Інтенсивність випромінювання чорного тіла. Еталонні джерела – моделі АЧТ
33. Теплове випромінювання. Спектри випромінювання абсолютно чорного тіла за різних температур. Закони теплового випромінювання (Кірхгофа, Вина та Больцмана). Формула Планка.
ТЕПЛОВЕ ВИМИКАННЯ ТІЛ
Випромінювання електромагнітних хвиль речовиною відбувається завдяки внутрішньоатомним і внутрішньомолекулярним процесам Джерела енергії і, отже, вид світіння можуть бути різними: екран телевізора, лампа денного світла, лампа розжарювання, дерево, що гниє, світлячок і т.д. З усього різноманіття електромагнітних випромінювань, видимих чи видимих людським оком, можна назвати одне, властиве всім тілам Це випромінювання нагрітих тіл, чи теплове випромінювання. Воно виникає за будь-яких температурах вище ОК, тому випускається всіма тілами. Залежно від температури тіла змінюються інтенсивність випромінювання та спектральний склад, тому далеко не завжди теплове випромінювання сприймається оком як свічення.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ. ЧОРНЕ ТІЛО
Середню потужність випромінювання за час, значно більший за період світлових коливань, приймають за потік випромінювання Ф. У системі СІ він виявляється у ватах (Вт).
Потік випромінювання, що випускається 1 м 2 поверхні, називають енергетичною світністю R e . Вона виявляється у ватах на квадратний метр (Вт/м2).
Нагріте тіло випромінює електромагнітні хвилі різної довжини хвилі. Виділимо невеликий інтервал довжин хвиль від גּ до גּ + dגּ. Енергетична світність, що відповідає цьому інтервалу, пропорційна ширині інтервалу:
де г - спектральна щільність енергетичної світності
тіла, що дорівнює відношенню енергетичної світності вузької ділянки спектра до ширини цієї ділянки, Вт/м 3 .
Залежність спектральної густини енергетичної світності від довжини хвилі називають спектром випромінювання тіла.
Проінтегрувавши, отримаємо вираз для енергетичної світності тіла:
Здатність тіла поглинати енергію випромінювання характеризують коефіцієнтом поглинання, рівним відношенню потоку випромінювання, поглиненого даним тілом, до потоку випромінювання, що впав на нього: а = Ф погл /Ф пад
Так як коефіцієнт поглинання залежить від довжини хвилі, то (27.3) записують для потоків монохроматичного випромінювання, і тоді це відношення визначає монохроматично коефіцієнт поглинання: а גּ = Ф погл(גּ)/ Ф пад(גּ) .
Слід, що коефіцієнти поглинання можуть набувати значення від 0 до 1. Особливо добре поглинають випромінювання тіла чорного кольору: чорний папір, тканини, оксамит, сажа, платинова чернь і т.п.; погано поглинають тіла з білою поверхнею та дзеркала.
Тіло, коефіцієнт поглинання якого дорівнює одиниці всім частот, називають чорним. Воно поглинає все, що падає на нього випромінювання. Чорних тіл у природі немає, це поняття – фізична абстракція. Моделью чорного тіла є маленький отвір у замкненій непрозорій порожнині. Промінь, що потрапив у цей отвір, багаторазово відбившись від стінок, майже повністю буде поглинений. Надалі саме цю модель прийматимемо за чорне тіло. Тіло, коефіцієнт поглинання якого менше одиниці і не залежить від довжини хвилі світла, що падає на нього, називають сірим.
Сірих тіл у природі немає, проте деякі тіла у певному інтервалі довжин хвиль випромінюють та поглинають як сірі. Так, наприклад, тіло людини іноді вважають сірим, що має коефіцієнт поглинання приблизно 0,9 для інфрачервоної області спектра.
ЗАКОН КІРХГОФУ
Між спектральною щільністю енергетичної світності та монохроматичним коефіцієнтом поглинання тіл існує певний зв'язок, який можна пояснити на наступному прикладі.
У замкнутій адіабатній оболонці знаходяться два різних тіла в умовах термодинамічної рівноваги, при цьому їхня температура однакові. Оскільки стан тіл не змінюється, кожне їх випромінює і поглинає однакову енергію. Спектр випромінювання кожного тіла повинен співпадати зі спектром електромагнітних хвиль, що поглинаються ним, інакше порушилася б термодинамічна рівновага. Це означає, що якщо одне з тіл випромінює будь-які хвилі, наприклад червоні, більше, ніж інше, воно повинно більше їх і поглинати.
Кількісний зв'язок між випромінюванням і поглинанням було встановлено Г.Кирхгофом в 1859 р.: за однакової температури відношення спектральної щільності енергетичної світності до монохроматичного коефіцієнта поглинання однаково будь-яких тіл, зокрема й у чорних (закон Кирхгофа).
Користуючись законом Кірхгофа та знаючи з експерименту спектр чорного тіла та залежність монохроматичного коефіцієнта поглинання тіла від довжини хвилі, можна знайти спектр випромінювання тіла r גּ = f(גּ).
ЗАКОНИ ВИПРОМІНЮВАННЯ ЧОРНОГО ТІЛА
Випромінювання чорного тіла має суцільний спектр. Графіки спектрів випромінювання щодо різних температур наведено на рис. Існує максимум спектральної щільності енергетичної світності, яка з підвищенням температури зміщується у бік коротких хвиль.
У класичній фізиці випромінювання та поглинання випромінювання тілом розглядалися як безперервний процес. Планк дійшов V висновку, що саме ці основні положення не дозволяють отримати правильну залежність. Він висловив гіпотезу, з якої випливало, що чорне тіло випромінює та поглинає енергію не безперервно, а певними дискретними порціями – квантами.
Закон Стефана-Бол'цмана: енергетична світність чорного тіла пропорційна четвертому ступеню його термодинамічної температури. Величину називають постійною Стефана - Бол'цмана. Закон Стефана-Больцмана можна якісно проілюструвати на різних тілах (піч, електроплита, металева болванка і т.д.): у міру їхнього нагрівання відчувається все більш інтенсивне випромінювання.
Звідси знаходимо закон усунення Вина: גּ m ах =b/Т, де גּ m ах - Довжина хвилі, на яку припадає максимум спектральної щільності енергетичної світності чорного тіла; Ь = = 0, 28978 * 10 -2 м-К - стала Вина. Цей закон виконується і для сірих тіл.
Прояв закону Вина відомий із звичайних спостережень. При кімнатній температурі теплове випромінювання тіл переважно посідає інфрачервону область і людським оком не сприймається. Якщо температура підвищується, то тіла починають світитися темно-червоним світлом, а за дуже високої температури - білим з блакитним відтінком, зростає відчуття нагрітості тіла.
Закони Стефана – Больцмана та Вина дозволяють, вимірюючи випромінювання тіл, визначати їх температури (оптична пірометрія).
Абсолютно чорне тіло
Абсолютно чорне тіло- фізична ідеалізація, що застосовується в термодинаміці, тіло, що поглинає електромагнітне випромінювання, що все падає на нього, у всіх діапазонах і нічого не відображає. Незважаючи на назву, абсолютно чорне тіло може випускати електромагнітне випромінювання будь-якої частоти і візуально мати колір. Спектр випромінювання абсолютно чорного тіла визначається лише його температурою.
Важливість абсолютно чорного тіла в питанні про спектр теплового випромінювання будь-яких (сірих і кольорових) тіл взагалі, крім того, що воно є найпростішим нетривіальним випадком, полягає ще й у тому, що питання про спектр рівноважного теплового випромінювання тіл будь-якого кольору та коефіцієнта відображення зводиться методами класичної термодинаміки до питання про випромінювання абсолютно чорного (і історично це вже було зроблено до кінця XIX століття, коли проблема випромінювання абсолютно чорного тіла вийшла на перший план).
Найбільш чорні реальні речовини, наприклад, сажа, поглинають до 99% падаючого випромінювання (тобто мають альбедо, що дорівнює 0,01) у видимому діапазоні довжин хвиль, проте інфрачервоне випромінювання поглинається ними значно гірше. Серед тіл Сонячної системи властивостями абсолютно чорного тіла найбільше має Сонце.
Термін був запроваджений Густавом Кірхгофом у 1862 році.
Практична модель
Модель абсолютно чорного тіла
Абсолютно чорних тіл у природі немає (крім чорних дір), у фізиці для експериментів використовується модель. Вона є замкнутою порожниною з невеликим отвором. Світло, що потрапляє всередину крізь цей отвір, після багаторазових відображень буде повністю поглинене, і отвір зовні виглядатиме зовсім чорним. Але при нагріванні цієї порожнини в неї з'явиться видиме випромінювання. Оскільки випромінювання, випущене внутрішніми стінками порожнини, перш, ніж вийде (адже отвір дуже мало), у переважній частці випадків зазнає величезна кількість нових поглинань та випромінювань, то можна з упевненістю сказати, що випромінювання всередині порожнини знаходиться в термодинамічній рівновазі зі стінками. (Насправді, отвір для цієї моделі взагалі не важливо, воно потрібно тільки щоб підкреслити принципову спостережливість випромінювання, що знаходиться всередині; отвір можна, наприклад, зовсім закрити, і швидко відкрити тільки тоді, коли рівновага вже встановилася і проводиться вимір).
Закони випромінювання абсолютно чорного тіла
Класичний підхід
Спочатку до вирішення проблеми були застосовані суто класичні методи, які дали низку важливих і вірних результатів, проте повністю вирішити проблему не дозволили, привівши зрештою не лише до різкого розходження з експериментом, але й до внутрішньої суперечності – так званої ультрафіолетовій катастрофі.
Вивчення законів випромінювання абсолютно чорного тіла стало однією з передумов появи квантової механіки.
Перший закон випромінювання Вина
У 1893 році Вільгельм Він, скориставшись, окрім класичної термодинаміки, електромагнітною теорією світла, вивів таку формулу:
де uν - щільність енергії випромінювання,
ν - частота випромінювання,
T- температура випромінюючого тіла,
f- функція, яка залежить тільки від частоти та температури. Вигляд цієї функції неможливо встановити, виходячи лише з термодинамічних міркувань.
Перша формула Вина справедлива всім частот. Будь-яка конкретніша формула (наприклад, закон Планка) має задовольняти першу формулу Вина.
З першої формули Вина можна вивести закон усунення Вина (закон максимуму) і закон Стефана - Больцмана, але не можна знайти значення постійних, що входять до цих законів.
Історично саме перший закон Вина називався законом усунення, але нині терміном «закон усунення Вина» називають закон максимуму.
Другий закон випромінювання Вина
У 1896 році Він на основі додаткових припущень вивів другий закон:
де C 1 , C 2 – константи. Досвід показує, що друга формула Вина справедлива лише межі високих частот (малих довжин хвиль). Вона є окремим конкретним випадком першого закону Вина.
Пізніше Макс Планк показав, що другий закон Вина випливає із закону Планка для великих енергій квантів, а також знайшов постійні C 1 і C 2 . З огляду на це, другий закон Вина можна записати у вигляді:
де h- Постійна Планка,
k- Постійна Больцмана,
c- Швидкість світла у вакуумі.
Закон Релея - Джинса
Спроба описати випромінювання абсолютно чорного тіла виходячи з класичних принципів термодинаміки та електродинаміки призводить до закону Релея – Джинса:
Ця формула передбачає квадратичне зростання спектральної густини випромінювання залежно з його частоти. На практиці такий закон означав би неможливість термодинамічної рівноваги між речовиною та випромінюванням, оскільки згідно з нею вся теплова енергія мала б перейти в енергію випромінювання короткохвильової області спектру. Таке гіпотетичне явище було названо ультрафіолетовою катастрофою.
Проте закон випромінювання Релея - Джинса справедливий для довгохвильової області спектра і адекватно описує характер випромінювання. Пояснити факт такої відповідності можна лише при використанні квантово-механічного підходу, згідно з яким випромінювання відбувається дискретно. Виходячи з квантових законів можна отримати формулу Планка, яка співпадатиме з формулою Релея - Джинса при .
Цей факт є чудовою ілюстрацією дії принципу відповідності, згідно з яким нова фізична теорія повинна пояснювати все те, що могла пояснити стара.
Закон Планка
Залежність потужності випромінювання чорного тіла від довжини хвилі.
Інтенсивність випромінювання абсолютно чорного тіла в залежності від температури та частоти визначається законом Планка:
де -потужність випромінювання на одиницю площі випромінюючої поверхні в одиничному інтервалі частот у перпендикулярному напрямку на одиницю тілесного кута (розмірність у СІ: Дж · с -1 · м -2 · Гц -1 · ср -1).
Еквівалентно,
де - Потужність випромінювання на одиницю площі випромінюючої поверхні в одиничному інтервалі довжин хвиль в перпендикулярному напрямку на одиницю тілесного кута (розмірність в СІ: Дж · с -1 · м -2 · м -1 · ср -1).
Повна (тобто випускається у всіх напрямках) спектральна потужність випромінювання з одиниці поверхні абсолютно чорного тіла описується тими самими формулами з точністю до коефіцієнта π: ε(ν, T) = π I(ν, T), ε(λ, T) = π u(λ, T).
Закон Стефана – Больцмана
Загальна енергія теплового випромінювання визначається законом Стефана - Больцмана, який говорить:
Потужність випромінювання абсолютно чорного тіла (інтегральна потужність по всьому спектру), що припадає на одиницю площі поверхні, прямо пропорційна четвертому ступеню температури тіла:
де - потужність на одиницю площі випромінюючої поверхні, а
Вт/(м²·К 4) - постійна Стефана – Больцмана.
Таким чином, абсолютно чорне тіло при = 100 K випромінює 5,67 Вт з квадратного метра своєї поверхні. При температурі 1000 К потужність випромінювання збільшується до 56,7 кіловат із квадратного метра.
Для нечорних тіл можна приблизно записати:
де - ступінь чорноти (для всіх речовин, абсолютно чорного тіла).
Константу Стефана - Больцмана можна теоретично обчислити лише з квантових міркувань, скориставшись формулою Планка. У той же час загальний вигляд формули може бути отриманий з класичних міркувань (що не знімає проблеми ультрафіолетової катастрофи).
Закон усунення Вина
Довжина хвилі, коли енергія випромінювання абсолютно чорного тіла максимальна, визначається законом усунення Вина:
де - температура в кельвінах, а - довжина хвилі з максимальною інтенсивністю в метрах.
Так, якщо вважати в першому наближенні, що шкіра людини близька за властивостями до абсолютно чорного тіла, максимум спектру випромінювання при температурі 36 °C (309 К) лежить на довжині хвилі 9400 нм (в інфрачервоній області спектру).
Видимий колір абсолютно чорних тіл із різною температурою представлений на діаграмі.
Чорнотельне випромінювання
Електромагнітне випромінювання, що знаходиться в термодинамічній рівновазі з абсолютно чорним тілом при даній температурі (наприклад, випромінювання всередині порожнини абсолютно чорному тілі), називається чорнотільним (або тепловим рівноважним) випромінюванням. Рівноважне теплове випромінювання однорідне, ізотропно і неполяризоване, перенесення енергії у ньому відсутня, всі його характеристики залежать тільки від температури абсолютно чорного тіла-випромінювача (і оскільки чорнотильне випромінювання знаходиться в тепловій рівновазі з цим тілом, ця температура може бути приписана випромінюванню). Об'ємна щільність енергії чорнотільного випромінювання дорівнює його тиску 
Дуже близько за своїми властивостями до чорнотільного так зване реліктове випромінювання, або космічний мікрохвильовий фон - заповнює Всесвіт випромінювання з температурою близько 3 К.
Кольоровість чорнотільного випромінювання
Кольори дано порівняно з розсіяним денним світлом. Колір, що реально сприймається, може бути спотворений адаптацією ока до умов освітлення.
Закон випромінювання Кірхгофа
Закон випромінювання Кірхгофа – фізичний закон, встановлений німецьким фізиком Кірхгофом у 1859 році.
У сучасному формулюванні закон звучить так:
Відношення випромінювальної здатності будь-якого тіла до його поглинальної здатності однаково для всіх тіл при даній температурі для даної частоти і не залежить від їхньої форми та хімічної природи.
Відомо, що при падінні електромагнітного випромінювання на деяке тіло його частина відбивається, частина поглинається і частина може пропускатися. Частка поглинається випромінювання на цій частоті називається поглинальною здатністютіла. З іншого боку, кожне нагріте тіло випромінює енергію за деяким законом, іменованим випромінювальною здатністю тіла.
Величини можуть сильно змінюватися при переході від одного тіла до іншого, проте згідно із законом випромінювання Кірхгофа відношення випускальної та поглинальної здібностей не залежить від природи тіла і є універсальною функцією частоти (довжини хвилі) і температури:
За визначенням, абсолютно чорне тіло поглинає все випромінювання, що падає на нього, тобто для нього. Тому функція збігається з випромінювальною здатністю абсолютно чорного тіла, що описується законом Стефана - Больцмана, внаслідок чого випромінювальна здатність будь-якого тіла може бути знайдена виходячи лише з його поглинаючої здатності.
Реальні тіла мають поглинальну здатність менше одиниці, а отже, і меншу, ніж у абсолютно чорного тіла, випромінювальну здатність. Тіла, поглинальна здатність яких залежить від частоти, називаються сірими. Їх спектр має такий самий вигляд, як і в абсолютно чорного тіла. У загальному випадку поглинальна здатність тіл залежить від частоти і температури, і їх спектр може істотно відрізнятися від спектра абсолютно чорного тіла. Вивчення випромінювальної здатності різних поверхонь вперше було проведено шотландським ученим Леслі за допомогою його винаходу - куба Леслі.
Абсолютно чорне тіло – це ментальний фізичний ідеалізований об'єкт. Цікаво, що воно зовсім не обов'язково має бути чорним насправді. Тут річ у іншому.
Альбедо
Всі ми пам'ятаємо (чи, принаймні, мали б пам'ятати) зі шкільного курсу фізики, що поняття "альбедо" має на увазі під собою здатність поверхні будь-якого тіла відбивати світло. Так, наприклад, снігові покриви крижаних шапок нашої планети здатні відбивати до 90% сонячного світла, що падає на них. Це означає, що вони характеризуються високим альбедо. Не дивно, що співробітники полярних станцій нерідко змушені працювати у сонцезахисних окулярах. Адже дивитися на чистий сніг – майже те саме, що й розглядати неозброєним оком Сонце. У цьому відношенні рекордну відбивну здатність у всій Сонячній системі має супутник Сатурна Енцелад, який майже повністю складається з водяного льоду, має білий колір і відображає практично все випромінювання, що падає на його поверхню. З іншого боку, така речовина, як сажа, має альбедо менше 1%. Тобто, воно поглинає близько 99% електромагнітного випромінювання.
Абсолютно чорне тіло: опис
Тут ми підходимо до найголовнішого. Напевно читач здогадався, що абсолютно чорне тіло є об'єктом, поверхня якого здатна поглинати абсолютно все падаюче на нього випромінювання. Разом з тим це зовсім не означає, що такий об'єкт буде невидимий і не зможе в принципі випромінювати світло. Ні, не варто плутати його з чорною діркою. Він може мати колір і навіть бути дуже добре видимим, проте випромінювання абсолютно чорного тіла завжди буде визначатися його власною температурою, але не відбитим світлом. До речі, тут враховується не лише спектр, видимий людським оком, а й ультрафіолетове, інфрачервоне випромінювання, радіохвилі, рентгенівське проміння, гамма-випромінювання тощо. Як було зазначено, абсолютно чорне тіло немає у природі. Однак його характеристикам у нашій зірковій системі найбільш повно відповідає Сонце, що випромінює, але майже не відображає світло (що виходить від інших зірок).
Лабораторна ідеалізація
Спроби вивести об'єкти, які абсолютно не відображають світло, робилися вже з кінця XIX століття. Власне, це завдання стало однією з передумов виникнення квантової механіки. Перш за все, важливо відзначити, що будь-який фотон (або будь-яка інша частка електромагнітного випромінювання), поглинений атомом, відразу їм випромінюється і поглинається сусіднім атомом, і знову випромінюється. Цей процес продовжуватиметься доти, доки не буде досягнуто стану рівноважного насичення в тілі. Однак при нагріванні абсолютно чорного тіла до подібного стану рівноваги інтенсивність світла, що випромінюється ним, урівнюється з інтенсивністю поглинається.
У науковому середовищі фізиків проблема виникає при спробі підрахувати, якою ж має бути ця енергія випромінювання, яка зберігається всередині чорного тіла в рівновазі. І тут витікає дивовижний момент. Розподіл енергії у спектрі абсолютно чорного тіла у стані рівноваги означає буквальну нескінченність енергії випромінювання всередині неї. Ця проблема була названа ультрафіолетовою катастрофою.
Рішення Планка
Першим, кому вдалося знайти прийнятне вирішення цього завдання, став німецький фізик Макс Планк. Він припустив, що будь-яке випромінювання поглинається атомами не безперервно, а дискретно. Тобто порціями. Пізніше такі порції були названі фотонами. Понад те, радіомагнітні хвилі можуть поглинатися атомами лише певних частотах. Невідповідні частоти просто проходять повз, що вирішує питання про нескінченну енергію необхідного рівняння.
Управління освіти Кіровського району. Міністерство загальної та середньої освіти
Муніципальна Освітня Установа № 204
"Елітарна школа".
Напрямок науково-технічний.
Предмет фізики.
Абсолютно чорне тіло
Виконавець: учень 11 класу Карпов Максим
Керівник: Бондіна Марина Юріївна
Єкатеринбург 2007
Введення стор.2
Теорія чорного тіла
Практична частина стор.15
Висновок стор.17
Література стор.18
Вступ
Наприкінці ХІХ ст. багато вчених вважали, що розвиток фізики завершився з наступних причин:
1. Понад 200 років існують закони механіки, теорія всесвітнього тяжіння, закони збереження (енергії, імпульсу, моменту імпульсу, маси та електричного заряду).
2. Розроблено МКТ.
3. Підведено міцний фундамент під термодинаміку.
4. Сформульовано Максвеллівську теорію електромагнетизму.
5. Релятивістський закон збереження енергії – маси.
Наприкінці XIX - на початку XX ст. відкриті В. Рентгеном – X-промені (рентгенівські промені), А. Беккерелем – явище радіоактивності, Дж. Томсоном – електрон. Проте класична фізика не зуміла пояснити ці явища.
Теорія відносності А. Ейнштейна зажадала докорінного перегляду поняття простору та часу. Спеціальні досліди підтвердили справедливість гіпотези Дж. Максвелла про електромагнітну природу світла. Можна припустити, що випромінювання електромагнітних хвиль нагрітими тілами обумовлено коливальним рухом електронів. Але це припущення треба було підтвердити зіставленням теоретичних та експериментальних даних. Для теоретичного розгляду законів випромінювань використовували модель чорного тіла, тобто. тіла, що повністю поглинає електромагнітні хвилі будь-якої довжини і, відповідно, випромінює всі довжини електромагнітних хвиль.
З появою поглинання тілами енергії я зіткнувся, повертаючись осіннім вечором додому. Того вечора було сиро, і я ледве бачив дорогу, якою йду. А коли через тиждень випав сніг, то дорога була добре видно. Так я вперше зіткнувся з явищем абсолютно чорного тіла, тіла, якого не існує у природі, і мене це зацікавило. А так як я довго шукав матеріал, що цікавить мене, збирав його по шматочках - я вирішив написати дослідницьку роботу, в якій це все буде з'єднано і вибудовано в логічному порядку. Так само для зручнішого сприйняття теоретичної частини мною наведено практичні приклади дослідів, на яких можна поспостерігати за вище зазначеним явищем.
Вивчаючи матеріали щодо відображення і поглинання світлової енергії, я припустив, що абсолютно чорне тіло – це тіло, яке поглинає всю енергію. Однак чи можливе таке на практиці? Я думаю, не тільки мені здалося це питання цікавим. Тому мета моєї роботи довести, що випромінювання електромагнітних хвиль нагрітими тілами обумовлено коливальним рухом електронів. Але ця проблема актуальна, оскільки про це не написано в наших підручниках, мало в яких довідниках можна прочитати про абсолютно чорне тіло. Для цього я поставив перед собою кілька завдань:
знайти якнайбільше інформації з цієї проблеми;
вивчити теорію абсолютно чорного тіла;
досвідченим шляхом підтвердити теоретичні поняття та явища, наведені у рефераті;
Реферат складається з наступних частин:
Вступ;
теорія чорного тіла;
практична частина;
висновок.
Теорія чорного тіла
1. Історія вивчення питання.
Класична фізика не змогла отримати розумну формулу для спектральної щільності (ця формула легко перевіряється: абсолютно чорне тіло – піч, ставлять спектрометр, випромінювання спектр розгортається, й у кожної смужки спектра можна знайти енергію у цьому інтервалі довжин хвиль). Класична фізика не змогла не тільки дати правильне значення функції, вона не змогла дати навіть розумне значення, а саме, виходило, що ця функція зростає зі спаданням довжини хвилі, а це просто безглуздо, це означає, що будь-яке тіло у видимій ділянці випромінює, а в низьких частотах ще більше, і повна енергія випромінювання прагне нескінченності. Отже, у природі є явища, які неможливо описати законами класичної фізики.
Наприкінці ХІХ століття виявилася неспроможність спроб створити теорію випромінювання чорного тіла з урахуванням законів класичної фізики. З законів класичної фізики випливало, що речовина повинна випромінювати електромагнітні хвилі за будь-якої температури, втрачати енергію і знижувати температуру до абсолютного нуля. Іншими словами. теплова рівновага між речовиною та випромінюванням була неможливою. Але це знаходилося у протиріччі з повсякденним досвідом.
Більш детально це можна пояснити так. Існує поняття абсолютно чорного тіла – тіла, що поглинає електромагнітне випромінювання будь-якої довжини хвилі. Спектр його випромінювання визначається його температурою. У природі абсолютно чорних тіл немає. Найбільш точно чорному тілу відповідає замкнуте непрозоре порожнисте тіло з отвором. Будь-який шматок речовини при нагріванні світиться і при подальшому підвищенні температури стає спочатку червоним, а потім білим. Колір від речовини майже залежить, для абсолютно чорного тіла він визначається виключно його температурою. Представимо таку замкнуту порожнину, яка підтримується при постійній температурі і містить матеріальні тіла, здатні випускати і поглинати випромінювання. Якщо температура цих тіл у початковий момент відрізнялася від температури порожнини, то згодом система (порожнина плюс тіла) буде прагнути до термодинамічної рівноваги, яка характеризується рівновагою між енергією, що поглинається і вимірюється в одиницю часу.
Г.Кірхгоф встановив, що цей стан рівноваги характеризується певним спектральним розподілом щільності енергії випромінювання, укладеного в порожнині, а також те, що функція, що визначає спектральний розподіл (функція Кірхгофа), залежить від температури порожнини та не залежить від розмірів порожнини або її форм , ні від властивостей поміщених до неї матеріальних тіл. Оскільки функція Кірхгофа універсальна, тобто. однакова для будь-якого чорного тіла, виникло припущення, що її вид визначається якимись положеннями термодинаміки та електродинаміки. Однак спроби такого роду виявилися неспроможними. Із закону Д.Релея випливало, що спектральна щільність енергії випромінювання має монотонно зростати зі збільшенням частоти, але експеримент свідчив про інше: спочатку спектральна густина зі збільшенням частоти зростала, а потім падала.
Вирішення проблеми випромінювання чорного тіла вимагало нового підходу.
Його знайшли М.Планком.
Планк в 1900 р. сформулював постулат, згідно з яким речовина може випромінювати енергію випромінювання тільки кінцевими порціями, пропорційними частоті цього випромінювання. Ця концепція призвела до зміни традиційних положень, що у основі класичної фізики. Існування дискретності дії вказувало на взаємозв'язок між локалізацією об'єкта у просторі та часі та його динамічним станом. Л. де Бройль підкреслював, що "з точки зору класичної фізики цей зв'язок представляється абсолютно незрозумілим і набагато незрозумілішим за наслідками, до яких вона призводить, ніж зв'язок між просторовими змінними і часом, встановлений теорією відносності. Квантової концепції у розвитку фізики судилося зіграти Велику роль.
Отже, знайдено новий підхід до пояснення природи чорного тіла (у вигляді квантової концепції).
2. Поглинальна здатність тіла.
Для опису процесу поглинання тілами випромінювання введемо спектральну здатність поглинання тіла. Для цього, виділивши вузький інтервал частот від до, розглянемо потік випромінювання, який падає на поверхню тіла. Якщо при цьому частина цього потоку поглинається тілом, то здатність поглинання тіла на частоті визначимо як безрозмірну величину
характеризує частку падаючого на тіло випромінювання частоти, поглинену тілом.
Досвід показує, що будь-яке реальне тіло поглинає випромінювання різних частот по-різному залежно від температури. Тому спектральна поглинальна здатність тіла є функцією частоти, вид якої змінюється за зміни температури тіла.
За своїм визначенням поглинальна здатність тіла не може бути більшою за одинку. При цьому тіло, у якого поглинальна здатність менше одиниці і однакова по всьому діапазону частот називають сірим тілом.
p align="justify"> Особливе місце в теорії теплового випромінювання займає абсолютно чорне тіло. Так Г.Кірхгоф назвав тіло, у якого на всіх частотах і за будь-яких температур поглинальна здатність дорівнює одиниці. Реальне тіло завжди відбиває частину енергії падаючого нею випромінювання (рис. 1.2). Навіть сажа наближається за властивостями до чорного тіла лише в оптичному діапазоні.
1 – абсолютно чорне тіло; 2 – сіре тіло; 3 – реальне тіло
Абсолютно чорне тіло є еталонним тілом теорії теплового випромінювання. І, хоча в природі немає абсолютно чорного тіла, досить просто реалізувати модель, для якої поглинальна здатність на всіх частотах зневажливо мало відрізнятиметься від одиниці. Таку модель абсолютно чорного тіла можна виготовити у вигляді замкнутої порожнини (мал. 1.3), з малим отвором, діаметр якого значно менше поперечних розмірів порожнини. При цьому порожнина може мати практично будь-яку форму та бути виготовленою з будь-якого матеріалу.
Малий отвір має властивість майже повністю поглинати падаюче на нього випромінювання, причому зі зменшенням розміру отвору його поглинальна здатність прагне одиниці. Дійсно, випромінювання через отвір потрапляє на стінки порожнини, частково поглинаючись ними. При малих розмірах отвору промінь повинен зазнати безліч відбитків, перш ніж він зможе вийти з отвору, тобто формально відбитися від нього. При багаторазових повторних відбиття на стінках порожнини випромінювання, що потрапило в порожнину, практично повністю поглинеться.
Якщо стінки порожнини підтримувати при певній температурі, то отвір буде випромінювати, і це випромінювання з великим ступенем точності можна вважати випромінюванням абсолютно чорного тіла, що має температуру. Досліджуючи розподіл енергії цього випромінювання по спектру oC.Ленглі, Е.Прінгсгейм, О.Люммер, Ф.Курлбаум та ін), можна експериментально визначити випускальні здібності абсолютно чорного тіла і . Результати таких експериментів за різних значеннях температури наведено на рис. 1.4.
З цих міркувань випливає, що здатність поглинання і колір тіла взаємопов'язані.
3. Закон Кірхгофа.
Закон Кірхгофа. Між випускальними та поглинальними властивостями будь-якого тіла має існувати зв'язок. Адже у досвіді з рівноважним тепловим випромінюванням (рис. 1.1) р 
авновесіе в системі може встановитися тільки в тому випадку, якщо кожне тіло випромінюватиме в одиницю часу стільки ж енергії, скільки воно поглинає. Це означає, що тіла, що інтенсивніше поглинають випромінювання будь-якої частоти, будуть це випромінювання інтенсивніше і випускати.
Тому, відповідно до такого принципу детальної рівноваги, відношення випромінювальної та поглинаючої здібностей однаково для всіх тіл у природі, включаючи абсолютно чорне тіло, і при даній температурі є однією і тією ж універсальною функцією частоти (довжини хвилі).
Цей закон теплового випромінювання, встановлений 1859 р. Г.Кирхгофом під час розгляду термодинамічних закономірностей рівноважних систем з випромінюванням, можна записати як співвідношення
де індекси 1, 2, 3... відповідають різним реальним тілам.
З закону Кірхгофа випливає, що універсальні функції і є спектральні випускальні здібності та абсолютно чорного тіла за шкалою частот чи довжин хвиль відповідно. Тому зв'язок між ними визначається формулою 
.
Випромінювання абсолютно чорного тіла має універсальний характер у теорії теплового випромінювання. Реальне тіло випромінює за будь-якої температури завжди менше енергії, ніж абсолютно чорне тіло. Знаючи випускну здатність абсолютно чорного тіла (універсальну функцію Кірхгофа) та поглинальну здатність реального тіла, із закону Кірхгофа можна визначити енергію, що випромінюється цим тілом у будь-якому діапазоні частот чи довжин хвиль.
Значить ця енергію, випромінювана тілом, визначається як різницю між можливістю пропускання чорного тіла і поглинальною можливістю реального тіла.
4. Закон Стефана-Больцмана
Закон Стефана-Больцмана. Експериментальні (1879 р. Й.Стефан) та теоретичні (1884 р. Л.Больцман) дослідження дозволили довести важливий закон теплового випромінювання абсолютно чорного тіла. Цей закон стверджує, що енергетична світність абсолютно чорного тіла пропорційна четвертому ступеню його абсолютної температури.
Цей закон часто використовується в астрономії щодо світності зірки за її температурою. Для цього необхідно перейти від щільності випромінювання до величини, що спостерігається - потоку. Формула для інтегрального спектру потоку випромінювання буде виведена в третьому розділі.
За сучасними вимірами стала Стефана-Больцмана 
Вт/(м2 (К4).
Для реальних тіл закон Стефана-Больцмана виконується лише якісно, тобто із зростанням температури енергетичні світності всіх тіл збільшуються. Проте, для реальних тіл залежність енергетичної світності від температури не описується простим співвідношенням (1.7), а має вигляд
Коефіцієнт (1.8), завжди менший одиниці, можна назвати інтегральною поглинальною здатністю тіла. Значення , що залежать від температури, відомі для багатьох технічно важливих матеріалів. Так, у досить широкому діапазоні температур для металів, а для вугілля та оксидів металів. 
.
Для реальних нечорних тіл можна запровадити поняття ефективної радіаційної температури, яка визначається як температура абсолютно чорного тіла, що має таку ж енергетичну світність, як і реальне тіло. Радіаційна температура тіла завжди менша від істинної температури тіла. Дійсно, для реального тіла 
. Звідси знаходимо, що , тобто , оскільки реальні тіла .
Радіаційну температуру сильно нагрітих розпечених тіл можна визначити за допомогою радіаційного пірометра (рис. 1.5), в якому зображення достатньо віддаленого нагрітого джерела І проектується за допомогою об'єктива на приймач П так, щоб зображення випромінювача повністю перекривало приймач. Для оцінки енергії випромінювання, що потрапив на приймач, зазвичай використовують металеві або напівпровідникові болометри або термоелементи. Дія болометрів ґрунтується на зміні електричного опору металу або напівпровідника при зміні температури, спричиненій поглинанням падаючого потоку випромінювання. Зміна температури поглинаючої поверхні термоелементів призводить до появи в них термоЕРС.
Показ приладу, приєднаного до болометра або термоелемента, виявляється пропорційним енергії випромінювання, що потрапила на приймач пірометра. Проградуюючи попередньо пірометр з випромінювання еталона абсолютно чорного тіла за різних температур, можна за шкалою приладу вимірювати радіаційні температури різних нагрітих тіл.
Знаючи інтегральну поглинальну здатність матеріалу випромінювача, можна перевести виміряну радіаційну температуру випромінювача його справжню температуру за формулою
Зокрема, якщо радіаційний пірометр покаже температуру До при спостереженні розжареної поверхні вольфрамового випромінювача (), її справжня температура До.
Звідси можна дійти невтішного висновку, що світність будь-якого тіла можна визначити за його температурі.
5. Закон усунення Вина
У 1893 р. німецький фізик В. Він теоретично розглянув термодинамічний процес стиснення випромінювання, укладеного в порожнині з ідеально дзеркальними стінками. З урахуванням зміни частоти випромінювання за рахунок ефекту Допплера при відображенні від дзеркала, що рухається Він прийшов до висновку, що випускальна здатність абсолютно чорного тіла повинна мати вигляд
(1.9)
Тут - деяка функція, конкретний вид якої термодинамічні методи встановити не можна.
Переходячи в цій формулі Вина від частоти до довжини хвилі, відповідно до правила переходу (1.3), отримаємо
(1.10)
Як видно, у вираз для випромінювальної здатності температура входить лише у вигляді добутку. Вже ця обставина дозволяє передбачити деякі особливості функції. Зокрема, ця функція досягає максимуму на певній довжині хвилі , яка при зміні температури тіла змінюється так, щоб виконувалася умова: .
Таким чином, В.Він сформулював закон теплового випромінювання, згідно з яким довжина хвилі, на яку припадає максимум випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла, обернено пропорційна його абсолютній температурі. Цей закон можна записати у вигляді
Значення константи в цьому законі, отримане з експериментів, дорівнювало м 
мк.
Закон Вина називають законом усунення, підкреслюючи тим самим, що при підвищенні температури абсолютно чорного тіла положення максимуму його випромінювальної здатності зміщується в область коротких довжин хвиль. Результати експериментів наведені на рис. 1.4, підтверджують цей висновок як якісно, а й кількісно, суворо відповідно до формулою (1.11).
Для реальних тіл закон вина виконується лише якісно. Зі зростанням температури будь-якого тіла довжина хвилі, поблизу якої тіло випромінює найбільше енергії, також зміщується у бік коротких довжин хвиль. Це зміщення, проте, не описується простою формулою (1.11), яку для випромінювання реальних тіл можна використовувати лише як оціночної.
З закону усунення Вина виходить, що температура тіла і довжина хвилі його випромінювальної здатності взаємопов'язані.
6. Формула Релея-Джинса
У діапазоні гранично малих частот,
що називається областю Релея-Джинса, щільність енергії пропорційна температурі T і квадрату частоти ω:
На рис.2.1.1 ця область позначена РД. Формула Релея-Джинса може бути виведена чисто
класичним шляхом, без залучення квантових уявлень. Що температура чорного тіла, то ширше діапазон частот, у якому справедлива ця формула. Вона пояснюється в класичній теорії, але її не можна поширювати на високі частоти (пунктирна лінія на рис.2.1.1), оскільки підсумована за спектром щільність енергії в цьому випадку нескінченно велика:
Цю особливість закону Релея-Джинса називають "ультрафіолетовою катастрофою".
З формули Релея-Джинса видно, що температура тіла не поширюється високі частоти.
7. Формула Вина
У діапазоні великих частот (область на рис.2.1.1) справедлива формула Вина:
Добре видно, що права частина змінюється немонотонно. Якщо частота не надто велика, то переважає множник ω3 і функція U зростає. У міру збільшення частоти зростання U сповільнюється, вона проходить через максимум, а потім зменшується за рахунок експоненційного множника. Наявність максимуму у спектрі випромінювання відрізняє виновський діапазон від області Релея-Джинса.
Що температура тіла, то вище гранична частота, починаючи з якої виконується формула Вина. Величина параметра в експоненті правої частини залежить від вибору одиниць, в яких вимірюються температура і частота.
Отже, формула Вина вимагає залучення квантових уявлень про природу світла.
Таким чином я розглянув поставлені собі питання. Неважко помітити, що існуючі закони фізики ХІХ ст. були поверхневі, вони пов'язували воєдино всі характеристики (довжина хвилі, температура, частота тощо.) фізичних тіл. Усі перелічені закони доповнювали одне одного, але для повного розуміння цього питання необхідно було залучення квантових уявлень про природу світла.
Практична частина
Як я вже неодноразово говорив, явище абсолютно чорного тіла на сьогоднішній день не існує на практиці, принаймні ми не можемо створити та побачити його. Однак ми можемо провести низку дослідів, які демонструють вище наведені теоретичні викладки.
Чи може біле бути чорнішим за чорне? Почнемо з дуже простого спостереження. Якщо покласти поруч листки білого та чорного паперу та створити в кімнаті темряву. Зрозуміло, що тоді жодного листка ви не побачите, тобто вони будуть однаково чорними. Здавалося б, ні за яких умов білий папір не може бути чорнішим за чорний. І все-таки це не так. Тіло, яке при будь-якій температурі повністю поглинає випромінювання будь-якої частоти, що падає на нього, називається абсолютно чорним. Зрозуміло, що це ідеалізація: у природі абсолютно чорних тіл немає. Тіла, які ми зазвичай називаємо чорними (сажа, кіптява, чорні оксамит і папір і т.д.), насправді сірі, тобто. вони частково поглинають, а частково розсіюють світло, що падає на них.
Виявляється, цілком гарною моделлю абсолютно чорного тіла може бути сферична порожнина з невеликим отвором. Якщо діаметр отвору не перевищує 1/10 діаметра порожнини, то (як показує відповідний розрахунок) світловий пучок, що увійшов в отвір, зможе вийти з його назад лише після багаторазових розсіянь або відображень від різних точок стінки порожнини. Але при кожному "дотику" пучка зі стінкою енергія світла частково поглинається, так що частка випромінювання, що виходить назад з отвору, мізерно мала. Тому можна вважати, що отвір порожнини практично повністю поглинає світло будь-якої довжини хвилі, як абсолютно чорне тіло. А сам пристрій для досвіду можна зробити, наприклад, так. З картону потрібно склеїти коробку розміром приблизно 100Х100Х100 мм з кришкою, що відкривається. Зсередини коробку потрібно обклеїти білим папером, а зовні - пофарбувати чорною тушшю, гуашшю або, що краще, обклеїти папером від фотопакетів. У кришці потрібно зробити отвір діаметром не більше 10 мм. Показуючи досвід, треба висвітлити кришку коробки настільною лампою, тоді отвір буде виглядати чорнішим, ніж чорна кришка.
Для того щоб просто поспостерігати за явищем, можна вчинити ще простіше (але менш цікаво). Потрібно взяти білу порцелянову чашку та закрий її паперовою чорною кришкою з невеликим отвором – ефект буде практично таким самим.
Зверніть увагу, що якщо дивитися з вулиці на вікна яскравого сонячного дня, то вони здаються нам темними.
До речі, професор Прінстонського університету Ерік Роджерс, який написав видану не тільки у нас "Фізику для допитливих", дав своєрідний "опис" абсолютно чорного тіла: "Ніяка чорна фарба на собачій будці не виглядає чорнішою за відчинені для собаки дверцята".
Знявши з двох однакових порожніх консервних банок наклейки і закоптивши або зафарбувавши чорною фарбою одну банку, іншу залишивши світлою, наливши в обидві банки гарячу воду і подивившись, у якій вода охолоне швидше (досвід можна проводити і в темряві); ви спостерігаєте явище теплового випромінювання.
Так само за явищем теплового випромінювання можна поспостерігати, дивлячись за роботою кімнатного електричного нагрівача, що складається з спіралі, що розжарюється, і добре полірованої увігнутої металевої поверхні.
Цікаво, що:
зв'язок між світловими та тепловими променями був відомий з часів античності. Більше того, слово "фокус" означає латинською мовою "вогонь", "вогнище", що у застосуванні до увігнутих дзеркал і лінз свідчить про першочергову увагу до концентрації теплових, а не світлових променів. Серед багатьох експериментів XVI-XVIII століть особливо виділяється досвід, проведений Едмом Маріоттом, в якому порох згадувався тепловими променями, відбитими увігнутим дзеркалом, виготовленим із льоду.
Вільям Гершель, знаменитий відкриттям планети Уран, виявивши в спектрі Сонця невидимі - інфрачервоні - промені, був такий вражений, що двадцять років зберігав про це мовчання. А ось у тому, що Марс живе і населений, він не сумнівався...
після того, як спектральний аналіз показав наявність в атмосфері Сонця багатьох хімічних елементів, у тому числі й золота, один банкір сказав Кірхгофу: "Ну і що користі від вашого сонячного золота? Адже його все одно не доставити на Землю!" Минуло кілька років, і Кірхгоф отримав з Англії золоту медаль та премію готівкою за свої чудові дослідження. Показавши ці гроші банкіру, він сказав: "Погляньте, а мені все-таки вдалося отримати золото з Сонця".
на могилі Фраунгофера, який відкрив темні лінії у спектрі Сонця та вивчав спектри планет та зірок, вдячні співвітчизники спорудили пам'ятник із написом "Наблизив зірки".
Наведені мною практичні приклади підтверджують викладення теоретичної частини.
Висновок
Я розглянув поставлені собі питання. Неважко помітити, що існуючі закони фізики ХІХ ст. були поверхневі, вони пов'язували воєдино всі характеристики (довжина хвилі, температура, частота тощо.) фізичних тіл. Усі перелічені закони доповнювали одне одного, але для повного розуміння цього питання необхідно було залучення квантових уявлень про природу світла. Створення квантової теорії дозволило пояснити багато явища, як явище абсолютно чорного тіла, тобто. тіла, що повністю поглинає електромагнітні хвилі будь-якої довжини і, відповідно, випромінює всі довжини електромагнітних хвиль. Також дозволило пояснити взаємозв'язок поглинальної здатності та кольору тіла, залежність світності тіла від його температури. Згодом ці явища пояснили і класичної фізикою. Я виконав мету моєї роботи – ознайомив із проблемою абсолютно чорного тіла всіх охочих. Для цього я виконав такі завдання:
знайшов якнайбільше інформації з цієї проблеми;
вивчив теорію абсолютно чорного тіла;
досвідченим шляхом підтвердив теоретичні поняття та явища, наведені у рефераті;
Для теоретичного розгляду законів випромінювань використовували модель чорного тіла, тобто. тіла, що повністю поглинає електромагнітні хвилі будь-якої довжини і, відповідно, випромінює всі довжини електромагнітних хвиль.
Список використаної литературы:
Мякішев Г. Я., Фізика 11, М., 2000.
Касьянов Ст А., Фізика 11, М., 2004.
Ландсберг Р. С., Елементарний підручник фізики том III, М., 1986.
http://ua.wikipedia.org/wiki/Абсолютно_чорне_тіло. Абсолютно
Парадоксально. Чорнадіра поводиться, як тілоз температурою, що дорівнює абсолютномунулю... , тому що за допомогою чорноїдірки... Таким чином, чорнадіра випромінює як ідеальне чорне тіло(Несподівано реалізоване...
Кікоїн А.К. Абсолютно чорне тіло // квант. – 1985. – № 2. – С. 26-28.
За спеціальною домовленістю з редколегією та редакцією журналу "Квант"
Світло та колір
Коли ми при денному (сонячному) світлі дивимося на різні тіла, що оточують нас, ми бачимо їх забарвленими у різні кольори. Так, трава і листя дерев – зелені, квіти – червоні чи сині, жовті чи фіолетові. Є також чорні, білі, сірі тіла. Все це не може не викликати подиву. Здавалося б, всі тіла освітлені тим самим світлом - світлом Сонця. Чому ж різні їхні кольори? Постараємось відповісти на це запитання.
Виходитимемо з того, що світло - це електромагнітна хвиля, тобто змінне електромагнітне поле, що поширюється. У сонячному світлі містяться хвилі, в яких електричне та магнітне поля коливаються з різними частотами.
Будь-яка речовина складається з атомів і молекул, що містять заряджені частинки, які взаємодіють один з одним. Оскільки частинки заряджені, під впливом електричного поля можуть рухатися, і якщо поле змінне - всі вони можуть робити коливання, причому кожна частка у тілі має певну власну частоту коливань.
Ця проста, хоч і не надто точна, картина дозволить нам зрозуміти, що відбувається при взаємодії світла з речовиною.
Коли на тіло падає світло, електричне поле, «принесене» ним, змушує заряджені частинки в тілі робити вимушені коливання (поле світлової хвилі змінне!). При цьому в деяких частинок їхня власна частота коливань може збігтися з якоюсь частотою коливань поля світлової хвилі. Тоді, як відомо, станеться явище резонансу – різкого збільшення амплітуди коливань (про нього йдеться у § 9 та 20 «Фізики 10»). При резонансі енергія, принесена хвилею, передається атомам тіла, що зрештою викликає його нагрівання. Про світло, частота якого потрапила в резонанс, кажуть, що він поглинувся тілом.
Але якісь хвилі з падаючого світла не потрапляють у резонанс. Однак вони теж змушують коливатися частинки в тілі, але вагатися з малою амплітудою. Ці частинки самі стають джерелами про вторинних електромагнітних хвиль тієї самої частоти. Вторинні хвилі, складаючись з падаючою хвилею, складають відбите або проходить світло.
Якщо тіло непрозоре, то поглинання і віддзеркалення - ось усе, що може статися з світлом, що падає на тіло: світло, що не потрапило в резонанс, відображається, що потрапило - поглинається. У цьому полягає «секрет» кольоровості тіл. Якщо, наприклад, зі складу падаючого сонячного світла до резонансу потрапили коливання, що відповідають червоному кольору, то у відбитому світлі їх не буде. А наше око влаштоване так, що сонячне світло, позбавлене своєї червоної частини, викликає відчуття зеленого кольору. Забарвлення непрозорих тіл залежить, таким чином, від того, які частоти падаючого світла відсутні у світлі, відбитому тілом.
Існують тіла, в яких заряджені частинки мають так багато різних власних частот коливань, що кожна або майже кожна частота в світлі, що падає, потрапляє в резонанс. Тоді все падаюче світло поглинається, і відбиватися просто нема чому. Такі тіла називають чорними, тобто тілами чорного кольору. Насправді чорний колір - це колір, а відсутність будь-якого кольору.
Є й такі тіла, в яких жодна частота в світлі, що падає, не потрапляє в резонанс, тоді поглинання немає зовсім, а все падаюче світло відображається. Такі тіла називають білими. Білий колір – теж не колір, це суміш усіх кольорів.
Випромінювання світла
Відомо, що будь-яке тіло може стати джерелом світла. Це і зрозуміло - адже у всякому тілі є заряджені частинки, що коливаються, здатні стати джерелами хвиль, що випускаються. Але при звичайних умовах - при невеликих температурах - частоти цих коливань порівняно малі, і довжини хвиль, що випускаються, істотно перевищують довжини хвиль видимого світла (інфрачервоне світло). При високій температурі в тілі «включаються» коливання і вищих частот, і воно починає випромінювати світлові хвилі, видимі оком.
Яке ж світло випромінює тіло, коливання яких частот можуть бути включені при нагріванні? Очевидно, що можуть виникнути тільки коливання з власними частотами. При низьких температурах кількість заряджених частинок, що мають високі власні частоти коливань, мало, і їхнє випромінювання непомітне. З підвищенням температури кількість таких частинок зростає, і стає можливим випромінювання видимого світла.
Зв'язок між випромінюванням та поглинанням світла
Поглинання та випромінювання – це протилежні один одному явища. Однак між ними є щось спільне.
Поглинати – це означає «брати», випромінювати – означає «давати». А що "бере" тіло, поглинаючи світло? Очевидно, те, що може взяти, тобто світло тих частот, що рівні власним частот коливань його частинок. Що «дає» тіло, випромінюючи світло? Те, що воно має, тобто світло, яке відповідає власним частотам коливань. Тому між здатністю тіла випромінювати світло та здатністю його поглинати має існувати тісний зв'язок. І зв'язок цей простий: тіло випромінює тим більше, чим сильніше воно поглинає. При цьому, природно, найяскравішим випромінювачем має бути темне тіло, яке поглинає коливання всіх частот. Математично цей зв'язок було встановлено в 1859 році німецьким фізиком Густавом Кірхгофом.
Назвемо випромінювальною здатністю тіла енергію, що випромінюється одиницею площі його поверхні в одиницю часу, і позначимо її через Eλ,T. Вона різна для різних довжин хвиль ( λ ) та різних температур ( Т), звідси індекси λ і Т. Поглинальною здатністю тіла назвемо відношення поглиненої тілом світлової енергії в одиницю часу до падаючої. Позначимо її через Aλ,T - вона теж різна для різних λ і Т.
Закон Кірхгофа свідчить, що відношення випускальної та поглинальної здібностей однаково для всіх тіл:
\(~\frac(E_(\lambda, T))(A_(\lambda, T)) = C\) .
Величина Зне залежить від природи тіл, але залежить від довжини хвилі світла та від температури: C = f(λ , T). Відповідно до закону Кірхгофа, тіло, яке при даній температурі краще поглинає, має інтенсивніше випромінювати.
Абсолютно чорне тіло
Закон Кірхгофа справедливий всім тел. Це означає, що його можна застосувати до такого тіла, яке поглинає все без винятку довжини хвиль. Таке тіло називають абсолютно чорним. Для нього поглинальна здатність дорівнює одиниці, так що закон Кірхгофа набуває вигляду
\(~E_(\lambda, T) = C = f(\lambda, T)\) .
Таким чином, стає зрозумілим сенс функції f(λ , T): вона дорівнює випромінювальній здатності абсолютно чорного тіла. Завдання знаходження функції C = f(λ , T) перетворилася на завдання знайти залежність енергії випромінювання абсолютно чорного тіла від температури та довжини хвилі. Зрештою, після двох десятиліть марних спроб вона була вирішена. Її рішення, дане німецьким фізиком-теоретиком Максом Планком, стало початком нової фізики – квантової фізики.
Зауважимо, що абсолютно чорних тіл у природі не існує. Навіть найчорніше з усіх відомих речовин - сажа - поглинає не 100, а 98% світла, що падає на нього. Тому для експериментального дослідження випромінювання абсолютно чорного тіла використовувався штучний пристрій.
Виявилося, що властивості абсолютно чорного тіла має... замкнуту порожнину з малим отвором (див. малюнок). Справді, коли в отвір потрапляє промінь світла, всередині порожнини він відчуває безліч послідовних відбитків, отже шансів вийти з отвору назовні в нього дуже мало. (З цієї причини відкрите вікно у будинку здається темним навіть у яскравий сонячний день). Якщо таке тіло нагріти, випромінювання, що виходить з отвору, практично нічим не відрізняється від випромінювання абсолютно чорного тіла.
Хорошою імітацією абсолютно чорного тіла може бути і труба, один кінець якої закритий. Якщо трубу нагріти, її відкритий кінець світить, як абсолютно чорне тіло. При звичайній температурі він виглядає зовсім чорним, як і отвір в порожнині.
