Bức xạ vật đen tuyệt đối

Bài viết Về sự bức xạ của Vật đen tuyệt đối: các định luật và công thức đã tóm tắt về lịch sử hình thành các định luật và quá trình suy luận của các nhà khoa học nhằm tìm ra một mô hình giải thích tốt nhất cho sự phát xạ của vật đen tuyệt đối để vượt qua thách thức của tai biến vùng tử ngoại.Bài viết thích hợp cho các giáo viên, học sinh cần tìm hiểu về quá trình hình thành các ý tưởng và công thức khi nghiên cứu về sự phát xạ....
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bức xạ vật đen tuyệt đối V S B C X C A V T ðEN TUY T ð I: CÁC ð NH LU T VÀ CÔNG TH C. Nguy n M nh, T V t lý - K thu t, Trư ng THPT Tôn ð c Th ng, t nh Ninh Thu n Email: manhhieu90@gmail.com A. D N NH P Kho ng cu i th k XIX, ñ u th k XX, các nhà V t lý l i ti p t c lao vào tìm hi uhi n tư ng b c x (Radiation) c a v t. ð nh lu t Kirchhoff có th nói m ñ u cho vi c tìm ki m nói trên. Xét v t ñ t vào m tbình chân không, cách nhi t và có thành ph n x lý tư ng. V t s ñ ng th i phát x và h p th(Absorption) b c x ñi n t . Th c nghi m ch ng t r ng, sau m t kho ng th i gian, tr ng tháicân b ng ñ ng (dynamic equilibrium) ñư c thi t l p tương ng v i nhi t ñ T c a v t v i m ibư c sóng, nghĩa là v t phát x m nh các b c x nào thì h p th m nh các b c x ñó. B. CÁC ð NH LU T VÀ CÔNG TH C I. ð nh lu t Kirchhoff: G i rλ,T: năng su t phát x ñơn s c (ñ c trưng cho m c ñ mang năng lư ng nhi u hayít, chính b ng lư ng năng lư ng b c x t m t ñơn v di n tích c a v t trong m t ñơn v th igian trên m t kho ng bư c sóng dλ). aλ,T: h s h p th ñơn s c (ñ c trưng cho m c ñ h p th năng lư ng c a m i chùmb c x ñơn s c (Monochromatic), chính b ng thương s gi a lư ng năng lư ng chùm ñơn s cg i t i m t ñơn v di n tích v t h p th trong m t ñơn v th i gian và năng lư ng v t có khnăng h p th tương ng). T nh n xét trên, Kirchhoff (1824-1887) ñã cho m i liên h gi a rλ,T và aλ,T là: T s gi a năng su t phát x ñơn s c và h s h p th ñơn s c c a cùng m t v t m t nhi t ñ nh t ñ nh là m t hàm ch ph thu c vào bư c sóng và nhi t ñ , mà không ph thu c vào b n ch t v t ñó. T c là: rλ ,T = ε λ ,T v i ελ,T g i là hàm ph bi n (W/m ) 3 aλ ,T V t ñen tuy t ñ i (VðTð) (Absolute black body) là v t có kh năng h p th hoàn toànnăng lư ng c a m i b c x có bư c sóng b t kỳ t i nó m i nhi t ñ . V y, v i VðTð thì aλ,T= 1.Do ñó: ελ,T = rλ,T (hàm ph bi n chính là năng su t phát x ñơn s c c a VðTð) Kh o sát hàm ελ,T b ng th c nghi m là xác ñ nh ñư c s phân b năng lư ng b c x c aVðTð theo bư c sóng λ và nhi t ñ T. ð th là ñư ng ñ c trưng ph phát x có d ng dư iñây:Nh n xét:- ng v i m i nhi t ñ T xác ñ nh, ελ,T c a VðTð có m t c c ñ i ng v i m t bư c sóng λmax hoàn toàn xác ñ nh.- Khi T tăng, ελ,T tăng r t nhanh và λmax ng v i c c ñ i c a nó d ch chuy n v mi n sóng ng n. ∞- Năng su t phát x toàn ph n c a VðTð : RT = ∫ ε λ ,T d λ (W/m2) ñư c bi u th qua di n 0 tích gi i h n b i ñư ng ñ c trưng ph phát x và tr c hoành. II. ð nh lu t Stefan – Boltzmann: Stefan (1835-1893) và Boltzmann (1844-1906) cho bi t m i liên h gi a RT và T: Năng su t phát x toàn ph n c a VðTð t l v i lũy th a b c b n c a nhi t ñ tuy t ñ i c a nó. RT = σ.T4 (W/m2)v i σ = 5,67.10-8 (W/m2K4) g i là h ng s Stefan – Boltzmann.ð i v i v t không ñen, ta có: RT = ξσT4 (W/m2)ξ < 1 g i là ñ ñen c a v t, ph thu c vào b n ch t v t, m t ngoài và nhi t ñ T.Mu n xác ñ nh nhi t ñ th c T c a v t không ñen, ta nung VðTð ñ n nhi t ñ Tr choñ n khi: σ Tr4 = ξσ T 4V y, ta có m i liên h gi a nhi t ñ th c T và nhi t ñ b c x Tr c a v t không ñen: Tr T= 4 ξIII. ð nh lu t Wien (ñ nh lu t d ch chuy n): Wien (1864-1928) ch ra qui lu t xác ñ nh bư c sóng λmax theo nhi t ñ T. Bư c sóng λmax ng v i c c ñ i c a hàm ελ,T c a VðTð bi n thiên t l ngh ch v i nhi t ñ tuy t ñ i c a nó. b λmax = (m) Tv i b = 2,896.10-3 (m.K) : h ng s Wien.Ông cũng ñã ch ra : ελ,T ñ t c c ñ i t l v i T5, t c là: (ελ,T)max = nT5v i n = 1,31.10-11 (W/m3K5): h ng s ñư c xác ñ nh t th c nghi m.V y, năng su t b c x ñơn s c c c ñ i c a VðTð t l v i lũy th a b c năm c anhi t ñ tuy t ñ i.IV. Công th c Rayleigh – Jeans: D a trên quan ñi m V t lý c ñi n, t c cho r ng các nguyên t , phân t phát x và h p th b c x ñi n t m t cách liên t c ví như dòng ch y và s phân b (distribution) ñ u năng lư ng theo b c t do, hai nhà v t lý Rayleigh và Jeans ñã ñ nh ra ñư c d ng hàm ph bi n như sau: 2πν 2 εν ,T = kT (theo bi n t n s ν) c2v i k = 1,38.10-23 (J/K) g i là h ng s Boltzmann.Bi n ñ i theo bi n λ, t c chuy n εν,Tdν thành ελ,Tdλ cCó ν = . Tìm dν th vào công th c trên và lưu ý giá tr dương c a hàm, ta ñư c: λ 2π c ε λ ,T = kT (theo bi n bư c sóng λ) λ4Hai công th c mô t d ng hàm ph bi n trên phù h p t t th c nghi m vùng nhi t ñcao và bư c sóng dài. R t ti c, nhi t ñ th p và bư c sóng ng n, nó không cònnghi m ñúng n a.M t khác, mâu thu n l i x y ra t công th c d n ñ n phi th c t . ðó là: ∞ ∞ 2πν 2 RT = ∫ εν ,T dν = ∫ kTdν = ∞ (!?) 0 0 ...