Qu'est-ce que le rayonnement du corps noir?

La théorie des ondes de la lumière, que les équations de Maxwell ont si bien capturée, est devenue la théorie dominante de la lumière dans les années 1800 (dépassant la théorie corpusculaire de Newton, qui avait échoué dans un certain nombre de situations). Le premier défi majeur de la théorie est venu d'expliquer le rayonnement thermique, qui est le type de rayonnement électromagnétique émis par les objets en raison de leur température.

Test du rayonnement thermique

Un appareil peut être installé pour détecter le rayonnement d'un objet maintenu à température T₁. (Puisqu'un corps chaud émet un rayonnement dans toutes les directions, une sorte de blindage doit être mis en place pour que le rayonnement examiné soit dans un faisceau étroit.) Plaçant un milieu dispersif (c'est-à-dire un prisme) entre le corps et le détecteur, le longueurs d'onde (λ) du rayonnement se dispersent selon un angle (θ). Le détecteur, puisqu'il ne s'agit pas d'un point géométrique, mesure un delta de distance-thêta ce qui correspond à un delta de gamme-λ, mais dans une configuration idéale, cette plage est relativement petite.

Si je représente l'intensité totale de la fra à toutes les longueurs d'onde, puis cette intensité sur un intervalle δλ (entre les limites de λ et δ&lamba;) est:

δje = R(λ) δλ

R(λ) est le rayonnement, ou intensité par unité de longueur d'onde. En notation de calcul, les valeurs δ se réduisent à leur limite de zéro et l'équation devient:

dI = R(λ) dλ

L'expérience décrite ci-dessus détecte dI, et donc R(λ) peut être déterminée pour n'importe quelle longueur d'onde souhaitée.

Radiance, température et longueur d'onde

En effectuant l'expérience pour un certain nombre de températures différentes, nous obtenons une gamme de courbes de radiance en fonction de la longueur d'onde, qui donnent des résultats significatifs:

1. L'intensité totale rayonnée sur toutes les longueurs d'onde (c'est-à-dire la zone sous le R(λ) courbe) augmente à mesure que la température augmente.
   1. C'est certainement intuitif et, en fait, nous constatons que si nous prenons l'intégrale de l'équation d'intensité ci-dessus, nous obtenons une valeur qui est proportionnelle à la quatrième puissance de la température. Plus précisément, la proportionnalité provient de Loi de Stefan et est déterminé par le Constante de Stefan-Boltzmann (Sigma) sous la forme:

   2. je = σ T⁴

2. La valeur de la longueur d'onde λ_max à laquelle le rayonnement atteint son maximum diminue à mesure que la température augmente.

   Les expériences montrent que la longueur d'onde maximale est inversement proportionnelle à la température. En fait, nous avons constaté que si vous multipliez λ_max et la température, vous obtenez une constante, dans ce qu'on appelle Loi sur le déplacement de Wein:λ_max T = 2,889 x 10^-3 mK

Rayonnement du corps noir

La description ci-dessus impliquait un peu de tricherie. La lumière est réfléchie par les objets, donc l'expérience décrite se heurte au problème de ce qui est réellement testé. Pour simplifier la situation, les scientifiques ont examiné un corps noir, c'est-à-dire un objet qui ne réfléchit aucune lumière.

Considérez une boîte en métal avec un petit trou dedans. Si la lumière frappe le trou, elle entrera dans la boîte et il y a peu de chances qu'elle rebondisse. Par conséquent, dans ce cas, le trou, pas la boîte elle-même, est le corps noir. Le rayonnement détecté à l'extérieur du trou sera un échantillon du rayonnement à l'intérieur de la boîte, donc une analyse est nécessaire pour comprendre ce qui se passe à l'intérieur de la boîte.

1. La boîte est remplie d'ondes stationnaires électromagnétiques. Si les murs sont métalliques, le rayonnement rebondit à l'intérieur de la boîte avec le champ électrique s'arrêtant à chaque mur, créant un nœud à chaque mur.
2. Le nombre d'ondes stationnaires avec des longueurs d'onde comprises entre λ et dλ est

   N(λ) dλ = (8π V / λ⁴) dλ

   où V est le volume de la boîte. Cela peut être prouvé par l'analyse régulière des ondes stationnaires et son extension à trois dimensions.
3. Chaque vague individuelle apporte une énergie kT au rayonnement dans la boîte. De la thermodynamique classique, nous savons que le rayonnement dans la boîte est en équilibre thermique avec les parois à température T. Le rayonnement est absorbé et rapidement réémis par les murs, ce qui crée des oscillations dans la fréquence du rayonnement. L'énergie cinétique thermique moyenne d'un atome oscillant est de 0,5kT. Comme ce sont de simples oscillateurs harmoniques, l'énergie cinétique moyenne est égale à l'énergie potentielle moyenne, donc l'énergie totale est kT.
4. L'éclat est lié à la densité d'énergie (énergie par unité de volume) u(λ) dans la relation

   R(λ) = (c / 4) u(λ)

   Ceci est obtenu en déterminant la quantité de rayonnement passant à travers un élément de surface à l'intérieur de la cavité.

Échec de la physique classique

u(λ) = (8π / λ⁴) kT

R(λ) = (8π / λ⁴) kT (c / 4) (connu sous le nom de Formule Rayleigh-Jeans)

Les données (les trois autres courbes du graphique) montrent en fait un maximum de rayonnement, et en dessous de la lambda_max à ce stade, le rayonnement tombe, approchant 0 comme lambda approche 0.

Cet échec est appelé catastrophe ultraviolette, et en 1900, il avait créé de graves problèmes pour la physique classique car il remettait en question les concepts de base de la thermodynamique et de l'électromagnétisme qui étaient impliqués pour atteindre cette équation. (À des longueurs d'onde plus longues, la formule de Rayleigh-Jeans est plus proche des données observées.)

Théorie de Planck

Max Planck

Planck a suggéré qu'un atome ne peut absorber ou réémettre de l'énergie que dans des faisceaux discrets (quanta). Si l'énergie de ces quanta est proportionnelle à la fréquence du rayonnement, alors à de grandes fréquences, l'énergie deviendrait également grande. Puisqu'aucune onde stationnaire ne pourrait avoir une énergie supérieure à kT, cela a mis un plafond efficace sur le rayonnement haute fréquence, résolvant ainsi la catastrophe ultraviolette.

Chaque oscillateur pourrait émettre ou absorber de l'énergie uniquement en quantités qui sont des multiples entiers des quanta d'énergie (epsilon):

E = n ε, où le nombre de quanta, n = 1, 2, 3,…

ν

ε = h ν

h

(c / 4) (8π / λ⁴) ((hc / λ)(1 / (ehc/λ kT - 1)))

kT e Formule Rayleigh-Jeans

Conséquences

la physique quantique effet photoélectrique

, en introduisant sa théorie des photons. Alors que Planck a introduit l'idée de quanta pour résoudre les problèmes dans une expérience spécifique, Einstein est allé plus loin pour le définir comme une propriété fondamentale du champ électromagnétique. Planck, et la plupart des physiciens, ont été lents à accepter cette interprétation jusqu'à ce qu'il y ait des preuves accablantes pour le faire.