Жылулық сәулелену. Стефан-Больцман және Вин заңдары Ультракүлгін апат. Планк формуласы. Физика, 11 сынып, дидактикалық материал.

Жылулық сәулелену. Абсолют қара дене

 XX ғасырдағы ғылыми ойдың ұлы жеңісі — кванттық теорияны қалыптастыруда қызған дененің сәуле шығаруын эксперименттік зерттеу үлкен рөл аткарды. Жоғары температураға дейін қыздырғанда дене әртүрлі түске еніп, сәуле шығара бастайтынын білеміз. Мысалы, темірді кыздырғанда, ол өуелі қызыл, содан кейін қызыл сары, одан әрі ақ сары түске беленеді. Электр шамының вольфрам қылын 3000 С-қа дейін кыздырғанда, ол ақ жарық сәуле шығарады. Күннің жарығы, Жұлдыздардың шығаратын сәулелері де олардың температурасының өте жоғары болуына байланысты.Қызған денелердің сәуле шығарып, электромагниттік энергия таратуын жылулық сәулелену деп атайды. Жылулық сәулелену құбылысы тек қызған денелерде ғана емес, салқын денелерде де орын алады. Электр шамының вольфрам қылы 3000 С-қа дейін кызғанда көзге кәрінетін ақ жарық шығарса, температурасы төмендеген сайын денелер керінбейтін инфрақызыл сәулелер шығарады. Инфрақызыл сәулелерінің жиілігі ақ жарықтың жиілігінен төмен. Сондай-ак денелердің температурасы тым жоғары болса, олар кәрінбейтін улытыракүлгін сәулелер шығарады. Ультракүлгін сәулелерінің жиілігі ақ жарықтың жиілігінен жоғары.

 Жарық сияқты жылулык сәулелердің барлық түрлері де электромагниттік толқындар катарына жатады. Олар бір-бірінен тек жиіліктеріне немесе толқын ұзындықтарына карай ажырайды. Эксперименттік зерттеулер денелердің жылулық сәулелерді шығарумен катар оларды жұта да алатынын керсетті. Оны көптеген тәжірибелер растайды. Мысалы, параболоидтік айнаға вольфрамнан жасалған спираль қылын орнатып, оны электр тоғымен инфрақызыл сәулесін шығаратындай етіп кыздырайық. Оған карама-карсы қойылған екінші айнаның фокусына қара түске боялған құрғак мақтаны іліп қойсақ, ол белгілі бір уақыттан кейін "өз-өзінен" тұтанып жана бастайды. Бұдан денелердің жылулық электромагниттік сәулелерді шығарып қана қоймай, оларды жұта да алатынын көреміз. Ал қара түсті денелер сәулелерді басқа түсті денелерге қарағанда көбірек жұтады. Бұл төжірибе электромагниттік толкындардың шынында да энергия таситынына көзімізді жеткізеді.

 Өзіне түскен әртүрлі жиіліктегі сәулелердің энергиясын толық жұтып алатын денені абсолют қара дене деп атайды. Күн сыртқы ортаға жарық шығарумен қатар өзіне сырттан келіп түсетін әртүрлі жиіліктегі сәулелерді де толық жұтып алады.

 Сондықтан ол абсолют кара денелер қатарына жатады суретте абсолют қара дененің үлгісі көрсетілген. Іші куыс ыдысқа тар саңылаудан түскен сәуле шексіз мәрте шағылады да, толық жұтылады.

Стефан-Больцман заңы

Абсолют қара денеден таралған қуат, дененің абсолют температурасының төртінші дәрежесімен өзгереді. Бұл қатынас Стефан-Больцман заңы деп аталады және мына теңдеумен анықталады:S – абсолютті қара дененің ауданы, σ  = 5,67×10⁻⁸ Вт/м² K⁴, Стефан-Больцманнның тұрақтысы, RT – интегралдық энергетикалық жарқырауы. 

Виннің ығысу заңы

Абсолют қара дененің температурасы қандай болса да, пайда болатын зат температурасы мен  λmax максимум толқын ұзындығына байланысты болып тұрақты болмай, шамамен 2,898 ^. 10^-3 мК-ға тең болады. Бұл заң неміс физигі Вильгельм Венмен ашылып, сол себепті Вин заңы деп аталады.