Musta keha kiirgus (0)

3 HALB

Sisukord

Must keha üldmõistena………………………………………….lk 1-3

Absoluutselt must keha………………………………………….lk 4-5

Absoluutselt musta keha mudel…………………………………lk 6

Musta keha kiirgus………………………………………………lk 7-8
Kasutatud materjalid: ENE, Internet > neti.ee
Mõiste must keha tähistab läbipaistmatut objekti, mis eraldab soojuskiirgust. Ideaalne must keha neelab kogu saabuva valguse ega peegelda seda. Toatemperatuuril oleks selline objekt ideaalselt must (siit ka mõiste must keha). Kuid kõrgemal temperatuuril hakkab ka must keha eraldama soojuskiirgust.
Õigupoolest eraldavad kõik objektid soojuskiirgust, kui nende temperatuur on suurem kui absoluutne null ehk -273,15 kraadi Celsiuse järgi, kuid ükski objekt ei kiirga soojust ideaalselt, vaid võtab vastu ja eraldab mõningaid valguse lainepikkusi paremini kui teisi. Selline ebaühtlus on muutnud valguse, soojuse ja aine koostoime uurimise tavaliste objektide näitel üsna keeruliseks.
Õnneks on võimalik luua peaaegu ideaalne must keha. Selleks tuleb võtta soojusjuhtivast materjalist, näiteks metallist kast. See peab olema igast küljest suletud, nii et väljast ei pääseks sise valgust. Kui nüüd teha kasti avaus, siis sellest väljuv valgus on peaaegu täpselt ideaalse musta keha valgus vastavalt kastis valitsevale temperatuurile.
20. sajandi algul uurisid sellise seadmega musta keha kiirgust teiste seas nii tuntud teadlased, nagu lord Rayleigh ja Max Planck . Pärast pikka vaevanägemist kirjeldas Planck lõpuks musta keha kiiratavat valgust lainepikkuse funktsioonina. Lisaks sellele selgitas ta, kuidas muutub spekter temperatuuri muutudes . Plancki töö musta keha kiirguse probleemi kallal oli üks aluseid imelise kvantmehaanika loomisel, mille lähem kirjeldamine paraku ei mahu käesoleva artikli raamidesse.
Planck ja teised avastasid , et kui musta keha temperatuur suureneb, kasvab sekundis kiiratava valguse hulk ning spektri lainepikkus muutub sinisemaks (vaata joonis 1).
Joonis 1
Nii muutub raud temperatuuri suurenedes oranžikas-punaseks ning edasisel kuumutamisel nihkub tema värv üha enam sinise ja valge suunas.
1893. aastal võttis saksa füüsik Wilhelm Wien musta keha temperatuuri ja lainepikkuse suhte kokku valemiga
kus T on temperatuur Kelvini järgi. Wieni seadus (kannab ka nimetust Wieni nihkeseadus) ütleb, et musta keha maksimaalse kiirguse lainepikkus on pöördvõrdeline selle temperatuuriga. Iseenesest on see ka loogiline: lühema lainepikkusega (suurema sagedusega) valgus vastab suurema energiaga footonitele, mille kiirgamist ju võibki oodata kõrgema temperatuuriga kehalt.
Nii on näiteks Päikese keskmine temperatuur 5800 K, mille maksimaalse kiirguse lainepikkus on:
See langeb nähtava valguse rohelisse ossa , kuid Päike kiirgab ka nii lühema kui pikema lainepikkusega footoneid kui lambda (max), mistõttu inimsilm näeb Päikese valgust kollakas-valgena.
1879. aastal näitas austria füüsik Josef Stefan , et musta keha helendus L on võrdeline selle temperatuuri T neljanda astmega.
kus A on pindala, alfa võrdelisuskonstant ja T temperatuur Kelvini järgi. See tähendab, et kui me temperatuuri kahekordistame (näiteks 1000 Kelvinilt 2000-le), suureneb musta keha kiirguse koguenergia 2^4 ehk 16 korda.
Viis aastat hiljem jõudis austria füüsik Ludwig Eduard Boltzmann sama valemini ning tänapäeval tuntaksegi seda Stefan-Boltzmanni valemina. Kui me võtame sfäärilise tähe raadiusega R, siis selle helendus on
kus R on tähe raadius sentimeetrites ja alfa Stefan-Boltzmanni konstant, mille väärtus on:
Absoluutselt must keha on selline idealiseeritud keha, mis neelab kogu talle pealelangeva valguse (st valgus üldse ei peegeldu sellise objekti pinnalt).
Kuigi ükski materjal ei käitu absoluutselt musta keha taoliselt, on võimalik implementeerida objekt, mille omadused on kuitahes lähedased absoluutselt musta keha omadele. Selliseks objektiks on tumedate (nt tahmatud) siseseintega õõnsus, mille seina on tehtud hästi väike avaus. Välisele vaatlejale tundub auk absoluutselt mustana, sest läbi avause õõnsusse sattunud valguskiir peegeldub mitmeid kordi õõnsuse siseseintel enne kui pääseb uuesti läbi avause välja ja seega neeldub praktiliselt täielikult ( muuseas , samal põhjusel näib toa sisemus päikesepaistelisel päeval kaugelt läbi avatud akna vaadatuna mustana). Kuna avaus on hästi väike, siis õõnsuse sisemuses olev kiirgus on praktiliselt tasakaalus seintega (mida hoitakse fikseeritud temperatuuril). Seega avaus kiirgab välja tasakaalulise spektriga kiirgust (nagu absoluutselt must keha).
Absoluutselt musta keha kiirguse spekter (ühikulise pindala kohta). Näidatud on ka nähtava spektraalpiirkonna piirid.
Absoluutselt musta keha kiirguse spekter (temperatuuril T) on antud Plancki kiirgusseadusega:
kus I on kiirguse intensiivsus (W) ühikulise pindala (m2) ja ühikulise lainepikkuse intervalli (nm) kohta, λ on lainepikkus, h on Plancki konstant, c on valguse kiirus vaakumis ja k on Boltzmanni konstant. Integreerides üle kõigi lainepikkuste, saadakse summaarne kiirguse võimsus:
Seda nimetatakse Stefan-Boltzmanni seaduseks (võrdeteguri väärtuseks tuleb , mida nimetatakse Stefan-Boltzmanni konstandiks). Seega kiirguse intensiivsus kasvab väga kiiresti temperatuuri tõustes. Kiirguse maksimum asub lainepikkusel, mis on arvutatav Wieni nihkeseadusega:
See näitab, et temperatuuri tõustes nihkub spektri maksimum lühemate lainepikkuste poole. Vastavalt muutub ka kiirguse värvitoon.
Reaalsed kehad emiteerivad kiirgust vähem kui sama temperatuuriga absoluutselt must keha, vastavat koefitsienti nimetatakse keha kiirgamisvõimeks ja tähistatakse . Seega . Vastavalt Kirchhoffi seadusele on see võrdne keha neelamisvõimega. Kui (ei sõltu lainepikkusest), nimetatakse keha halliks (neelab ühtemoodi igasugusel lainepikkusel).
Enamuse tahkete kehade ning kõrgele rõhule ja temperatuurile viidud gaaside soojuskiirgus on spektraalkoostiselt siiski üsna lähedane absoluutselt musta keha omale. See võimaldab kiirguse spektri järgi hinnata keha temperatuuri. Sellisel viisil määratud temperatuuri nimetatakse värvustemperatuuriks.
Absoluutselt musta keha mudel
Termodünaamilise tasakaalu korral on kinnises õõnsuses olev kiirguse intensiivsus konstatne,
väärtusega I kõikides suundades. Vastavalt Kirchhoffi seadusele (7) on see intensiivsus
võrdne absoluutselt musta keha kiirgusega (kiirgusvõimega):
I = em (8)
musta keha pinnaühikult ajaühikus lähtuv kiirgus
Kui termodünaamilises tasakaalus oleva õõnsuse seina sisse teha ava, mis on piisavalt väike,
et soojustasakaalu märgatavalt mitte muuta, siis hakkab see ava kiirgama nagu absoluutselt
must keha. Seega ava ühtlaselt kuumutatud õõnsuse seinas on hea absoluutselt
musta keha mudel.
avast väljub kiirgus I
Joon. 8. 3. Absoluutselt musta
keha mudel.
Kui selline ava kiirgab nagu must keha, siis ta ka neelab kogu temale langeva valguse.
Väljast läbi ava õõnsusesse tungiv valguskiir peegeldub korduvalt õõnsuse seintelt . Iga
peegeldusega osa energiast neeldub seintes, mistõttu avast õõnsusse sisenenud kiirgus
neelatakse täielikult.
Demo3: Absoluutselt musta keha mudel:
1) kiirgajana - hõõguva keha õõnsus on heledam,
2) neelajana - ava pappkarbis on tumedam nõgisest pinnast.

Musta keha kiirgus

Iga must keha (füüsikaline idealisatsioon kiirgavast objektist) saadab välja elektromagnetilist kiirgust teatavas lainepikkuste vahemikus. Kiiratav energia ja kiirgusspektri maksimum sõltuvad keha absoluutsest temperatuurist. Kiirgava keha temperatuuri tõustes suureneb keha poolt kiiratud koguenergia proportionaalselt keha absoluutse temperatuuri neljanda astmega. Keha poolt kiiratavat energiat [W m-2] iseloomustab Stefan-Boltzmanni seadus:.
Musta keha pinnatemperatuur ja kiiratav lainepikkus on pöördvõrdelises sõltuvuses, st. nende korrutis on konstantne suurus. Wieni asendusseaduse kohaselt saab kiirgusspektri maksimumile vastava lainepikkuse (meetrites) leida, kui on teada keha absoluutne temperatuur T:
Joonisel on toodud näited erineva pinnatemperatuuriga kehade kiirgusspektritest. Telgedel on näidatud elektromagnetilise kiirguse lainepikkus ja kiirguse võimsustihedus. On näha, et kehad saadavad välja elektromagnetilist kiirgust üsna laias lainepikkuste vahemikus. Absoluutse temperatuuri kahanedes kahaneb kiiratav koguvõimsus (graafiku alune pindala) ning kiirgusspektri maksimumi asukoht nihkub paremale, näidates kiirguse lainepikkuse suurenemist .

Maale jõuab päikese lühilaineline kiirgus, mille spektris on maksimaalne kiirgustihedus lainepikkuse umbes 500 nm juures, mis vastab Päikese keskmisele pinnatemperatuurile ca 5800  K. Päikese kiirgusspektri maksimumi ümbruses asub nähtava valguse piirkond lainepikkustega 400 – 700 nm. Nähtavast val

Lühilainelise kiirgusena langenud energia neeldub maakera pinnakihtides ja atmosfääris ja peegeldub osaliselt tagasi. Maakera ise kiirgab tagasi maailmaruumi pikalainelist infrapunast kiirgust vastavalt oma efektiivsele pinnatemperatuurile.

.DOC Laadi alla originaalfail 9 lk · .doc · 52 allalaadimist

5 punkti Autor soovib selle materjali allalaadimise eest saada 5 punkti.

~ 9 lehte Lehekülgede arv dokumendis

2008-03-27 Kuupäev, millal dokument üles laeti

52 laadimist Kokku alla laetud

0 arvamust Teiste kasutajate poolt lisatud kommentaarid

veriko Õppematerjali autor

referaat. Plancki kiirgusseadus

Sarnased õppematerjalid

docx

Soojuskiirguse olemus

Soojuskiirguse olemus (mis liiki kiirgus). Soojuskiirgus kujutab endast infrapuna kiirgust. Soojuskiirgusega seotud suurused (integraalne ja diferentsiaalne kiirgusvõime, neeldumisvõime), nende mõõtühikute nimetused SI-s. 1. Integraalne kiirgusvõime ehk energeetiline valgsus ehk võime kiirata energiat. R = E/S*t = 1J/m^2*s = 1W/m^2 - R-integraalne kiirgusvõime, E-keha poolt kiiratav koguenergia, S-kiirgava keha pindala, t-kiirgamise aeg. 2. Diferentsiaalne kiirgusvõime näitab keha pinna ühikult ajalise ühiku jooksul ühikulises lainepikkuste vahemikus kiiratud energiat nullile lähenevas lainepikkuste vahemikus. r = E/S*t* = 1J/m^2*s*m - r-diferentsiaalne kiirgusvõime, E-keha poolt kiiratav koguenergia, S-kiirgava keha pindala, t-kiirgamise aeg, -lainepikkuste vahemik. 3. Neeldumisvõime.

Füüsika

doc

Kiired ja spektrid

Soojuskiirguseks nimetatakse sellist kiirgust, mida keha emiteerib ainuüksi soojusenergia arvel. See on ka üks soojusülekande vormidest (lisaks soojusjuhtivusele ja konvektsioonile). soojuskiirguse intensiivsus ja spekter keha temperatuurist. Madalatel temperatuuridel (mõnisada kraadi) on hõõgumine vaevumärgatav ja on punaka tooniga. Temperatuuri tõstmisel soojuskiirguse intensiivsus kasvab ja kiirgav keha omandab alguses kollaka (hõõglamp, 3000°), seejärel valge (Päike, 6000°) ja lõpuks sinaka tooni (alates ca 8000°). Küll aga järeldub üldistest termodünaamilistest kaalutlustest, et iga keha peab alluma Kirchhoffi seadusele: termilise tasakaalu tingimustes on keha kiirgamisvõime ja neelamisvõime võrdsed (igal lainepikkusel). Absoluutselt musta keha kiirgamis- ja neelamisvõime on mõlemad võrdsed ühega.

Füüsika

doc

Soojuskiirgus

T1 > T2 > T3 Soojuskiirgus Kõik kehad, mille temperatuur on üle 0C K, R kiirgavad soojus kiirgust kõikidel lainepikkustel. Mida suurem on keha temp, seda suurem on kiirguse võimsus. Kiiratava energia jaotus sõltub temperatuurist. Mida kõrgem on temperatuur seda lühematele Lainepikkus lainepikkustele nihkub el.mag. laine kiirguse jaotuse maksimum Iseloomustavad suurused: 1). Energeetiline valgsus, e integraalne kiirgusvõime Keha pinnaphikult ajaühiku jooksul kiiratud energia. Keha pinnaühikult kiiratud võimsus. E P

Füüsika

doc

Valgusallikad, kiirgus

R Kõik kehad, mille temperatuur on üle 0C K, kiirgavad soojus kiirgust kõikidel lainepikkustel. Mida suurem on keha temp, seda suurem on kiirguse võimsus. Kiiratava energia jaotus sõltub temperatuurist. Mida kõrgem on temperatuur seda lühematele lainepikkustele nihkub el.mag. laine kiirguse jaotuse maksimum Iseloomustavad suurused: 1). Energeetiline valgsus, e integraalne kiirgusvõime Keha pinnaphikult ajaühiku jooksul kiiratud energia. Keha pinnaühikult kiiratud võimsus. E Kiiratud energia; t ajaühik; S pindalaühik; P - võimsus

Füüsika

doc

Füüsika mõisted

1) Tasakaalu tingimused Keha on tasakaalus siis, kui a) temale mõjuvate jõudude summa on null, b) temale mõjuvate jõumomentide summa on null. 2. Newtoni 1 seadus. Iga keha seisab paigal või liigub ühtlaselt sirgjooneliselt kui talle ei mõju teised kehad või kui nende kehade mõjud kompenseeruvad. 3.Newtoni 2 seadus Keha kiirendus on võrdeline talle mõjuva jõuga ning pöördvõrdeline keha massiga. 4.Newtoni 3 seadus Kaks keha mõjutavad teineteist alati jõududega, mis on suuruseliselt võrdelised ja vastassuunalised. 5 .Töö Töö on keha liikumisoleku muutumise mõõt, mis on võrdne keha poolt läbitud tee pikkusega ning kehale mõjuva jõu liikumissuunalise komponendi korrurisega. Töö ühikuks on dZaul 6. Võimsus, kasutegus? Võimsus on keha töövõimet iseloomustav suurus, mis on võrdne ajaühiku kohta tehtava tööga. Võimsuse ühik W

Füüsika

doc

Soojus- ja massilevi I vastused

Soojus ja massilevi I 1. Soojuse leviku viisid ja nende lühiiseloomustus. Soojusjuhtivus keha sisene või kehadevaheline soojuse levik. Mis on tingitud erinevatest temperatuuridest keha eri osades või kehade erinevast temperatuurist. Konvektsioon gaasi või vedelas keskkonnas. Näit. külma ja kuuma gaasi segunemine tiheduste erinevuse tõttu. Soe gaas/vedelik on hõredam ja tõuseb üles, kus jahtub ja vajub alla. Soojuskiirgus soojuse levik kiirguse abil. Segajuhtivus olemas nii konvektiivne kui kiirguslik soojusjuhtivus. 2.Soojuse, massi ja liikumishulga (impulsi) ülekande sarnasus.

Soojusfüüsika

docx

Maateaduste alused II 1. kontrolltöö

nende koosluste dunaamikat loodusgeograafilistes kompleksides e. maastikes ekliptika tasapind- ümber päikese tiirleva maa orbiidi tasand afeel- Päikesest kaugeim punkt 4.juuli periheel- Päikesele lähim punkt 3.jaanuar geoid- Maa toeline kuju e Maa gravitatsioonivälja ekvipotentsiaalne pind, mis ühtib merede ja ookeanide häirimatu veepinna selle mottelise pikendusega mandritel poordellipsoid- ruumiline keha, mis saadakse ellipsi poorlemisel ümber oma lühema telje Maa lapikuse väljendamise valem- f=(a-b)/a a-pikem pooltelg,b-lühem pooltelg Triangulatsiooni printsiip maamootmisel- Meridiaan- Paralleelidega ristuvad ellipsoidi pinnal muutumatu geograafilise pikkusega jooned Ekvaator- Suurima raadiusega paralleel Meremiil- vastab keskmiselt ühele meridiaankaare minutile. On kokku lepitud, et rahvusvahelise meremiili pikkus on täpselt 1852 m

Maateadused

pdf

Keskkonnafüüsika kordamisküsimuste vastused

Päikesesüsteemi välisosadesse. Päikesesüsteemi ja teiste kosmiliste objektide päritoluga tegeleb kosmogoonia. o 3. Päikesesüsteemi planeedid. Planeetide liigitus. Planeet on suure massiga taevakeha, mis tiirleb ümber tähe ega tooda termotuumasünteesi abil energiat. Rahvusvahelise Astronoomiauniooni definitsiooni järgi 24. augustist 2006 nimetatakse Päikesesüsteemi planeediks taevakeha, mis 1. tiirleb ümber Päikese, 2. on piisava massiga, et ületada jäiga keha jõud ning hoida hüdrostaatiliselt tasakaalulist (keralähedast) kuju 3. ning on oma gravitatsiooniga tõmmanud oma pinnale väiksemad kehad oma orbiidi ümbruses (on "puhastanud oma ümbruse"). Kui täidetud on ainult kaks esimest tingimust, ei ole tegemist planeediga, vaid kääbusplaneediga. Nii on ka varem planeediks peetud Pluuto kääbusplaneet, sest tema ümbruses on Kuiperi vöö. Hiljaaegu oli teada üksnes üheksa planeeti, kõik meie oma Päikesesüsteemis

Keskkonnafüüsika

Rohkem sarnaseid