2014 dxdy logo

Научный форум dxdy

Математика, Физика, Computer Science, Machine Learning, LaTeX, Механика и Техника, Химия,
Биология и Медицина, Экономика и Финансовая Математика, Гуманитарные науки




Начать новую тему Ответить на тему На страницу 1, 2, 3  След.
 
 Непрерывность спектра теплового излучения
Сообщение08.04.2011, 22:06 


04/12/10
363
Расмотрим такую модель. Газ, скажем, атомарный водород находится в сосуде с идеальными зеркальными стенками при некой высокой температуре. В сосуде будет присутствовать также его теловое излучение. Так вот, излучение имеет непрерывный спектр, а вот сам водород имеет дискретный спектр, как это возможно? Или я чего-то недопонимаю.

 Профиль  
                  
 
 Re: Непрерывность спектра теплового излучения
Сообщение08.04.2011, 23:38 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


30/01/06
72407
apv в сообщении #432633 писал(а):
Так вот, излучение имеет непрерывный спектр

Это неверно. Только тепловое излучение чёрного тела имеет непрерывный и планковский спектр. Излучения всех других тел - это планковский спектр, помноженный на спектр излучения этого тела. Спектр газообразного водорода линейчатый, следовательно...

 Профиль  
                  
 
 Re: Непрерывность спектра теплового излучения
Сообщение09.04.2011, 08:58 


04/12/10
363
Munin в сообщении #432678 писал(а):
Излучения всех других тел - это планковский спектр, помноженный на спектр излучения этого тела.


Если я правильно понял, то это умножение дожно дать что-то на подобие такой картинки
Изображение

Штрихованная линия - это планковский спектр, а столбики - это линейчастый спектр газообразного водорода (схематично) при определенной температуре.

 Профиль  
                  
 
 Re: Непрерывность спектра теплового излучения
Сообщение09.04.2011, 14:53 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


30/01/06
72407
Да, вы правильно поняли. И именно это и наблюдается.

 Профиль  
                  
 
 Re: Непрерывность спектра теплового излучения
Сообщение09.04.2011, 18:47 


04/12/10
363
Спасибо, Munin.

Меня всегда сбивали с толку определения из классических учебников типа
Цитата:
В нагретых телах часть внутренней энергии вещества может превращаться в энергию излучения. Поэтому нагретые тела являются источниками электромагнитного излучения в широком диапазоне частот. Это излучение называют тепловым излучением.
Эксперименты показывают, что тепловое излучение имеет непрерывный спектр. Это означает, что нагретое тело испускает некоторое количество энергии излучения в любом диапазоне частот или длин волн. Распределение энергии излучения тела по спектру зависит от температуры тела.


Не понятно, во-первых, что за тела такие - газообразные, твердые или жидкие. Непрерывный спектр в разреженных газах не получится, только в твердых и жидких телах. Почему бы не указывать этот нюанс в определении, не понятно.

Во-вторых, если спектр излучения у жидкостей и твердых тел непрерывный, то можно ли определить вещественный состав этих тел спектроскопическим методом? Выходит что нельзя.

И в-третьих, если вспомнить вывод формулы Планка для черного тела, то там излучателями есть квантовые осцилляторы с эквидистантными уровнями, которые излучают определенную частоту и для того чтобы тело давало непрерывный спектр, в нем должно быть бесконечное множество таких осцилляторов, разность между уровнями в которых варьируется от 0 до бесконечности. Я понимаю, что это модель, но тогда почему ни в одном учебнике не написано, какие реальные излучатели моделируются этими осцилляторами.

 Профиль  
                  
 
 Re: Непрерывность спектра теплового излучения
Сообщение09.04.2011, 19:22 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


30/01/06
72407
apv в сообщении #432904 писал(а):
Во-вторых, если спектр излучения у жидкостей и твердых тел непрерывный, то можно ли определить вещественный состав этих тел спектроскопическим методом? Выходит что нельзя.

Ну, у каждого такого тела есть некоторая спектральная характеристика, в конечном счёте отвечающая за цвет (не только в оптическом, но и в других диапазонах). Конечно, сопоставить её составу теоретически для таких тел намного сложнее, но накопив экспериментальные данные - почему бы нет? Разумеется, речь идёт только о поверхности, например, если мы покрасили тело краской, то сможем изучить состав только краски.

apv в сообщении #432904 писал(а):
И в-третьих, если вспомнить вывод формулы Планка для черного тела, то там излучателями есть квантовые осцилляторы с эквидистантными уровнями, которые излучают определенную частоту и для того чтобы тело давало непрерывный спектр, в нем должно быть бесконечное множество таких осцилляторов, разность между уровнями в которых варьируется от 0 до бесконечности. Я понимаю, что это модель, но тогда почему ни в одном учебнике не написано, какие реальные излучатели моделируются этими осцилляторами.

Написано. Но в более продвинутых учебниках: в учебниках по физике твёрдого тела, описывающих квантовую статистическую теорию таких тел. В таких телах электроны отдельных атомов при помощи замены базиса представляются как "условно" свободные электроны проводимости - "условно" электроны, а на самом деле квазичастицы. Но оставляя это "условно" за скобками, электроны проводимости, как свободные частицы, имеют непрерывный энергетический спектр, и значит, вполне играют роль такого ансамбля осцилляторов, переходя в тепловое равновесие с излучением планковского спектра.

Разумеется, сами "осцилляторы" - подразумеваются степени свободы самого электромагнитного поля, которые небольшой заменой переменных приводятся к виду гармонических осцилляторов. Электроны проводимости нужны лишь для того, чтобы каждый такой полевой осциллятор находился в контакте с остальной системой, приведённой в тепловое равновесие.

 Профиль  
                  
 
 Re: Непрерывность спектра теплового излучения
Сообщение09.04.2011, 20:08 


04/12/10
363
Munin в сообщении #432915 писал(а):
Разумеется, сами "осцилляторы" - подразумеваются степени свободы самого электромагнитного поля, которые небольшой заменой переменных приводятся к виду гармонических осцилляторов. Электроны проводимости нужны лишь для того, чтобы каждый такой полевой осциллятор находился в контакте с остальной системой, приведённой в тепловое равновесие.


Ув. Munin, с металлами дело выглядит проще благодаря электронам, а вот если расмотреть диэлектрик, то могут ли фононы быть кандидатами на те самые осцилляторы, которые и обеспечивают непрерывность спектра? Другими словали, есть ли взаимодействие между фононом и фотоном?

 Профиль  
                  
 
 Re: Непрерывность спектра теплового излучения
Сообщение10.04.2011, 14:55 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


30/01/06
72407
Вапрос, канешно, интересный...

Представим себе типичный диэлектрик. Например, алмаз. Или кварц. Он какой? Прозрачный! Или серу. Она жёлтая. Получается, у всех диэлектриков отношения с фотонами устроены совсем иначе, чем у металлов. Не по-чернотельному. Разумеется, у них спектр не линейчатый, как у газов, но и не сплошной чисто-планковский. Чистый Планк остаётся у металлов и у плазмы, которая всё равно что металл. (У достаточно плотной плазмы, в газоразрядной трубке нет условий для Планка, а вот в фотосфере Солнца - есть.)

Летит себе фотон. И прилетает в диэлектрик. Оглядывается вокруг: а с кем бы провзаимодействовать? Свободных электронов нет, все по лавкам сидят по валентным зонам, не имеющим свободной поверхности Ферми. С фононом (в простейшем случае) взаимодействовать скучно: он незаряжен. Вот так и пролетает фотон насквозь кристалла.

В непростейшем случае (физическая энциклопедия подсказывает, что в ионных кристаллах) с фононами оптических ветвей взаимодействовать можно и нужно. Так что происходит следующее: фотон, попадая в кристалл, превращается в поляритон, который есть некоторая сместь фотона и фонона. И на выходе из кристалла - обратно. За счёт этого кристалл приобретает неединичный коэффициент преломления. И наконец, у поляритонов есть энергетическая щель. В ней фотоны вообще не могут проходить сквозь кристалл, они в нём поглощаются, или нагретым кристаллом - излучаются. Фононы в этой щели существуют, но с фотонами взаимодействуют только около поверхности кристалла. Разумеется, у фононов тепловой спектр (распределение Бозе-Эйнштейна, ибо они бозоны), и он же передаётся фотонам, если они находятся в тепловом равновесии с фононами (например, мы рассматриваем полость в диэлектрике). Так что для фотонов снова получается произведение планковского спектра (который и даётся распределением Бозе-Эйнштейна) на спектр излучения вещества - в данном случае полосовой.

 Профиль  
                  
 
 Re: Непрерывность спектра теплового излучения
Сообщение10.04.2011, 22:03 


04/12/10
363
Если подвести итог, то можно ли утверждать следующее:

1. Тепловое излучение реальных тел независимо от агрегатного состояния - равновесное.
2. Тепловое излучение может иметь как непрерывный, так и полосатый тип спектра, т.е. может иметь любую структуру спектра, зависимо от агрегатного состояния вещества.
3. Спектр теплового излучения лишь абсолютно черного тела имеет непрерывный планковский спектр.
4. Тепловое излучение металлов и плазмы можно можно моделлировать абсолютно черным телом.
5. Тепловое излучение твердых диэлектриков, жидкостей и сверхплотных газов в общем случае, нельзя моделлировать абсолютно черным телом.

?

 Профиль  
                  
 
 Re: Непрерывность спектра теплового излучения
Сообщение10.04.2011, 23:18 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


30/01/06
72407
apv в сообщении #433415 писал(а):
1. Тепловое излучение реальных тел независимо от агрегатного состояния - равновесное.

Надо уточнять, о каком равновесии идёт речь.
1. Тепловое равновесие внутри самого излучающего тела. Да, оно должно быть. Иначе, такое излучение просто некорректно называть тепловым. Например, всякая люминисценция, излучение лазеров - не тепловые виды излучения.
2. Тепловое равновесие между излучающим телом и самим излучением. Нет, оно может отсутствовать. В классических статфизических расчётах рассматривается случай, когда оно присутствует (полость в теле, заполненная излучением), но в жизни очень часто его нет (тело излучает внешней поверхностью, а навстречу не падает излучения того же спектра и мощности. С другой стороны, если все тела одной температуры, включая стенки камеры, или рассматривается излучение в среде, в плазме - этот случай имеет место.
(3.) Ну и теплового равновесия только в подсистеме излучения - просто не может быть. Фотоны друг с другом не взаимодействуют, и приходить в тепловое равновесие не могут. Так что обычно говорят просто о статистическом распределении, совпадающим с таким, которое было бы, если бы они взаимодействовали и пришли в равновесие. За счёт взаимодействия с излучающими телами, или с любыми переизлучающими добавками в системе, фотоны стремятся именно к такой форме распределения (планковской), но могут стремиться слишком медленно.

apv в сообщении #433415 писал(а):
2. Тепловое излучение может иметь как непрерывный, так и полосатый тип спектра, т.е. может иметь любую структуру спектра, зависимо от агрегатного состояния вещества.
3. Спектр теплового излучения лишь абсолютно черного тела имеет непрерывный планковский спектр.

Да.
Да.

apv в сообщении #433415 писал(а):
4. Тепловое излучение металлов и плазмы можно можно моделлировать абсолютно черным телом.

Да, в широких пределах, но всё-таки с оглядкой, чтобы за них не выйти. Например, в жёстком рентгене металлы становятся уже прозрачными. Плазма должна быть равновесной.

apv в сообщении #433415 писал(а):
5. Тепловое излучение твердых диэлектриков, жидкостей и сверхплотных газов в общем случае, нельзя моделлировать абсолютно черным телом.

В общем случае - да. Но могут случаться ситуации, когда можно.

 Профиль  
                  
 
 Re: Непрерывность спектра теплового излучения
Сообщение11.04.2011, 00:31 


04/12/10
363
Munin в сообщении #433447 писал(а):
(3.) Ну и теплового равновесия только в подсистеме излучения - просто не может быть. Фотоны друг с другом не взаимодействуют, и приходить в тепловое равновесие не могут. Так что обычно говорят просто о статистическом распределении, совпадающим с таким, которое было бы, если бы они взаимодействовали и пришли в равновесие. За счёт взаимодействия с излучающими телами, или с любыми переизлучающими добавками в системе, фотоны стремятся именно к такой форме распределения (планковской), но могут стремиться слишком медленно.


Да, знакомо. Это т.н. "пылинка" Планка, которую вводят в полость с идеально отражающими стенками.

Munin в сообщении #433447 писал(а):
2. Тепловое равновесие между излучающим телом и самим излучением. Нет, оно может отсутствовать.


Ну, тогда нужно так сказать: Тепловое излучение тела в полости придет в равновесие с любыми телами внутри полости.
Тут еще интересный вопрос, если расмотреть некое тело вдали от галактик, то оно в итоге будет иметь т-ру реликтового излучения 2.73 К. И если я правильно понимаю, то границами полости, в котую заключено реликтовое излучение есть поверхность последнего рассеяния.

Munin в сообщении #433447 писал(а):
apv в сообщении #433415 писал(а): писал(а):
2. Тепловое излучение может иметь как непрерывный, так и полосатый тип спектра, т.е. может иметь любую структуру спектра, зависимо от агрегатного состояния вещества.

3. Спектр теплового излучения лишь абсолютно черного тела имеет непрерывный планковский спектр.

Да.
Да.


Вот на русской википедии нашел еще одно сбивющее с толку определение
http://ru.wikipedia.org/wiki/Тепловое_излучение писал(а):
Теплово́е излуче́ние — электромагнитное излучение с непрерывным спектром, испускаемое нагретыми телами за счёт их тепловой энергии.


А на английской википедии дано определение, по-моему, корректнее (не упоминается про непрерывность спектра)
Цитата:
Thermal radiation is electromagnetic radiation emitted from all matter due to its possessing thermal energy which is measured by the temperature of the matter.

 Профиль  
                  
 
 Re: Непрерывность спектра теплового излучения
Сообщение11.04.2011, 13:57 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


30/01/06
72407
apv в сообщении #433475 писал(а):
Тут еще интересный вопрос, если расмотреть некое тело вдали от галактик, то оно в итоге будет иметь т-ру реликтового излучения 2.73 К.

Да. Хотя стоит помнить про всё остальное излучение, кроме реликтового (свет звёзд), но его поток мал и на температуру не повлияет.

apv в сообщении #433475 писал(а):
И если я правильно понимаю, то границами полости, в котую заключено реликтовое излучение есть поверхность последнего рассеяния.

Это достаточно условно, поскольку поверхность последнего рассеяния - это не поверхность в пространстве, а 3-поверхность в пространстве-времени, более того, повёрнутая пространственноподобно, то есть как бы "поверхность между прошлым и будущим".

apv в сообщении #433475 писал(а):
Вот на русской википедии нашел еще одно сбивющее с толку определение

Вот за это и не любят Википудию, особенно русскую. Не считайте её авторитетным источником. Сравнивайте свои знания с Физической энциклопедией, как минимум. Очень хороший пятитомник.

 Профиль  
                  
 
 Re: Непрерывность спектра теплового излучения
Сообщение11.04.2011, 13:57 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


30/01/06
72407
apv в сообщении #433475 писал(а):
Тут еще интересный вопрос, если расмотреть некое тело вдали от галактик, то оно в итоге будет иметь т-ру реликтового излучения 2.73 К.

Да. Хотя стоит помнить про всё остальное излучение, кроме реликтового (свет звёзд), но его поток мал и на температуру не повлияет.

apv в сообщении #433475 писал(а):
И если я правильно понимаю, то границами полости, в котую заключено реликтовое излучение есть поверхность последнего рассеяния.

Это достаточно условно, поскольку поверхность последнего рассеяния - это не поверхность в пространстве, а 3-поверхность в пространстве-времени, более того, повёрнутая пространственноподобно, то есть как бы "поверхность между прошлым и будущим".

apv в сообщении #433475 писал(а):
Вот на русской википедии нашел еще одно сбивющее с толку определение

Вот за это и не любят Википудию, особенно русскую. Не считайте её авторитетным источником. Сравнивайте свои знания с Физической энциклопедией, как минимум. Очень хороший пятитомник.

 Профиль  
                  
 
 Re: Непрерывность спектра теплового излучения
Сообщение13.04.2011, 15:30 


29/03/11
110
г. Полоцк
Munin в сообщении #432829 писал(а):
Да, вы правильно поняли. И именно это и наблюдается.




Здравствуйте!

Я не совсем с Вами согласен.
Возможно я не прав, поэтому меня интересует ВАШЕ мнение на мои выводы.

По образованию я не физик, в сложных формулах не разбираюсь, изъясняться могу только пальцем в воздухе, поэтому встревать на форуме, как попугай из ветвей, большого смысла нет.

В данном вопросе все сильно зависит от того, ЧТО Вы рассматриваете -- общие спектры или только видимые спектры.

Дело в том, что уравнения Вина и Планка строились по видимым частотам спектров, которые представляют отдельный участок только серии Бальмера. Формирование общих спектров сильно отличается от видимых частот и представляет общую сумму интенсивностей излучений всех серий. У Вина и Планка не было оборудования для анализа общего спектра излучения. Это является существенно.

Для объяснения, рассмотрим как происходят квантово-термодинамические процессы.

Условие: Будем рассматривать только передачу тепловой энергии излучением в идеальных газах (без изменений фазовых, химических, ядерных и т.д. состояний).

Первое. Известно, что всякое тело имеющее температуру выше 0 К излучает энергию прямо пропорционально температуре.

Второе. Известно, что при поглощении и излучении фотонов изменяются энергии электронов в атомах. Следовательно, можно предположить, что при передаче энергии излучением изменяются энергии электронов атомов. Это является существенно.


Третье,Квантово-термодинамическое равновесие может быть только при равенстве интенсивностей излучения и поглощения фотонов электронами атомов.

Четвертое, Известно, что в адиабатических процессах температура зависит от давления. Следовательно, можно предположить, что интенсивность молярной энергии излучения зависит от давления и энергий электронов в атомах.

Пятое, в адиабатических процессах, при снижении давления происходит снижение интенсивности излучения, это позволяет предположить, что электроны на дискретных уровнях могут оставаться неопределенно долгое время и для их перехода по энергетическим уровням необходимо внешнее воздействие. Это существенно.

Для начала приведу пример, который я не могу объяснить по другому, кроме как квантовотермодинамический.
Возьмем бытовой компрессорный холодильник. Представим, что рабочим газом является идеальный газ (холодильник будет работать и на нем, но хуже, чем при фазовых переходах, но нас интересует сам принцип). В морозильной камере имеется камера расширения. В ней газ имеет низкое давление. Следовательно, электроны захватывая фотоны из окружающего пространства увеличивают свою энергию, но из-за низкого давления не происходит ударов между молекулами и не происходит торможения электронов. Следовательно, в камере расширения энергия поглощения фотонов больше, чем энергия излучения.
Компрессором холодильника газ забирается из камеры расширения и закачивается под большим давлением в охлаждающую решетку на задней стенке холодильника. Под большим давлением молекулы газа интенсивно сталкиваются друг с другом, что приводит к интенсивному излучению фотонов, значительно превышающему интенсивность поступающих внешних фотонов, что приводит к снижению энергий электронов.
Дальше цикл повторяется.


Из работы холодильника получаются выводы:

1. Удельная молярная тепловая энергия (накопленная энергия излучения) зависит от энергии электронов.

2. Спектры газа должны изменяться в зависимости от энергий электронов газа и от давления.

При низких давлениях и высокой энергии электронов максимальная интенсивность общих спектров будет в инфракрасных сериях.

При низких энергиях электронов и высоких давлениях максимальные интенсивности общих спектров должны смещаться в ультрафиолетовые серии.
==================


В гелиевых лампах можно наблюдать изменения спектров излучения в зависимости от изменения давления . Возьмем гелиевые лампы с разными давлениями, создадим условия одинаковых температур. При высоких давлениях спектр излучения смещается в красную сторону (низкие частоты), при снижении спектр излучения смещается в фиолетовую сторону (высокие частоты).

Смещение спектра можно объяснить изменением средних энергий электронов атомов гелия в зависимости от давления при термодинамическом равновесии. Проверить можно анализируя спектры поглощения. Но у меня таких возможностей нет.
3. Следовательно, можно сделать вывод, что при термодинамическом равновесии сосудов с идеальными газами, но имеющими разные давления средняя энергия электронов молекул в сосудах разная, следовательно и максимальная интенсивность общих спектров тоже должна быть разная.
========


Данные выводы противоречат Планковским спектрам.

Следовательно, уравнение Планка действительно только для сплошных спектров твердых и жидких тел, и только в пределах серии Бальмера.

Эти выводы я сделал еще в 1985г. Они показались мне фантастическими, т.к. меняют слишком много в представлении о температурных спектрах. Основная моя специальность далека от физики (механик сельского хозяйства). Поэтому считал, что я ошибаюсь.

Но за прошедшее время я не смог найти ошибок.

Если покажете ошибки буду благодарен.

Меня интересует Ваше мнение.
С уважением, Александр.

 Профиль  
                  
 
 Re: Непрерывность спектра теплового излучения
Сообщение13.04.2011, 15:39 


04/12/10
363
AAK в сообщении #434333 писал(а):
Дело в том, что уравнения Вина и Планка строились по видимым частотам спектров


Откуда такие сведения?
AAK в сообщении #434333 писал(а):
уравнение Планка действительно только для сплошных спектров твердых и жидких тел, и только в пределах серии Бальмера.


Из этой фразы я понял что серия Бальмера есть у твердых и жидких тел. Это какой-то бред. Понятие серии Бальмера, как мне кажется, можно применять для единичного водородоподобного атома. Ну а наблюдать эту серию можно для разреженного атомарного водорода.

 Профиль  
                  
Показать сообщения за:  Поле сортировки  
Начать новую тему Ответить на тему  [ Сообщений: 43 ]  На страницу 1, 2, 3  След.

Модераторы: photon, whiterussian, profrotter, Jnrty, Aer, Парджеттер, Eule_A, Супермодераторы



Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей


Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете добавлять вложения

Найти:
Powered by phpBB © 2000, 2002, 2005, 2007 phpBB Group