ตัวดำสนิท - ปัญหาของฟิสิกส์ของนิวตัน

สารบัญ:

ตัวดำสนิท - ปัญหาของฟิสิกส์ของนิวตัน
ตัวดำสนิท - ปัญหาของฟิสิกส์ของนิวตัน
Anonim

ร่างกายสีดำล้วนเป็นวัตถุในอุดมคติทางร่างกาย ที่น่าสนใจคือมันไม่จำเป็นต้องเป็นสีดำเลย มันต่างกันตรงนี้

ตัวดำสนิท
ตัวดำสนิท

อัลเบโด้

เราจำได้ (หรืออย่างน้อยก็ควรจะจำได้) จากหลักสูตรฟิสิกส์ของโรงเรียนว่าแนวคิดของ "อัลเบโด" หมายถึงความสามารถของพื้นผิวของร่างกายในการสะท้อนแสงตัวอย่างเช่น หิมะที่ปกคลุมแผ่นน้ำแข็งในโลกของเราสามารถสะท้อนแสงอาทิตย์ที่ตกลงมาบนพวกมันได้มากถึง 90% ซึ่งหมายความว่ามีลักษณะเป็นอัลเบโดสูง ไม่น่าแปลกใจที่พนักงานของสถานีขั้วโลกมักถูกบังคับให้สวมแว่นกันแดด ท้ายที่สุดแล้ว การมองดูหิมะที่บริสุทธิ์เกือบจะเหมือนกับการมองดวงอาทิตย์ด้วยตาเปล่า ในเรื่องนี้ ดวงจันทร์เอนเซลาดัสของดาวเสาร์ ซึ่งเกือบทั้งหมดประกอบด้วยน้ำแข็งในน้ำ มีการสะท้อนแสงเป็นประวัติการณ์ในระบบสุริยะทั้งหมด มีสีขาว และสะท้อนรังสีเกือบทั้งหมดที่ตกลงมาบนพื้นผิวของมัน ในทางกลับกัน สารเช่นเขม่ามีค่าอัลเบโดน้อยกว่า 1% นั่นคือดูดซับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าได้ประมาณ 99%

การกระจายพลังงานในสเปกตรัมของวัตถุสีดำ
การกระจายพลังงานในสเปกตรัมของวัตถุสีดำ

คำอธิบายตัวสีดำล้วน

มาถึงสิ่งสำคัญที่สุดแล้วแน่นอนผู้อ่านเดาได้ว่าวัตถุสีดำสนิทนั้นเป็นวัตถุที่มีพื้นผิวสามารถดูดซับรังสีทั้งหมดที่ตกลงมาได้อย่างแน่นอน ในเวลาเดียวกัน นี่ไม่ได้หมายความว่าวัตถุดังกล่าวจะมองไม่เห็นและโดยหลักการแล้วจะไม่เปล่งแสงออกมา ไม่ อย่าสับสนกับหลุมดำ มันอาจมีสีและมองเห็นได้ชัดเจน แต่การแผ่รังสีของวัตถุสีดำมักจะถูกกำหนดโดยอุณหภูมิของมันเอง ไม่ใช่ด้วยแสงสะท้อน อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ไม่ได้คำนึงถึงสเปกตรัมที่มองเห็นได้ด้วยตามนุษย์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงรังสีอัลตราไวโอเลต รังสีอินฟราเรด คลื่นวิทยุ รังสีเอกซ์ รังสีแกมมา และอื่นๆ ดังที่ได้กล่าวไปแล้วร่างกายสีดำสนิทไม่มีอยู่ในธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม ลักษณะของมันในระบบดาวของเรานั้นเข้ากันได้ดีที่สุดกับดวงอาทิตย์ ซึ่งเปล่งแสงออกมาแต่แทบไม่สะท้อนแสงเลย (มาจากดาวดวงอื่น)

การทำให้เป็นอุดมคติในห้องปฏิบัติการ

พยายามดึงวัตถุที่ไม่สะท้อนแสงออกมาตั้งแต่ปลายศตวรรษที่ 19อันที่จริง ปัญหานี้ได้กลายเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นประการหนึ่งสำหรับการเกิดขึ้นของกลศาสตร์ควอนตัม ประการแรก สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าโฟตอน (หรืออนุภาคอื่น ๆ ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า) ที่อะตอมดูดกลืนไปจะถูกปล่อยออกมาและดูดซับโดยอะตอมข้างเคียงทันทีและปล่อยออกมาอีกครั้ง กระบวนการนี้จะดำเนินต่อไปจนกว่าจะถึงสภาวะอิ่มตัวของสมดุลในร่างกาย อย่างไรก็ตาม เมื่อวัตถุสีดำถูกทำให้ร้อนจนอยู่ในสภาวะสมดุล ความเข้มของแสงที่ปล่อยออกมาจะเท่ากับความเข้มของแสงที่ถูกดูดกลืน

รังสีร่างกายสีดำ
รังสีร่างกายสีดำ

ในชุมชนวิทยาศาสตร์ของนักฟิสิกส์ ปัญหาเกิดขึ้นเมื่อพยายามคำนวณว่าพลังงานรังสีนี้ควรเป็นอย่างไร ซึ่งถูกเก็บไว้ในสมดุลภายในวัตถุสีดำ และนี่คือช่วงเวลาที่น่าตื่นตาตื่นใจ การกระจายพลังงานในสเปกตรัมของวัตถุสีดำสนิทในสภาวะสมดุลหมายถึงอินฟินิตี้ที่แท้จริงของพลังงานรังสีที่อยู่ภายในปัญหานี้เรียกว่าภัยพิบัติจากรังสีอัลตราไวโอเลต

วิธีแก้ปัญหาของพลังค์

คนแรกที่ค้นพบวิธีแก้ปัญหานี้คือ Max Planck นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน เขาแนะนำว่าการแผ่รังสีใดๆ จะถูกดูดกลืนโดยอะตอมไม่ต่อเนื่องแต่แยกกัน กล่าวคือเป็นส่วนๆ ต่อมาเรียกว่าโฟตอน ยิ่งกว่านั้น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถดูดกลืนโดยอะตอมได้ในบางความถี่เท่านั้น ความถี่ที่ไม่เหมาะสมจะผ่านไป ซึ่งช่วยแก้ปัญหาพลังงานอนันต์ของสมการที่จำเป็น