Теория:
Экспериментально установлено, что нагретые тела излучают электромагнитные волны. Это явление называется тепловым излучением. Интенсивностью излучения \(I\) называют мощность излучения, проходящую через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения излучения. Отношение интенсивности излучения в узком частотном интервале от \(\nu\) до \(\nu+\Delta \nu\) к величине этого интервала \(\Delta \nu\) — спектральная плотность излучения \(i(\nu)\). Зависимость спектральной плотности от частоты (или длины волны) называется спектром излучения.
Вид спектра зависит от излучающего вещества. Одна важная частная физическая модель, которая в начале \(XX\) века послужила толчком к созданию квантовой физики, — это абсолютно чёрное тело (тело, которое при любой температуре поглощает всё падающее на него излучение). Спектр абсолютно чёрного тела непрерывен и имеет максимум на какой-то частоте \(\nu_m\), а при частотах \(\nu \rightarrow 0\) и \(\nu \rightarrow \infty\) спектральная плотность излучения стремится к нулю (рис. \(1\)).
Вид спектра зависит от излучающего вещества. Одна важная частная физическая модель, которая в начале \(XX\) века послужила толчком к созданию квантовой физики, — это абсолютно чёрное тело (тело, которое при любой температуре поглощает всё падающее на него излучение). Спектр абсолютно чёрного тела непрерывен и имеет максимум на какой-то частоте \(\nu_m\), а при частотах \(\nu \rightarrow 0\) и \(\nu \rightarrow \infty\) спектральная плотность излучения стремится к нулю (рис. \(1\)).
Рис. \(1\). Спектр излучения абсолютно чёрного тела
При этом при увеличении температуры спектральная плотность излучения увеличивается (то есть все точки спектра при температуре \(T_2\), которая больше \(T_1\), лежат выше, чем точки спектра при температуре \(T_1\)), а также увеличивается частота, на которой спектр имеет максимум (\(\nu_{m2}\) >\(\nu_{m1}\)).
Увеличение частоты может быть описано с помощью закона Вина:
\(\boxed{\nu_m=\frac{c T}{b},\;\;\lambda_m=\frac{b}{T}}\), (\(1\))
где постоянная Вина \(b=2.9\cdot 10^{-3}\) м·K.
Интегральная светимость (\(R\)) или поверхностная плотность потока излучения (то есть мощность излучения с единицы поверхности тела) абсолютно чёрного тела описывается законом Стефана — Больцмана:
\(\boxed{R=\sigma T^4}\), (\(2\))
где постоянная Стефана — Больцмана \(\sigma=5.67\cdot10^{-8}\) Вт/(м²·K4).
Увеличение частоты может быть описано с помощью закона Вина:
\(\boxed{\nu_m=\frac{c T}{b},\;\;\lambda_m=\frac{b}{T}}\), (\(1\))
где постоянная Вина \(b=2.9\cdot 10^{-3}\) м·K.
Интегральная светимость (\(R\)) или поверхностная плотность потока излучения (то есть мощность излучения с единицы поверхности тела) абсолютно чёрного тела описывается законом Стефана — Больцмана:
\(\boxed{R=\sigma T^4}\), (\(2\))
где постоянная Стефана — Больцмана \(\sigma=5.67\cdot10^{-8}\) Вт/(м²·K4).
Если попытаться качественно описать спектр излучения нагретого тела с точки зрения теории Максвелла, то есть предположить, что электромагнитные волны появляются из-за колебаний электрических зарядов, то плотность излучаемой энергии должна монотонно увеличиваться с увеличением частоты. Однако эксперимент показывает, что это не так (рис. \(1\)). Данное противоречие известно в истории физики под названием «ультрафиолетовая катастрофа».
Устранение этого несоответствия и стало первой задачей, для решения которой понадобилось создать квантовую физику. А далее (в течение всего \(XX\) века) оказывалось, что излучение, поглощение, люминесценция различных газов, жидкостей и твёрдых тел объясняются только с помощью новой теории. Все вышеперечисленные явления (в том числе и излучение абсолютно чёрного тела) можно рассматривать как взаимодействие атома и электромагнитного излучения, то есть рассматриваемая система имеет размеры порядка атомных или субатомных. Это и является предметом квантовой физики. Описание таких систем, их изменения во времени, раскрытие закономерностей их поведения — это задачи квантовой физики.
Устранение этого несоответствия и стало первой задачей, для решения которой понадобилось создать квантовую физику. А далее (в течение всего \(XX\) века) оказывалось, что излучение, поглощение, люминесценция различных газов, жидкостей и твёрдых тел объясняются только с помощью новой теории. Все вышеперечисленные явления (в том числе и излучение абсолютно чёрного тела) можно рассматривать как взаимодействие атома и электромагнитного излучения, то есть рассматриваемая система имеет размеры порядка атомных или субатомных. Это и является предметом квантовой физики. Описание таких систем, их изменения во времени, раскрытие закономерностей их поведения — это задачи квантовой физики.
Источники:
Рис. 1. Спектр излучения абсолютно чёрного тела. © ЯКласс.