Кіріспе

Толқын ұзындығына қатысты ерекше сәуле шығару және сіңіру заңы

Жылу беруде Кирхгоффтың жылу сәулелену заңы материалдық дененің термодинамикалық тепе-теңдікте, оның ішінде сәуле алмасу тепе-теңдігіндегі толқын ұзындығына қатысты ерекше сәуле шығару және сіңіру қасиеттерін сипаттайды. Бұл микроскопиялық динамиканың уақыт бойынша қайтымдылығының, яғни микроскопиялық қайтымдылықтың салдарынан туындайтын Онсагердің өзара байланыс заңдарының ерекше жағдайы болып табылады. Т температурасындағы дене электромагниттік энергияны сәулелендіреді. Термодинамикалық тепе-теңдіктегі абсолют қара дене оған түсетін барлық жарықты сіңіреді және T температурасы үшін сәулелену қуатының бірегей заңы бойынша энергияны сәулелендіреді (Штефан-Больцман заңы), бұл заң барлық абсолют қара денелер үшін әмбебап. Кирхгофф заңы былай гластейды:

Термодинамикалық тепе-теңдікте кез келген толқын ұзындығында жылулық электромагниттік сәуле шығаратын және сіңіретін кез келген материалдан тұратын дене үшін оның сәулелену қуатының өлшемсіз сіңіру коэффициентіне қатынасы тек сәулелену толқын ұзындығы мен температураның әмбебап функциясына тең болады. Бұл әмбебап функция абсолют қара дененің сәулелену қуатын сипаттайды. Мұндағы өлшемсіз сіңіру коэффициенті (немесе сіңіру қабілеті) – бұл термодинамикалық тепе-теңдікте сәулелену және сіңіру кезінде дене жұтып алатын жарықтың (қуаттың) үлесі. Сәл басқаша тұжырымдасақ, белгілі бір температурадағы белгілі бір пішін мен өлшемдегі кез келген опақ дененің сәулелену қуатын өлшемсіз қатынас арқылы сипаттауға болады, бұл қатынас кейде сәулелену қабілеті деп аталады: дененің сәулелену қуатының сол пішін мен өлшемдегі абсолют қара дененің сәулелену қуатына қатынасы. Осы анықтамаға сәйкес, Кирхгофф заңы қарапайым тілмен былай тұжырымдалады:

Термодинамикалық тепе-теңдікте жылу сәулесін шығаратын және сіңіретін кез келген дене үшін сәулелену қабілеті сіңіру қабілетіне тең. Кейбір жағдайларда сәулелену қуаты мен сіңіру қабілетін бұрышқа тәуелді деп анықтауға болады, бұл төменде сипатталған. Термодинамикалық тепе-теңдік шартының болуы қажет, өйткені сәулелену қабілеті мен сіңіру қабілетінің теңдігі дене материалы термодинамикалық тепе-теңдікте болмаған жағдайда көбінесе сақталмайды. Кирхгофф заңының тағы бір салдары бар: сәулелену қабілеті бірден аспайды (өйткені сіңіру қабілеті энергияны сақтау заңына сәйкес бірден аса алмайды), сондықтан тепе-теңдік жағдайында қара денеден артық энергияны термиялық сәулелену арқылы шығару мүмкін емес. Теріс люминесценцияда бұрыш пен толқын ұзындығы бойынша интегралданған сіңіру, материалдың сәулеленуінен асып түседі; алайда мұндай жүйелер сыртқы көзден қуат алады, сондықтан термодинамикалық тепе-теңдікте болмайды.

Тарих

Кирхгоф заңы танылмас бұрын, жақсы сіңіретін дене жақсы сәуле шығаратыны, ал нашар сіңіретін дене нашар сәуле шығаратыны тәжірибелік жолмен анықталған. Әрине, жақсы жарық шашыратушы нашар сіңіретін болуы керек. Сондықтан, мысалы, жеңіл авариялық жылулық қаптамалар металл жабынға негізделген: олар сәулелену арқылы аз жылу жоғалтады. Кирхгофтың маңызды жаңалықтары – қара дененің сәуле шығару қабілетін сипаттайтын функцияның жалпылығы мен бірегейлігін түсіну болды. Бірақ ол осы ғаламдық функцияның нақты түрін немесе ерекшеліктерін білмеді. Лорд Рейли мен сэр Джеймс Джинс 1900-1905 жылдары оны классикалық тұрғыдан сипаттауға тырысып, Рейли-Джинс заңына келді. Бұл заң сәйкес келмейтіні анықталды, нәтижесінде ультракөк сәулелік катастрофа туды. Заңның дұрыс түрін Макс Планк 1900 жылы сәулеленудің квантталған шығарылуын қарастыра отырып тапты, бұл заң Планк заңы деп аталады. Осымен кванттық механиканың бастауы салынды.

Қара түске жақын материалдар

Бұл бұрыннан мәлім, шам қарасы жабыны денені дерлік қара түске бояйды. Кейбір басқа материалдар белгілі бір толқын ұзындығы диапазондарында қараға жақын болады. Алайда, мұндай материалдар қызығушылық тудыратын өте жоғары температураның барлығына төтеп бере алмайды. Шам қарасынан жақсырақ нәрсе – жасалған көміртек нанотүтікшелерінде кездеседі. Нанокеңістікті материалдар жарық сыну көрсеткішін вакуумға жақын деңгейге жеткізе алады, бір жағдайда орташа шағылысу 0,045% құрайды.

Жалпы сілтемелер

Евгений Лифшиц пен Л. П. Питаевский, Статистикалық физика: 2-бөлім, 3-ші басылым (Эльзевиер, 1980). Ф. Рейф, Статистикалық және термиялық физика негіздері (МакГроу Хилл: Бостон, 1965).