Жылулық сәуле шығару

                                         Мазмұны

 

Кіріспе ...................................................................................................3

I. Жылулық сәуле шығару

     1.1 Жылулық сәуле шығарудың негізгі заңдары ...........................4

     1.2 Рэлей-Джинс  және Планк формулалары ................................14

     1.3 Қара емес  денелердің сәуле шығаруы ....................................23

II. Экспериметтік бөлім

     2.1 Жарық көздері ..........................................................................24

     2.2 Оптикалық  пирометрия ............................................................25

     2.3 Жылулық сәулелену заңдарының сандық сипаттамалары......28

III. Қорытынды .....................................................................................30

Пайдаланған әдебиеттер ......................................................................31

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                   Кіріспе

     Электромагниттік сәуленің  (жарықтың) кванттық табиғаты

     Жарықтың электромагниттік теориясы, электрндық теорияның жарық пен заттың әсерлесуі жайындағы көріністерімен толықтырылғаннан кейін 19ғ. аяғына таман  ескі толқындық теория үшін шешілместей болған көптеген проблемалардың аса оңай әрі айқындылықпен шешілуіне мүмкіндік туғызды. Электромагниттік теорияның өте әралуан физикалық есептерді шешуге қолдану нәтижелері жаңа толқындық оптиканың шексіз мүмкіндіктерінің көрінісі сияқты болып көрінеді.

     Бұл курстық  жұмыстың мақсаты- жылулық сәулелену  заңдарын толық меңгеру,абсолют  қара дененің сәуле жұтқыштық  және шығарғыштық қасиеттерін  түсіндіру.

      Дәл осы уақытта электромагнитттік теория шеңберінде шешімін табу мүмкін болмаған есептер пайда болды. Мәселен, қыздырылған денелер шығаратын жарықтың спектрлік үлестіруін сандық бейнелеуне істелген барлық әрекеттер сәтсіз аяқталды. Классикалық физика тұрғысынан мінсіз қорытылып шығарылған Релей-Джинс формуласы тәжірибе деректеріне қайшы болды және физикалық әбес нәтижеге алып келді. Проблеманың шешімін 1900ж.  аяғында Планк осциллятор энергиясының квантталуы жайындағы классикалық физика принциптерімен үйлеспейтін жорамал енгізіп тапты. Бұл жорамал классикалық көріністердің жетімсіздігін айқын көрсетіп берді және кванттық физиканың жасалуымен аяқталған ескі ұғымдардың революциялық күйреу процесіне қозғау салды.

     Бұл курстық  жұмыстың мазмұны: қарастырылатын  материалдың физикалық мағынасын  терең түсінуге мүмкіндік беретін  көрнекті келтірілген суреттермен, графиктермен және абсолют қара  дененің сәуле шығару құбылысын  теориялық жағынан дәлелдейтін  формулалармен баяндалған.

 

 

                                   

 

                                   Жылулық сәуле шығару

          1.1 Жылулық сәуле шығару және оның негізгі заңдары

     Негізгі тәжірибелік деректер. Жылулық сәуле шығаруды зерттеу әдістері. Қатты қыздырылған денелердің жарық шығара бастайтыны  белгілі. Дене температурасын өсіргенде жарқыраудың жарықтылығы артады, ал оның түсі қызылдан аққа дейін өзгереді. Осындай заңдылықтары, мысалы электр плитасы спиралының немесе қыздыру лампасы қылсымының қыздырылуын байқап көруге болады.

     Жылулық шығарылған  сәулеге тән белгі оның кең  тұтас спектрі болады.

     1-суретте қыздырылған  денелердің шығарған сәулесінің  спектрлері көрсетілген(Люммер және  Принсгейм 1899 ж. өлшенген).                                                         Графиктерден сәуле шығаратын дененің  температурасын өсіргенде жылулық сәуле шығарылған дененің толық қуатының өсетіндігі және спектрлік тығыздық максимумының спектрдің қысқа толқынды аймағына ығысытындығы көрінеді. 19-20 ғасырлар аралығында физика алдына жылулық сәуле шығару спектрін қалай түсіндіруге болады деген мәселе қойылды. Осы проблемаларды зерттеу кванттық көріністердің пайда болуына алып келгендігі белгілі.                                                 1.1-сурет                                                  

    Жылулық  сәуле шығару және оның сипаттамалары.  Электромагниттік сәуле шығарудың табиғатта ең көп тараған түрі жылулық сәуле шығару болып табылады. Жылулық сәуле заттың ішкі энергиясы есебінен шығарылады, сондықтан да ол температурасы 0 К-нен өзгеше кез-келген температурадағы барлық денелерге тән.

      Жылулық  сәуле шығару дененің ішкі  энергиясының кемуіне, демек, дене  температурасының төмендеуін, сууын  туғызады. Энергияның ұзақ уақыт  бойы шығарылу мүмкіндігін қамтамасыз  ету үшін, оның шығынының орнын  толтырып отыру қажет.Бірақ сәуле  шығарумен қатар дененің өзі  басқа денелер шығарған энергияның  бір бөлігін жұтады. Энерияның  жұтылуы дененің ішкі энергиясының  өсуін, демек, температураның жоғарылауын  туғызады. Денелердің энергияны  тұрақты түрде шығаруы және  жұтуы оңашаланған термодинамикалық  жүйеде ақыр аяғында белгілі  бір температураның орнығуына  алып келеді; осы температура  жағдайында дене шығарғанда энергияның  кемуі, жұтқанда оның өсуімен теңгеріледі, шығарылатын және жұтылатын энергия спектрі уақытша байланысты өзгеріссіз қалады. Сәуле шығарудың осы түрі тепе-теңдік сәуле шығару деп аталады.   Термодинамикалық жүйенің уақыт өткенде параметрлері өзгермейтін күйі термодинамикалық тепе-теңдік күй деп аталады. Термодинамикалық тепе-теңдікте тұрған жүйе үшін мына қасиеттер  тән: жылулық сәуле шығару үшін оңашаланған жүйенің термодинамикалық тепе-теңдік күйі белгілі уақыт өтісімен орнығады;егер жүйе термодинамикалық тепе-теңдіке жетсе және сыртқы жағдайлар өзгермейтін болса, онда жүйе өзі өз бетінше осы күйден шыға алмайды. Сәуле шығарудың басқа барлық түрлері (бұларды люминесценция деп жалпы ортақ атпен біріктіреді) мұндай қасиетке ие емес. Мысалы, хемилюминесцияда сәуле шығару  химиялық түрленулерде бөлінетін энергия есебінен пайда болады. Хемилюминесция жағдайында сәуле шығару процесі химиялық реакция жүріп біткен уақытқа дейін ғана созылады. Жылулық тепе-теңдік химиялық процесс онымен бірге хемилюминесция біткеннен кейін ғана орнайды. Дәл осы жағдай электро-, фото-, және катодлюминесценция жағдайларында да орын алады. Сонымен сәуле шығарудың барлық түрлері ішінен тек жылулық сәуле шығару ғана тепе-теңдікте бола алады. Жылулық сәуле шығару дененің температурасына тәуелді, өйткені ол атомдар мен молекулалардың бейберекет жылулық қозғалысының салдары болып табылады.

     Денелердің  сәуле шығарғыштық және жұтқыштық  қабілеті.Әр түрлі денелер жарықты әр түрлі жұтады. Қара денелер жарықты күшті жұтады, ақ денелер нашар жұтады. Бұған дәлел ретінде көптеген мысал келтіруге болады. Мысалы күн сәулесіне қойылған бөшкедегі су егер бөшке қара түске боялған болса, онда тезірек жылиды.

     Дененің сәуле  жұтқыштық қабілетін сандық сипаттау  үшін мына шаманы енгіземіз:

                 α=                                                                                            (1.1)

Мұндағы - денеге түсетін жарық энергиясы. α шамасын дененің жұту қабілеттігі деп айтамыз.Жұту қабілеттігін тәжірибе жүзінде дененің қыздырылуы бойынша есептеуге болады.     

     Мөлдір емес  денелер үшін жұтылған және  шағылған жарық энергияларының  қосындысы  түскен жарық энергиясы  ағынына тең:

+,                                                                                        

Сондықтан өлшемділіксіз α шамасы мына аралықта жатады: 0≤α≤1. Шексіз жағдайларды былай атауға болады: α=0-«ақ дене»,α=1-«қара дене».

     Тәжіридеден  бір дененің жұту қабілеттілігі  дене температурасы өзгергенде  және оған түсетін ν= жарық жиілігі өзгергенде өзгеретіндігі көрінеді. Демек, әрбір денені α= α(ω,Т) қайсыбір функциямен сипаттауға болады. Әрине, әр түрлі денелерде осы функциялар тіптен әр түрлі болады.

      Жарықтың шығарылуы.Қандай да бір қыздырылған денені, мысалы, қыздыру лампасының қатты қыздырылған қылсымын қарастырайық. Дене бетінің ауданы ds элементін бөліп алып беттің осы бөлігінің жиіліктердің ω-ден ω+dω-ге дейінгі аралығында шығаратын сәуле қуатын d  арқылы белгілейік.

      d   шамасы   ds және dω шамаларына пропорционал болатындығы түсінікті. Сондықтан мына өрнекті жазуға болады:

       d =rdωds                                                                                          (1.2)

      Осы формуладағы  пропорционалдық r коэффициенті дененің  сәуле шығарғыштық қабілеті деп айтамыз. Сәуле шығарғыштық қабілеттілікте сәуле жұтқыштық қабілеттілік сияқты дененің Т температурасынан және ω жарықтың жиілігіне тәуелді, яғни r=r(ω,T).

                                             Киргоф заңы

      Тепе-теңдік жылулық сәуле шығару.Т температураға дейін қыздырылған ішіне қуыс істелген дене бар болсын.(1.2-сурет). Қуыстың қабырғалары жылулық сәуле шығаратындықтан, қуыс осы сәулемен толтырылған болады.                                                                                                                                                                                Дене температурасы тұрақты етіп ұсталатын  стационарлық жағдайларда қуыс қабырғалады   мен оның ішіндегі сәуле арасында жылулық тепе-теңдік орнайды.                                                       

                                                                                                1.2-сурет                                                                                                                                                             Осы жағдайда қуыстағы жылулық сәуле тепе-теңдік сәуле деп аталады.                                                                                      Қуысты сыртқы кеңістікпен қосатын кішкене тесік істеп тепе-теңдік жылулық сәулені зерттеуге болады. Осы тесік арқылы тепе-теңдік жылулық сәуле қуыстан сыртқа шығатын болады және оның сипаттамаларын өлшеуге болады.                                                                   1.2-сурет

     Кирхгоф заңы. 1859ж. неміс физигі Г. Кирхгофтың ашқан заңына сәйкес тепе-теңдік күйде сәуле шығарғыштық қабілеттіліктің сәуле жұтқыштық қабілеттілікке қатынасы дене табиғатына тәуелді емес:                                                   

= f(ωT,)                                                                                                   (1.3)

     Мұнда f(ωT,)- барлық денелер үшін бірдей жарық жиілігі мен дене температурасының әмбебеп функциясыдеп аталады. Осы  атаудың мағынасы қара дененің анықтамасынан түсінікті, осындай анықтамаға сәйкес осы дене үшін α f(ωT,)=1, демек,= f(ωT,). Алғашында Кирхгоф осы заңды термодинамика түсініктерін пайдаланып теориялық қорытып шықты. Кейіннен осы заң расталып шықты.

     Киргоф заңын  растайтын теориялық ой-пікірлерді  қарастырайық. Тепе-теңдік жылулық  сәулемен толтырылған қуыс ішінде  қандай да бір дене бар деп  ұйғарайық. Сірә, жылулық тепе-теңдік  күйдегі дененің жұтатын сәуле  қуаты оның шығаратын сәуле  қуатына тең:

  d  = d                                                                                                (1.4)

өйткені бұлай болмаған жағдайда дене қыздырылы немесе салқындай бастар еді. Дененің сәуле шығарғыштық немесежұтқыштық қабілеттіліктерінің анықтамаларын пайдаланып, мынаны жазамыз:

  d  = αd,                                                                                               (1.5)

d=rdwds,                                                                                                    (1.6)

мұндағы r- сәуле шығарғыштық қабілеттілік, α- сәуле жұтқыштық қабілеттілік,-дене бетінің ds элементіне түсетін ω-ден ω+dω-ге дейінгі спектрлік аралығындағы жиілігі бар сәуле қуаты.Осы d  = d- d=rdωds өрнектерінен мына өрнек шығады:

rdωds.                                                                                               (1.7)

     Енді біздің  сыншы денені мөлшері мен пішіні  дәл осындай басқа денемен  алмастырайық. Жылулық сәуле шығару  сипаттамалары өзгеріссіз қалатындықтан  (1.4)-(1.7) формулалары, α және r коэффициенттерінің енді басқа мәндері болғандығына қарамастан, күшіне қалады. Сонымен  (1.7) формуладағы r және α-дан басқа барлық шамалар инвариант. Бірақ сонда қытынасы да инвариант болуы тиіс, бұл Кирхгоф заңының мазмұнын анықтайды.

      Тепе-теңдік жылулық сәуле шығарудың спектрлік тығыздығы. Тепе-теңдік жылулық сәуле  ρ(ω,Т) спектрлік тығыздықпен сипатталады; ол кеңістіктің бірлік көлеміне және ω  жиілік маңындағы  ені dω жиіліктердің шексіз кіші аралығына келетін Т температурада шығарылатын тепе-теңдік сәуле энергиясы ретінде қарастырылады. V көлемдегі және жиіліктердің      ω-ден ω+dω-ге дейінгі жиіліктер аралығындағы жылулық сәуле шығару энергисы мынаған тең:

    dω=V(ω,T)dω.                                                                                           (1.8)

dω шамасы Дж-мен өлшенеді. (1.8) формуланы  ρ(ω,Т) функциясының анықтамасы ретінде қарастыруға болады.

     ρ(ω,Т) функция  қара дене шығаратын сәуленің  спектрлік тығыздығы деп атайды, өйткені ол функция қара дененің  сәуле шығарғыштық қабілеттілігі мағынасына ие Кирхгофтың әмбебап f(ω,Т) функциясымен бірмәнді байланысқан.

      Люммер  және Присгейм тепе-теңдік жылулық  сәуле шығарудың спектрлік тығыздығын  экспериментік зерттеді. Осы зерттеуледің  нәтижелері 1-суретте көрсетілген

 

                                      Абсолют қара дене

Температуралық жарық теориясы үшін абсолют қара дененің сәуле шығарғыштық қабілетін білудің мәні зор, өйткені сол арқылы қара емес денелердің сәуле шығарғыштығын іздестіруге болады. Ол үшін әрине функциясын білу де қажет. Бұл функцияларды табу мәселесін қарастырудан бұрын абсолют қара денеге біраз тоқталған жөн болады.Табиғатта толқын ұзындығы қандай екеніне қарамай барлық сәулелерді түгел жұтатын абсолют қара дене кездеспейді. Қара дене деп саналатын нақты денелер тек көрінетін сәулелерді ғана жақсы жұтады, соның өзінде де оларды толық жұтпайды. Мысалы, қара күйе көрінетін жарықтың 0,99 үлесін ғана жұтады, инфрақызыл жарықты нашар жұтады. Алайда абсллют қара дене рөлін атқара алатын денені қолдан жасауға болады, мысалы кішкене тесігі бар үлкен қуыс дене абсолют қара дене орнына жүре алады. Осындай қуыстың (1.3-сурет) ішіне ілінген сәуле қайтып сыртқа шыққанша оның қабырғасының ішкі бетінен сан рет шағылады, әр жолы түскен жарықтық өте аз үлесі ғана кері карай серпіледі. Іс жүзінде бұл қуыс енген жарықты толығынан жұтады. Сөйтіп қуыс дененің кішкене тесігі абсолют қара дене қызметін атқарады. Осы айтылғанға негіздеп қасиеттері жағынан абсолют қара денеге ұқсас сәулелік энергия көзін жасауға болады.