19000

Черное излучение

Лекция

Физика

Лекция XIII 1. Черное излучение. Черным излучением называется электромагнитное излучение находящееся в равновесии с веществом. Поскольку электромагнитное излучение состоит из фотонов то черное излучение – это равновесный идеальный бозегаз: фотоны практически не взаи...

Русский

2013-07-11

238.5 KB

3 чел.

Лекция XIII

1. Черное излучение.

Черным излучением называется электромагнитное излучение, находящееся в равновесии с веществом. Поскольку электромагнитное излучение состоит из фотонов, то черное излучение – это равновесный идеальный бозе-газ: фотоны практически не взаимодействуют друг с другом (сечение взаимодействия , где  - постоянная тонкой структуры) и являются бозонами (говорят, что спин фотона равен 1, но это не вполне точно, так как нет ни одной системы отсчета, в которой бы фотон покоился).

Равновесие фотонов с веществом устанавливается за счет их поглощения и испускания. Поэтому число частиц не фиксировано и при расчетах необходимо использовать большое каноническое распределение. Среднее число частиц при фиксированных температуре и объеме определяется из условия минимума свободной энергии , см. (V.2.14). Поэтому

  ,                                                       (XIII.1.1)

т.е. химический потенциал фотонов равен нулю. Этот вывод не меняется, если считать фиксированным не объем, а давление. В этом случае

   ,                                                       (XIII.1.2)

где  - термодинамический потенциал Гиббса.

Числа заполнения  характеризуются квантовыми числами

  ,                                                     (XIII.1.3)

Здесь волновой вектор светового кванта (фотона), а индекс  отличает два независимых состояния поляризации. Энергия каждого фотона равна

                                                 (XIII.1.4)

Среднее число фотонов в  - ом квантовом состоянии определяется распределением Бозе-Эйнштейна (IX.3.5) с химическим потенциалом

                            (XIII.1.5)

Это выражение называется распределением Планка.

При вычислении среднего числа фотонов согласно (IX.3.6), нужно сумму по квантовым состояниям заменить интегралом по фазовому пространству.

                                   (XIII.1.6)

Здесь учтено, что , в соответствии с двумя возможными поляризациями. Поэтому среднее число фотонов, приходящихся на спектральный интервал  равно

                                                  (XIII.1.7)

Спектральная плотность энергии

                       (XIII.1.8)

называется формулой Планка, см рис. XIII.1.

 

     Рис. XIII.1.

Положение максимума этого распределения определяется из трансцендентного уравнения

и равно

                                                              (XIII.1.9)

(закон смещения Вина).

При низких частотах распределение Планка переходит в формулу Рэлея-Джинса,

,                                           (XIII.1.10)

которая эквивалентна закону равнораспределения: на каждую колебательную степень свободы приходится две половинки  в средней энергии. Использование этой формулы при высоких частотах приводит к “ультрафиолетовой катастрофе”.

При высоких частотах распределение Планка дает формулу Вина:

                                       (XIII.1.11)

которая снимает противоречие. В 1911 году Вильгельм Вин (1864-1928) получил Нобелевскую премию “За открытие законов теплового излучения”, еще до присуждения в 1918 году Нобелевской премии Максу Планку “За открытие кванта энергии”.

2. Термодинамические функции черного излучения.

Вычисление термодинамических функций равновесного излучения упрощается из-за равенства нулю химического потенциала. Поскольку

,                                                 (XIII.2.1)

то согласно (IX.3.7) и (XIII.1.6) имеем

                     (XIII.2.2)

Сравнение этого равенства с формулой (XIII.1.8) дает

                                                                (XIII.2.3)

Это соотношение, справедливое для ультрарелятивистского газа, было использовано ранее при получении закона Больцмана (см. Лекцию VI).

 Фигурирующий в (XIII.2.2) интеграл, согласно (XII.1.3) равен

                                       (XIII.2.4)

(здесь число Бернулли ). Закон Больцмана представляют в виде

                            (XIII.2.5)

Отсюда с учетом (XIII.2.2) для свободной энергии получаем

                                                          (XIII.2.6)

а для энтропии имеем

                                                (XIII.2.7)

Теплоемкость

                                                         (XIII.2.8)

пропорциональна  во всем диапазоне температур, а не только при , поскольку закон дисперсии линеен при всех импульсах.

Вычислим поток электромагнитной энергии  с единицы поверхности в единицу времени, см рис. XIII.2.

     

Рис. XIII.2.

Подставляя сюда выражение (XIII.2.5) для полной интенсивности испускания черного тела получаем

                                                                    (XIII.2.9)

В частности для светимости Солнца формула (XIII.2.9) дает значение

    (XIII.2.10)

Измеренное значение светимости Солнца . Таким образом, на каждый квадратный сантиметр земной поверхности при нормальном падении солнечных лучей попадает

.

Здесь  – радиус Солнца,     –  астрономическая единица длины (расстояние от Солнца до Земли).

3. Реликтовое излучение.

Плотность среднего числа фотонов в соответствии с распределением (XIII.1.7) равна

,                               (XIII.3.1)

где учтено значение дзета-функции Римана

Арно Пензиас и Роберт Вильсон получили половину Нобелевской премии по физике 1978 года за открытие космического микроволнового фонового излучения (другую половину получил Петр Леонидович Капица (1894-1984) за фундаментальные изобретения и открытия в области низких температур). Существование этого излучения было предсказано теоретически Георгием Антоновичем Гаммовым еще в 1946 году в рамках модели горячей Вселенной.

Это остаточное излучение с температурой , возникшее после “Большого взрыва” называется реликтовым излучением.

Согласно (XIII.3.1) в каждом кубическом сантиметре Вселенной находится  реликтовых фотонов:

                                       (XIII.3.2)

Для интерпретации результата Пензиаса и Вильсона выразим формулу Планка через длину волны фотона :

                                             (XIII.3.3)

Поэтому плотность энергии фотонов, находящаяся в ящике объемом

                                           (XIII.3.4)

Если размеры ящика увеличить адиабатически в  раз, то число фотонов в кубике уменьшится в  раз. Энергия каждого фотона уменьшится при этом в  раз (см., например, (VI.1.2)). Таким образом, плотность энергии уменьшится в  раз:

,                         (XIII.3.5)

где . Поэтому при

                                                                     (XIII.3.6)

форма распределения Планка остается неизменной. Это соотношение сразу же следует из формулы Больцмана. Если в качестве воображаемого ящика будет служить вся Вселенная, то при ее расширении будет уменьшаться и энергия фотонов. Таким образом, если в процессе расширения фотоны вырываются из электрон-протонной плазмы при температуре рекомбинации  (см. ниже), то согласно (XIII.3.6) с тех пор линейные размеры Вселенной увеличились примерно в полторы тысячи раз.

О том, как было открыто реликтовое излучение, у нас еще будет повод поговорить при обсуждении флуктуаций физических величин.

 

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

69119. Динамічні змінні та динамічна пам’ять. Розподіл оперативної пам’яті. Поняття покажчика та його оголошення. Стандартні функції для роботи з адресами 93.5 KB
  Змінні величини, що розглядались у попередніх розділах, були статичними. Статичні змінні характеризуються тим, що їх значення зберігаютъся в ділянках оперативної пам’яті, які визначаються на етапі компіляції программ і не змінюються під час її виконання.
69120. Спискові структури даних. Визначення лінійного списку та його різновидів. Робота зі стеком, з чергою та лінійним списком 111 KB
  Визначення лінійного списку та його різновидів. Визначення лінійного списку та його різновидів 3. Визначення лінійного списку та його різновидів Як приклад розглянемо таку задачу. Кожен компонент списку крім останнього містить покажчик на наступний або на наступний попередній компонент.
69121. Дерева. Основні поняття. Алгоритм роботи з бінарними деревами 80 KB
  Розглянуті у розділі 10.2 списки, стеки та черги палежать до лінійних динамічних структур даних. Визначальною характеристикою лінійних структур є те, що зв’язок між іншими компонентами описується в терминах «попередній-наступний», тобто для кожного компонента лінійної структури...
69123. Масиви в динамічній пам’яті 37.5 KB
  Як уже зазначалось у розділі 10.2, зображення послідовностей однотипних у формі лінійних списків має і переваги, і недоліки. Основним недоліком є значна трудомісткістъ операції доступу до елемента лінійного списку за його номером. Цей недолік непритаманний масивам.
69124. Поняття архітектури комп’ютера. Архітектура комп’ютера фон Неймана. Типи комп’ютерів. Програмне забезпечення 192 KB
  Поняття архітектури обчислювальних систем є одним з основних в інформатиці. Уперше термін «архітектура комп’ютера» був введений фірмою IBM при розробці обчислювальних систем серії IBM 360 і застосований до тих засобів, які може використовувати програміст під час написання програм на рівні машинних команд.
69125. Засоби створення програм. Класифікація мов програмування. Технологія створення программ 74 KB
  Основна функція всіх мов програмування крім машинної полягає у тому щоб надати програмісту засоби абстрагування від характеристик та особливостей апаратного забезпечення на якому виконуватимуться програми. Такий спосіб написання програм називається програмуванням у числових кодах...
69126. Поняття алгоритму й основні алгоритмічні структури. Властивості та способи опису алгоритму. Алгоритмічна структура розгалуження і перетворення 56.5 KB
  Одним з базових понять інформатики є поняття алгоритму. Алгоритм вказує, які операції, пов’язані з обробкою даних, і в якій послідовності треба виконати, щоб отримати розв’язок задачі. Алгоритм розрахований на певного виконавця, з погляду котрого вказівки мають бути елементарними...
69127. Робота у середовищі Borland Pascal 7.0 202.5 KB
  Інтегроване середовище розробки Borland Pascal 7.0 - далі IDE (Integrated Development Environment) Borland Pascal 7.0 - складається з текстового редактора, компілятора, компонувальника, налагоджувача і довідкової системи. Стандартна поставка IDE Borland Pascal 7.0 являє собою...