Қара дене радиациясы: Анықтама және өзгөчөліктері мен қолданылуы
Қара дене - бұл идеалды объект, ол өзіне түсіп келген барлық электромагнитті жарықты қабылдап, температурасына байланысты негізгі спектрмен жарықты айналдыратын объект. Қара дененің жарығы - бұл термодинамикалық теңсіздікте болған қара дененің термиялық жарығы. Қара дененің жарығы физикада, астрономияда, инженерияда және басқа салаларда көптеген қолданысы бар.
Қара дене не?
Қара дене - бұл теоретикалық концепция, ол идеалды жарықты қабылдау және айналдырушы объект ретінде қарастырылады.
Нақты ешқандай объект қара дененің перфектті версиясы емес, бірақ белгілі бір шарттарда қандайда бір объекттер қара дененің қасиеттеріне жуық болуы мүмкін. Мысалы, қысқа дыраға қойылған камераның ішіндегі жарық қара дененің қасиеттеріне ие болады, себебі дырадан ірілетін жарық камера ішінде көптеген рет көрінетін нәтижеде камера стеныне қабылданады. Дыраның айналдыратын жарығы қара дененің қасиеттеріне ие болады.
Қара дене жарықты қайта жіберме және өткізбе, ол тек қабылдайды және айналдырады. Сондықтан, қара дене соғысқа қарай қара түсті көрсетеді, себебі ол көрінетін жарықты айналдырмайды. Бірақ қара дененің температурасы артқан сайын, ол көбірек жарықты айналдырады және спектрі қысқа доғаларға қалпына келеді. Жоғары температураларда қара дене көрінетін жарықты айналдыра алатын және қызыл, алтын, жел, ақ немесе көк түстерін көрсетуі мүмкін.
Қара дененің жарығының қасиеттері
Қара дененің жарығының спектрі үзіліссіз болып, қара дененің температурасына байланысты. Спектрді екі маңызды заңмен сипаттауға болады: Вьеннің орналасу заңы және Стефан-Больцман заңы.
Вьеннің орналасу заңы
Вьеннің орналасу заңы қара дененің максималды интенсивтігінің доғасы оның температурасына кері пропорционал болатынын білдіреді. Математикалық түрде, бұл төмендегідей өрнектеледі:
мұнда λmax - пиктік доға, T - қара дененің абсолютты температурасы, b - Вьеннің орналасу тұрақтысы, оның мәні 2.898×10−3 м К.
Вьеннің орналасу заңы қара дененің температурасына байланысты түсін өзгеруін түсіндіреді.
Температура өсуімен пиктік доға қысқарай, спектр қысқа доғаларға қалпына келеді. Мысалы, комната температурасында (болжамымен 300 К), қара дене өзінің максималды интенсивтігін 10 μм доғада айналдырады. 1000 К температурасында қара дене өзінің максималды интенсивтігін 3 μм доғада айналдырады. 6000 К температурасында қара дене өзінің максималды интенсивтігін 0.5 μм доғада айналдырады.
Стефан-Больцман заңы
Стефан-Больцман заңы қара дененің біріктірілген ауданына есептелген жалпы энергия оның абсолютты температурасының төртінші дәрежесіне пропорционал болатынын білдіреді.
Математикалық түрде, бұл төмендегідей өрнектеледі:
мұнда Me - біріктірілген ауданына есептелген жалпы энергия (емиссиялық энергия немесе радиантты шығу деп да аталады), T - қара дененің абсолютты температурасы, σ - Стефан-Больцман тұрақтысы, оның мәні 5.670×10−8 Вт м$^{-2}K^{-4}$.
Стефан-Больцман заңы қара дененің температура өсімімен жарықты айналдыруын түсіндіреді. Мысалы, қара дененің температурасы екі есе артық болса, оның емиссиялық энергиясы он шеш есе артық болады.
Қара дененің жарығының қолданылуы
Қара дененің жарығы ғылым мен технологияның арнайы салаларында көптеген қолданысы бар. Мысалдар:
Астрономияда, жұлдыздар қара дененің қасиеттеріне жуық болып, олардың температурасы Вьеннің орналасу заңын пайдаланып спектрлері арқылы бағалануы мүмкін.
Мысалы, Күн 5800 К деңгейіндегі температураға ие және 0.5 μм доғада өзінің максималды интенсивтігін айналдыратын көрінетін жарықты айналдырады.
Инженерияда, термиялық суреттерді қолдану үшін инфракызыл камералары Стефан-Больцман заңын қолданып, объекттердің температурасына байланысты жарықты анықтау үшін қолданылады.
Термиялық суреттерді қауіпсіздік, көзқару, өрт сөндіру, медициналық диагностика және басқа қызметтер үшін қолдануға болады.
Физикада, қара дененің жарығы 20-ші гасырдың басында кванттық теорияның қалыптасуына әкелген феномендерден бірі болды.
Классикалық физика қара дененің жарығының спектрі Рэлей-Джинс заңына жоғары доғаларда қарама-каршы келіп, "ультрафиолетті катастрофа" деп аталатын шексіз энергиясын түсіндіре алмады. Макс Планк энергияның дискретті берілгенін, фотон деп аталатын дискретті бірліктерде берілгенін ұсынды. Планк заңы кванттық теория арқылы қара дененің жарығының спектрін сипаттайды.
