5. Bốn định luật cơ bản của bức xạ

Mục lục của trang này:

① Định luật Planck
② Định luật Stefan Boltzmann
③ Định luật dịch chuyển Wien
④ Định luật Kirchhoff (năng lượng bức xạ)
[Mục lục khoa học về tia hồng ngoại ]

① Định luật Planck

Max Karl Ernst Ludwig Planck, 23 tháng 4 năm 1858 – 4 tháng 10 năm 1947 Nhà vật lý người Đức
Định luật Planck là một công thức liên quan đến độ bức xạ quang phổ của sóng điện từ phát ra (bức xạ) từ vật đen trong vật lý, hay sự phân bố bước sóng của mật độ năng lượng. 　Bức xạ quang phổ của bức xạ điện từ từ vật đen ở nhiệt độ nhất định T có thể được giải thích chính xác trong toàn bộ phạm vi bước sóng. Năm 1900, nó được lãnh đạo bởi nhà vật lý người Đức Max Planck.
Khi suy nghĩ về việc rút ra định luật này, Planck giả định rằng năng lượng của các bộ dao động của trường bức xạ là bội số nguyên của một đại lượng năng lượng cơ bản nào đó (ngày nay gọi là lượng tử năng lượng) ε = hν. Giả thuyết lượng tử (lượng tử hóa) năng lượng này có ảnh hưởng lớn đến buổi bình minh của cơ học lượng tử sau này.

Định luật Planck cho thấy mối liên hệ giữa năng lượng bức xạ của vật đen và bước sóng của nó. Vật liệu tỏa năng lượng dưới dạng sóng điện từ theo nhiệt độ của chúng. 　Năng lượng bức xạ thay đổi tùy thuộc vào nhiệt độ, chất và trạng thái bề mặt của nó.
Độ phát xạ của vật liệu nói chung là 1 hoặc ít hơn. Do đó, đặc tính năng lượng bức xạ quang phổ của các chất có cùng nhiệt độ với vật đen sẽ được vẽ bên dưới đường cong của vật đen.

② Định luật Stefan Boltzmann

Jozsef Stephan, 24 tháng 3 năm 1835 – 7 tháng 1 năm 1893 Nhà vật lý người Áo

Ludwig Eduard Boltzmann, 20 tháng 2 năm 1844 – 5 tháng 9 năm 1906 Nhà vật lý người Áo

Lượng năng lượng tỏa ra bởi một chất tăng lên khi nhiệt độ của chất đó tăng lên. Lượng năng lượng (E) bức xạ từ vật đen ở nhiệt độ tuyệt đối T (đơn vị: Kelvin K) thu được bằng cách tích phân định luật Planck trên tất cả các bước sóng và được cho dưới dạng tỉ lệ với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối. Bạn có thể Đây được gọi là định luật Stefan Boltzmann.
Nó được phát hiện bằng thực nghiệm bởi Joseph Stefan vào năm 1879 và được chứng minh về mặt lý thuyết bởi học trò của ông là Ludwig Boltzmann vào năm 1884. Nó được gọi là định luật Stefan Boltzmann, được đặt theo tên của họ.

③ Định luật dịch chuyển Wien

Wilhelm Karl Werner Otto Fritz Franz Wien, 13 tháng 1 năm 1864 – 30 tháng 8 năm 1928 nhà vật lý người Đức

Định luật dịch chuyển Wien được Wien phát hiện vào năm 1896.
Bước sóng cực đại (điểm có năng lượng cao nhất) của sóng điện từ phát ra từ một chất sẽ chuyển sang bước sóng ngắn hơn khi nhiệt độ của bộ tản nhiệt tăng lên.
Định luật dịch chuyển Wien
λ=2897/T [μm]
Đây được gọi là định luật dịch chuyển của Wien.
Ví dụ, bước sóng cực đại (λ) của sóng điện từ phát ra từ con người có nhiệt độ cơ thể 36oC (nhiệt độ tuyệt đối T = 36 + 273 = 309K) là 2897 309 = 9,4μm. Nói cách khác, con người phát ra tia hồng ngoại xa với cực đại khoảng 9,4 μm.
Diện tích tích hợp (năng lượng) ở phía bước sóng ngắn của bước sóng cực đại được biểu thị bằng định luật dịch chuyển Wien là 25% tổng năng lượng và ở phía bước sóng dài là 75%. Nói cách khác, phía bước sóng dài (phía vùng hồng ngoại xa) tỏa ra năng lượng gấp ba lần.
Vậy bước sóng (λ) chia năng lượng bức xạ của vật đen ở nhiệt độ tuyệt đối T (K) thành hai phần là bao nhiêu?Có thể tìm được bằng công thức: λ = 4,108/T [μm].
Ví dụ: ở bước sóng biên 3 μm giữa vùng hồng ngoại gần và vùng hồng ngoại xa, nhiệt độ vật đen T mà tại đó năng lượng bức xạ được chia thành 50% là T = 4,108/3 = 1,369 (K) (= 1.369-273) = 1.096°C.Masu.
Có thể thấy tia hồng ngoại xa chiếm trọng lượng lớn cho đến nhiệt độ khá cao. Ngoài ra, bước sóng cực đại tại thời điểm này là 2,897/1,369 = 2,1 μm, vốn nằm trong vùng cận hồng ngoại.
Wien nhận giải Nobel Vật lý năm 1911 vì “những khám phá liên quan đến định luật bức xạ nhiệt”.

④ Định luật Kirchhoff (năng lượng bức xạ)

Gustav Robert Kirchhoff, 12 tháng 3 năm 1824 – 17 tháng 10 năm 1887 Nhà vật lý người Phổ (nay là tỉnh Kaliningrad, Nga)
Tỷ lệ năng lượng bức xạ phát ra từ một chất ở trạng thái cân bằng bức xạ với công suất hấp thụ là không đổi bất kể chất đó là gì và giá trị của nó bằng năng lượng bức xạ của vật đen hoàn hảo.
Kirchhoff phát hiện ra vào năm 1860 rằng độ hấp thụ và độ phát xạ của các vật liệu mờ đục thông thường là như nhau.
Kể từ khi Kirchhoff phát hiện ra các định luật về mạch điện, định luật năng lượng bức xạ và định luật phản ứng nhiệt, chúng thường được mô tả là Định luật Kirchhoff (Năng lượng bức xạ).