Денелердің жарық шығаруы,абсалют қара дене

XX ғасырдағы ғылыми ойдың ұлы жеңісі — кванттықтеорияны қалыптастыруда қызған дененің сәуле шығаруын эксперименттік зерттеу үлкен рөл аткарды. Жоғары температураға дейін қыздырғанда дене әртүрлі түске еніп, сәуле шығара бастайтынын білеміз. Мысалы, темірді кыздырғанда, ол өуелі қызыл, содан кейін қызылсары, одан әрі ақ сары түске беленеді. Электр шамыныңвольфрам қылын 3000 С-қа дейін кыздырғанда, ол ақ жарық сәуле шығарады. Күннің жарығы, Жұлдыздардың шығаратын сәулелері де олардың температурасының өте жоғары болуына байланысты.
Қызғанденелердің сәуле шығарып, электромагниттікэнергия таратуын жылулық сәулелену деп атайды. Жылулық сәулелену құбылысы тек қызған денелерде ғана емес, салқын денелерде де орын алады. Электршамының вольфрам қылы 3000 С-қа дейін кызғанда көзге кәрінетін ақ жарық шығарса, температурасы төмендеген сайын денелер керінбейтін инфрақызыл сәулелершығарады. Инфрақызыл сәулелерінің жиілігі ақ жарықтыңжиілігінен төмен. Сондай-ак денелердің температурасы тым жоғары болса, олар кәрінбейтін улытыракүлгін сәулелер шығарады. Ультракүлгін сәулелерінің жиілігі ақ жарықтың жиілігінен жоғары.
Жарық сияқты жылулык сәулелердің барлық түрлері де электромагниттіктолқындар катарына жатады. Олар бір-бірінен тек жиіліктеріне немесе толқын ұзындықтарына карай ажырайды. Эксперименттік зерттеулер денелердің жылулық сәулелерді шығарумен катар оларды жұта да алатынын керсетті. Оны көптеген тәжірибелер растайды. Мысалы, параболоидтік айнағавольфрамнан жасалған спираль қылын орнатып, оны электр тоғымен инфрақызыл сәулесін шығаратындай етіп кыздырайық. Оған карама-карсы қойылған екінші айнаның фокусына қара түске боялған құрғак мақтаны іліл қойсақ, ол белгілі бір уақыттан кейін "өз-өзінен" тұтанып жана бастайды. Бұдан денелердің жылулық электромагниттік сәулелерді шығарып кана коймай, оларды жұта да алатыньш кәреміз. Ал кара түсті денелер сәулелерді басқа түсті денелерге карағанда көбірек жұтады. Бұл төжірибе электромагниттік толкындардың шынында да энергия таситынына көзімізді жеткізеді.
Өзіне түскен әртурлі жиіліктегі сәулелердің энергиясын толық жұтып. алатын денені абсолют қара дене деп атайды. Күнсыртқы ортаға жарық шығарумен қатар өзіне сырттан келіп түсетін әртүрлі жиіліктегі сәулелерді де толық жұтып алады.
Сондықтан ол абсолют кара денелер қатарына жатады суретте абсолют қара дененің үлгісі көрсетілген. Іші куыс ыдысқа тар саңылаудан түскен сәуле шексіз мәрте шағылады да, толық жұтылады.^[1]

 

73) Кирхгоф заңы. Бұл заң денелердің сәулешығару және жұту қабілетті арасындағы байланысты орнатады.

Параллель орналасқан екі дене арасындағы сәулелік энергиямен алмасуын қарастырайық, және де біреуінің температурасы Т₀ -ға тең абсолютті қара және сәулешығару қабілетті Е₀ болып, ал екіншісінің температурасы Т- ға тең сұр және сәулешығару қабілетті Е болсын. Бұл жағдай үшін Т>T₀ қатынасы, абсолютті қара дене арқылы қабылданатын жылу мөлшеріннің қосындысы анықтайды:

мұндағы

сұр дене арқылы шағылысатын энергия мөлшері.

Егерде Т₀=Т болған жағдайда, бір денеден екіншісіне берілетін жылу мөлшері нольге тең болады.

Сонымен: =0; . (4.10)

Бұл Кирхгоф заңының теңдеу болып табылады. Бұл заң бойынша дененің сәулешығару қабілетінің олардың жұту қабілетті арсындағы байланысты сипаттайды. Ал жұту қабілетті берілген температурадағы абсолюттік қара дененің сәулешығару қабілетіне тең болады және тек температураға ғана тәуелді болады.

74) Стефан – Больцман заңы. Бұл заң дененің сәулешығару қабілетінің Е, бір сағат ішінде сәулеленетін дененің энергия мөлшерінің Q және дененің бетінің ауданы F арасындағы тәуелділік байланысын орнатады.

.

(4.3)

Сәулелену знергиясы толқын ұзындығы λ және температураға Т байланысты.

Абсолютті қара дененің сәулешығару қабілетімен Е₀ оның абсолютті температурасы арасындағы байланыс мына түрде анықталады:

,

(4.4)

мұндағы σ₀ - абсолютті қара дененің сәуле шығару тұрақтысы, σ₀ = 5,67×10^-8 Вт/(м²×К⁴).

Практикалық есептерді жеңілдету үшін бұл теңдеу мына түрде қолданылады:

,

(4.5)

мұндағы C₀ - абсолютті қара дененің сәуле шығару коэффициенті, C₀ = 5,67 Вт/(м²×К⁴).

Нақты денелер үшін бұл заң мына түрде беріледі:

,

(4.6)

мұндағы - сұр дененің сәуле шығару коэффициенті, Вт/(м²×К⁴).

С шамасы әрқашанда С₀ шамасынан кіші болады және ол 0-ден 5,67 дейінгі аралықта өзгереді.

Салыстырмалы сәуле шығару қабілеті (дененің қаралық дәрежесі):

.

(4.7)

ε мәні 0-ден 1-ге дейінгі аралықта өзгереді. Бұл заңды ескерсек, онда сұр дененің жылулық сәуле шығаруы:

 

.

(4.8)

 

75.Виннің ығысу заңы. Осы заңға сәйкес жылулық сәуленің спектрлік тығыздығының максимумына келетін ʎ_max толқын ұзындығы дененің абсолют температурасына кері пропорционал кемиді:

ʎ_max=const/T

Осы заңды корытып шығару үшін жылулық тепе теңдік сәуленің спектрлік тығыздығын сәуленің ʎ толқын ұзындығы арқылы өрнектейміз:

ʎ⁵exp(hc/ ʎkT)-1

Іздеп отырған ʎ_max толқын ұзындығын мына шарттан анықтаймыз:

dρ(ʎ,T)/d ʎ=0,

dρ(ʎ,T)/d ʎ=( ʎ⁶exp(hc/ ʎkT)-1)((hc/(ʎkT) exp(hc/ ʎkT))/(exp(hc/ ʎkT)-1))

ρ(ω,T) функцияның максимумы жететін ʎ_maxмәнін осы туындының шартына сәйкес нөлге теңестіріп,табамыз.

X= hc/ ʎ_maxkT белгілеуін енгізіп,мына теңдеуді аламыз:

Xe^x-5(e^x-1)=0

Осы трансценденттік теңдеуді біртіндеп жуықтау әдісімен шешкенде x=4,965 шығады.Демек,

ʎ_maxkT=4,965

Осыдан Tʎ_max=hc/(4,965k)=b

ʎ_max=hc/4,965kT=0,29/T(K) яғни Виннің ығысу заңын алдық.

Сонымен,Планк формуласы тәжірибемен тамаша үйлеседі,бұдан жылулық сәуленің дербес заңдары шығарылады,жылулық сәуле заңдарындағы тұрақтыларды алуға мүмкіндік береді

 

76) Оптикалық пирометрия

Жылулық сәулелену заңдарын қызған жане сәуле шығарғыш денелердің температураларын өлшеу үшін қолданады. О.лай болса, қызған денелердің өте жоғары температураларын өлшеу әдісі оптикалың пирометрия деп аталады. Виң әаңын пайдаланып,ңызған денелердің өтежоғары температурасын өлшеу әдісін,мысалыКүннің бетке сәуле шығарушы қабатының температурасын тауып көрсеткенбіз. Сондықтан осы әдіс жарқырауыныңтолқын ұзындықтары бойынша таралуы абсолют қара дәненікіне ұқсас басқа да қызған денелер температурасын табуүшінде қолданылады.

Егер сәуле шығарушы дене абсолют қара болмаса, онда Т=2",9-І0"³/Д_тал формуласы бойынша табылған температура дененің шын температурасы болмай, оны дененің түс температурасы -Т деп атаіды. Көптеген денелерүшін, тек шығарған сәулелік энергиясының толқын ұзындықтары бойынша таралуы абсолют қара денелерге ұқсас денелердіңтүстемпературасын өлшеп, олардыңшын температурасын анықтайды.

Қызған денелер температурасын оның жарақтылығын абсолют қара дене жарықтылығьімен салыстыра отырып табуға болады. Олүшін абсолютқара денені пайдаланып,пирометрді градуирлейді де, кез келген температураларды өлшейді. Егер зерттеліп отырғандене абсолют қара дене болса, онда пирометр оның шын температурасын көрсетеді. Ал дене абсолют қара болмаса, онда өлшенген температура оның шын температурасы болмай, оның жарықтылық температурасы - Т болады. Олүшінқылы көрінбей кететін пирометрдің түрі қолданылады.

Стефан-Больцман заңы арқылы абсолют қара денелердің температурасын, денелердің шығарған толық сәулелік энергиясын радиациялық пирометр деп аталатын прибормен өлшеуге болады. Температурасы белгглі абсолют қара денені пайдаланып,пирометр шкаласын градуирлейді де, онымен кез келген денелердің температурасын өлшейді. Егер дене абсолют қара болмаса, онда радиациялық пирометрмен өлшенген температура оның шын температурасы болмай, оның радиациялық температурасы Т_р болады. Сөйтіп бұл температура мынаған тең болады

Сонымен, дененің радиацияльщ температурасы - толық сәулелік энергиясы, осы дененің толық сәулелік. энергиясына тең абсолют қара дене температурасы болып шығады. Қаpa емес денелердің шын температурасы олардың радиациялық температурасынан жоғары болады.

Сөйтіп әр түрлі әдістерді пайдаланып, түс температурасын, Тр - радиациялық температураны және T_Ht- жарықтылық температурасын өлшеуге болады.