Квантты физика негіздері

Жылулы суле шыару.

Денені атты ыздыран кезде дене жарырайды. Денні жарырауы оны ызанын крсетеді, бл былысты жылулы суле шыару деп атайды. Жылулы суле шыару табиатта е кп тараан былыс, ол кез-келген денені атомдары мен молекулаларыны жылулы озалысы кезінде зінен энергия блуі, бл температурасы нлден жоары кез-келген дене шін орындалады. Жылулы суле шыару – жылулы энергия серінен денелерді электромагниттік суле шыаруы. Жылулы суле шыару кезінде ттас спектр пайда болады, спектрді максимумы температураа байланысты. Температура жоары боланда, ыса электромагниттік толындар суле шыарады (ультрафиолетовые), температура тмен боланда зын электромагниттік толындар суле шыарады (инфракрасные).

Жоарыда айтып кететін, жарыты суле шыару былысы – затты рамындаы зарядты блшектерді тербелісі нтижесінде пайда болатын былыс. Жылулы суле шыару былысыны суле шыару процесіні баса трлерінен басты айырмашылыы – зат пен оны шыаратын суле арасындаы энергия лесі осы процесті не бойында згермейтін траты шама кйінде алады. Сондытан да денелер арасындаы жылу беруді бір трі болып табылатын жылулы суле шыару тепе-тедік сипатта тетін процесс. Бл былыс денені суле шыарышты абілеті жне суле жтышты абілеті делінетін шамалармен сипатталады. Денені суле шыаруыны абілеті -мен белгіленеді.

(1.1)

яни денені суле шыарышты абілеті деп, бірлік ауданнан бірлік уаыт ішінде шыарылатын сулелік энергия млшерін айтармыз, ол - лшенеді. Суле шыарышты толын зындыыны функциясы да бола алады:

Себебі, ; ;

Мндаы “-” бір лшем скенде екіншісіні кемитінін крсетеді, мысалы: скен сайын кемиді, немесе керісінше. Сондытан біз рі арай “-” елемейміз.

Сондытан (1.2)

осы формуланы кмегімен -дан -а кше аламыз, немесе керісінше.

Бл тек жиілікті , интервалында, яни суле шыаруды спектрді рбір блік шін білгесін, оны барлы жиілік шін интегралдаймыз:

(1.3)

Тскен жарыты денені жту абілетін сипаттайтын шаманы денені суле жтышты абілеті деп аталады. Оны рпімен белгілейміз. Денені суле жтышты абілеті деп денені жтан энергиясыны оан берілген энергиясына атынасын айтамыз:

, (1.4)

лшемсіз шама.

да - денені табиатына байланысты, Т-термодинамикалы температураа жне р трлі жиілікке байланысты. Жиілік те жіішке интервалда -дан -ны аралыында.

Егер дене зіне тскен кез-келген зындытаы жарыты тгел жтатын болса, ондай денені абсолют ара дене деп атайды. Абсолют ара дене шін

Шындыында толын зындыына арап таламай суле аынын тгел жтатын дене, табиатта кездеспейді. Абсолютті ара денеге біршама жаын келетін наты дене – ара кйе (сана), черный бархат, - жары аыныны крінетін блігін тгелдей дерлік 99 % з бойына сііріп аланмен, инфраызыл сулені нашар сііреді.

 

Абсолют ара дене моделі ретінде сырты беті суле аынын ткізбейтін, ал ішкі абырасы зіне тскен сулені басым кпшілігін сііретін кішкене тесігі бар уыс дене алынды. Тесік арылы уыс денеге енген суле оны ішкі бетінен сан рет шаылып, тгел дерлік дене ішінде алып ояды. Соы рет шаылып сырта шыан суле энергиясыны тым аз болатындыы сонша, оны іс жзінде елемесе болады.

 

 

 

Абсолют ара дене (былысы) ымымен атар ср дене ымы олданылады. Жары жтуы барлы жиілік шін бірдей, тек температураа , денені бетіне, материалына байланысты.

 

Кирхгофф заы: тйы жйелердегі денелерді суле шыару жне жту абілеттерін зерттей келіп неміс физигі Кирхгофф 1859 жылы мынандай за ашты:

денелерді суле шыарышты абілетіні суле жтышты абілетіне атынасы денелерді табиатына байланыссыз, сол температурадаы жне жиіліктегі барлы денелерді универсалды функциясы деп аталады:

(1.5)

Абсолют ара дене шін , онда ; .

Сондытан Кирхгофты универсалды функциясын абсолют ара денені суле шыарышты абілеті деп те алуа болады. Яни Кирхгофф заын былай айтуа болады: денені температурасы бірдей боланда оларды суле шыаруабілетін суле жтышты абілетіне атынасы денені табиатына байлданыссыз жне сол температурадаы абсолют ара денені суле шыарудаы абілетіне те:

мндаы , - абсолют атты денені суле шыарышты жне суле жтышты абілеті.

Бл за тек белгілі жиілікте немесе белгілі толын зындыында.

- абсолют дене шін.

абсолют ара денені толы суле шыару абілеті Т-а байланысты. Абсолют ара денені спектріндегі энергияны жіктелуі нтижесінде екі за ашылды:

Стефан – Больцман заы:

Абсолют ара денені толы (барлы спектр бойынша) суле шыару абілеті оны абсолют температурасыны тртінші дрежесіне тура пропорционал, яни:

Т⁴ (1.6)

мндаы - Стефан-Больцман тратысы.

 

 

Стефан-Больцман заы температураа байланысты екенін таба отырып, абсолют ара денені суле шыару абілетінін спектрлік рамына жауап бермейді. байланысты исыында р трлі температурадаы энергияны таралуы абсолют ара денені спектрі біркелкі емес. Барлы исыты max бар, жне температура скен сайын ол max ыса толына арай ыысады.

Неміс физигі Вин термо жне электродинамика задарына сйене отырып былай деп тжырымдады:

Абсолют ара денені суле шыарышты абілетінін е жоары мніне (max мніне) сйкес келетін толын зындыы оны абсолют температурасына кері пропорционал:

, (1.7)

мндаы - Вин тратысы. Бл формуладан абсолют ара денені температурасы тмендеген сайын оны сулелік энергиясыны е жоары мні зын толындар аймаына ауысатыны байалады. Сондытан бл за кейде Винні ыысу заы деп те аталады. Вин заы да, Стефан-Больцман заы да жылулы суле шыарумб теориясында лкен роль атаранымен, р трлі температурада энергияны таралуыны жиілікпен жалпы картинасын бермейді. Кирхгофты универсалды функциясыны

(1.8)

бл формула Рэлей-Джинс формуласы деп аталады. Мндаы -Больцман тратысы, жары жылдамдыы. Рэлей-Джинс заы тек ана кіші жиілікте немесе лкен температурада эксперимент орытындысымен сйкес келеді де, ал жиілігі облыста бл за эксперимент орытындысымен сйкес келмейді.

 

Графикте кргендей. Сонымен атар Стефан-Больцман заын алу шін Рэлей-Джинс заы келмейді, абсолют ара денені сулеленуі:

Ал бл кезде Стефан-Больцман заы бойынша яни дрежесіне пропорционал. Бл орытындылар ультраклгіндік апат деген атаа ие болды. Ультраклгін сулелер шін Рэлей-Джинс формуласы ешандай физикалы мнге ие болмайды.

Сонымен классикалы физика абсолют ара денені спектріндегі энергияны таралу заын тсіндіре алмады.

Бл дадарыстан шыуды жолын 1900 жылы неміс алымы Планк тапты. Ол жары дискретті, блек-блек порциялармен шыарылады жне жутылады деп есептеді. Жары кванттан трады дегенді сынды. Классикалы физикада кез-келген системаны энергиясы зліссіз згереді, энергия кез-келген бір-біріне те жаын мндер абылдайды деді. Ал Планкты квантты гипотезасында атомды осцилятор энергияны зіліссіз емес, белгілі порциямен – квантпен абылдайды деді.

Квант энергиясы теблеіс жиілігіне пропорционалды:

, (1.9)

мндаы - Планк тратысы.

Жарыты кванттан ралатындыын басшылыа ала отырып, Планк абсолют ара денені сулелену абілетін сипаттайтын формула тапты:

(1.10)

Кирхгофты универсалды функциясы шін Планк формуласы, абсолют ара денені сулені спектріндегі энергияны таралуы 0-ден дейінгі жиілікте жне ртрлі температурада эксперимент орытындысымен сйкес келеді рі Вин, Рэлей-Джинс, Стефан-Больцман задарымен сйкес келеді. 1900 жылы 14 желтосанда немістерді физикалы оамыны жиналысында Планк осы формуласын жарыа шыарды. Міне осы кннен бастап квантты физиканы ашылу кні деп аталады.