Bức xạ nhiệt1

Bức xạ nhiệt
1. Bức xạ nhiệt.
2. Các định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối.
3. Thuyết lượng tử của planck.
4. Ứng dụng của định luật bức xạ.
Bài 1: Bức xạ nhiệt và các dạng bức xạ khác
1. Khái niệm.
Mọi vật đều có khả năng phát sóng điện từ( tia hồng ngoại, ánh sang nhìn thấy hoặc tia tử ngoại) khi chịu một số tác dụng vật lí hoặc hoá học nào đó. Khi một vật phát sóng điện từ ta nói vật đó bức xạ.
2. Các loại bức xạ:
a. Hóa phát quang:
- Sự bức xạ do các phản ứng hoá học xảy ra trong vật gây lên được gọi là quá trình hoá phát quang.

b. Quang phát quang:
- Là quá trình trong đó vật hấp thụ một bức xạ và phát một bức xạ có bước sóng khác.
c. Điện phát quang:
Là sự phát sáng của cột khí xảy ra khi có dòng điện chạy qua.
d. Bức xạ nhiệt là sự truyền nhiệt (năng lượng nhiệt) dưới dạng sóng điện từ xuyên qua khoảng không.

3. Đặc điểm của bức xạ nhiệt:
- Trạng thái bức xạ ( thành phần quang phổ và cường độ) của một vật bức xạ nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ của nó.
- Trạng thái bức xạ phụ thuộc vào bản chất của vật.
- Trong những điều kiện đặc biệt bức xạ nhiệt có thể đạt đến sự cân bằng (năng lượng bức xạ bằng năng lượng dưới dạng nhiệt mà vật thu vào bằng hấp thụ bức xạ trong cùng khoang thời gian đó)
4. Các đại lượng đặc trưng:
a. Năng suất phát xạ toàn phần và năng suất phát xạ đơn sắc:




: năng suất phát xạ toàn phần.
: năng suất phát xạ đơn sắc.
b. Năng suất hấp thụ đơn sắc
5. Định luật kirchhoff:
a. Định luật Kirchhoff:
Tỉ số giữa năng suất phát xạ đơn sắc và năng suất hấp thụ đơn sắc của cùng một vật ở nhiệt độ nhất định là một hàm chỉ phụ thuộc và nhiệt độ T mà không phụ thuộc vào bản chất của vật đó.
Ta có:

(1.1)
b. Vật đen tuyệt đối:
Vật đen tuyệt đối là vật có khả năng hấp thụ hoàn toàn năng lượng của mọi bức xạ có bước sóng bất kì tới trên nó, ở mọi nhiệt độ.
Theo đl Kirchhoff ta có:

(1.2)
Trong đó:
:là năng suất phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối

:là năng suất phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối ứng với bức xạ có bước sóng ở nhiệt độ T

Từ đó suy ra: năng suất phát xạ của vật không đen luôn luôn nhỏ hơn năng suất phát xạ của vật đen tuyệt đối ở cùng nhiệt độ và bước sóng.
6. Khảo sát sự bức xạ của vật đen tuyệt đối bằng thực nghiệm
Cho mô hình thí nghiệm:
Mẫu vật đen tuyệt đối lí tưởng A được giữ ở một nhiệt độ T xác định. Bức xạ do vật phát ra qua lỗ nhỏ C sẽ có thành phần quang phổ rất gần với thành phần quang phổ bức xạ của vật đen tuyệt đồi có cùng nhiệt độ. Chùm bức xạ đi vào máy quang phổ được cách tử G phân tích thành các thành phần đơn sắc ứng với các bước sóng khác nhau. Kính ngắm T quay sau cách tử G cho phép đặt cặp nhiệt điện D vào vị trí những cực đại của các ánh sáng có bước sóng khác nhau. Nhờ vậy ta xác định được năng suất bức xạ của vật đen tuyệt đối A.


G
C

T
A
D

Đồ thị của theo ở các nhiệt độ T khác nhau
Từ hình vẽ ta có một số nhận xét
Ứng với mỗi nhiệt độ T xác định, năng suất phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối có một cực đại ứng với một bước sóng(max) hoàn toàn xác định.
Khi nhiệt độ tăng, năng suất phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối tăng rất nhanh và bước sóng(max) ứng với cực đại của nó dịch chuyển về phía sóng ngắn.
Năng suất phát xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối:
Bài 2: Các định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối
1, Định luật Stefan – Boltzmann:
Năng suất phát ra toàn phần của vật đen tuyệt đối tỉ lệ với luỹ thừa bậc bốn của nhiệt độ tuyệt đối của nó, tức là.
Trong đó, hằng số Stefan ­– Boltzmann xác định bằng thực nghiệm và có trị số bằng:
2. Định luật dịch chuyển Wien.

Năm 1984, Wien đã tìm ra quy luật xác định bước sóng: bước sóng ứng với cực đại của năng suất phát xạ của vật đen tuyệt đối biến thiên tỉ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối của nó.


Wien cũng chứng minh được rằng: năng suất bức xạ đơn sắc cực đại của vật đen tuyệt đối tỉ lệ với lũy thừa bậc 5 của nhiệt độ tuyệt đối, tức là:
Bài 3: Thuỵết lượng tử của Planck
1, Công thức Rayleigh – Jeans:
Nếu biểu diễn theo thang bước sóng ta cần biến đổi:
Do đó ta có:
Từ công thức Rayleigh – Jeans có thể tính được năng suất phát xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối:

2, Thuyết lượng tử của Planck. Công thức Planck:
Theo Planck thì năng lượng bức xạ được phát ra không thể có các giá trị liên tục bất kì mà bao giờ cũng là một bội số nguyên của một năng lượng nguyên tố, được gọi là lượng tử năng lượng.
Từ giả thiết trên, Planck đã tìm được công thức xác định năng suất phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối:
3, Các hệ quả của công thức Planck:
a, Định luật Stefan – Boltzmann:
Theo định nghĩa, năng suất phát xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối
Đặt:




Vì:
b. Định luật dịch chuyển Wien.
Đặt:

Với điều kiện cực trị:
Ứng với nghiệm thứ hai ta có:



Với
c. Công thức Rayleigh-Jeans:
Trong miền bức xạ điện từ tần số thấp và ở nhiệt độ cao, giá trị của lượng tử năng lượng rất nhỏ so với kT.
Khai triển mẫu số của

và bỏ qua các số hạng bậc hai trở lên trong phép khai triển ta được:
Và biểu thức


trở thành:
Bài 4: Ứng dụng của các định luật bức xạ
- Các định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối được sử dụng xác định nhiệt độ của các vật đốt nóng qua phương pháp độ chói.
Pp độ chói dựa trên nguyên tắc:Độ chói của một vật tỉ lệ với năng suất phát xạ của nó.
Mặt khác độ chói của ảnh của một vật qua quang hệ thì tỉ lệ với độ chói của vật.
=>để xác định niệt độ của vật chỉ cần so sánh độ chói ảnh của vật với độ chói vật làm mẫu được đặt ngay đúng vị trí của mặt phẳng ảnh.
- dụng cụ thường dùng là hoả kế quang học có dây biến trở.
Vật nóng sáng cần đo nhiệt độ dặt trước vật kính O1 sao cho ảnh của nó qua O1 nằm trùng với mặt phẳng của dây tóc bóng đèn D. Qua thị kính O2, người quan sát thấy đồng thời ảnh của dây tóc và ảnh của vật phát xạ. Trước thị kính O2, có kính lọc sắc F, thường chỉ cho truyền qua ánh sáng màu đỏ có bước sóng

Nếu vật cần đo nhiệt độ là vật đen tuyệt đối, thì nhiệt độ đo được trên máy là nhiệt độ thực của nó. Đối với các vật không đen, nhiệt độ đo được là nhiệt độ chói Tc của vật ở nhiệt độ đó, độ chói của vật đen tuyệt đối ứng với bứơc sóng bằng độ chói của vật nghiên cứu ở nhiệt độ T.
Có thể tính được nhiệt độ thực T của vật không đen qua nhiệt độ chói Tc nhờ hệ thức sau: