbritský fyzik Lord Rayleigh a sir James Jeans změřil spektrální emise černého tělesa na základech klasické fyziky a několika empirických faktorů, které lze konstatovat jako.

„Černé tělo v tepelná rovnováha bude vyzařovat záření ve všech frekv. rozsahy a jako frekv. zvýšení energie emise záření zvýšení“.

~ Lord Rayleigh a Sir James Jeans

Matematická rovnice Rayleigh-jeansova zákona je

4
Zde, u(u) je hustota zářivé energie, u je frekvence, T je teplota v kelvinech, c je rychlost světla, K je Boltzmannova konstanta. (ultrafialový katatrof)

Podle výše uvedeného výrazu je hustota zářivé energie přímo úměrná frekvenci, tj. S nárůstem frekvence by zářivá energie měla také narůstat s odchylkou k nekonečnu, protože vlnová délka má sklon k nule. Tento zákon prokázal hlavní chybu v klasické teorii fyziky.

Problém se zákonem Rayleigh-Jeans

Všechny režimy harmonického oscilátoru nebo stupně volnosti systému černého tělesa v rovnováze by měly mít průměrnou energii rovnou KT, jak je uvedeno v věta o zařízení klasické statistické mechaniky. Podle zákona Rayleigh-Jeans se zářivá energie rozbíhá směrem k nekonečnu, protože vlnová délka má sklon k nule. To znamená, že vyzařovaný výkon je v určitém vysokofrekvenčním rozsahu neomezený. To jasně porušuje zákony fyziky, které uvádějí, že objekt nikdy nemůže vlastnit nekonečné množství energie nebo energie, jak dokazuje Albert Einstein.

Navíc při fyzickém měření byly získané energetické hodnoty mnohem odlišné od předpovězených hodnot. Chyba mezi předpokládaným množstvím energetického záření a získaným množstvím energetického záření je mnohem výraznější při kratších vlnových délkách vedoucích k ultrafialové katastrofě.

ULTRAVIOLETOVÁ CATASTROPHE
Černá křivka označuje hodnoty předpovídané zákonem Rayleigh-Jeans, zde modrá, zelená a červená křivka označuje hodnoty měřené Planckovým zákonem při různých vlnových délkách. Zdroj obrázku: Darth Kule, Černé tělo, označeno jako public domain, více podrobností o Wikimedia Commons (ultrafialová katastrofa.

To byla obrovská nevýhoda Rayleigh-Jeansova zákona. Tuto otázku ultrafialové katastrofy později vyřešili Max Planck a Albert Einstein vytvořením Planckova zákona a Einsteinovy ​​rovnice.

Prohlášení Planckova zákona

V 1900. letech XNUMX. století Max Planck intenzivně pracoval na elektromagnetickém záření a formuloval jeden z nejdůležitějších a kontroverzních zákonů století. Podle něj energie záření vycházela z drobných samostatných paketů zvaných kvantá, které jsou úměrné frekvenci záření. Jeho prohlášení bylo:

Energie elektromagnetického záření je omezena na nedělitelné pakety (známé jako „quanta“), jeden z každého paketu má energie stejné jako produkt Planckovy konstanty a frekvence záření.

~ Max Planck

Matematická rovnice Planckova zákona funkce spektrálního rozdělení intenzity je

6
h je Planckova konstanta, u je frekvence, c je rychlost světla, λ je vlnová délka.

To vedlo k formulaci správné formy funkcí spektrálního rozložení (jak je uvedeno níže), které odhadují populární vědec Einstein (v roce 1905) a Satyendra Nath Bose (v roce 1924). Tento distribuční faktor zcela nezávisí úměrně s frekvencí. Inverzní proporcionalita s exponenciálním faktorem přispívá k omezení energetických hodnot získaných při kratších vlnových délkách nebo delších frekvencích. Tato rovnice mohla skutečně předpovědět experimentálně získané hodnoty radiační energie při dané vlnové délce eliminující ultrafialovou katastrofu.

5
Zde, u(u) je hustota zářivé energie, u je frekvence, T je teplota v kelvinech, c je rychlost světla, K je Boltzmannova konstanta, h je Planckova konstanta.

Planckův zákon také vedl k formulaci teorie za fotoelektrickým efektem Einsteinem. Elektron přítomný ve stavu s nižší energií má tendenci absorbovat vnější energii ve formě světla (fotony), aby dosáhl stavu s vyšší energií, a nastane pouze tehdy, když je energie přítomná ve fotonu stejná jako rozdíly v energiích mezi dvěma úrovněmi .

Chcete-li vědět více o světle naleznete zde

Také čtení:

     

Zanechat komentář