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 Эта тема закрыта, вы не можете редактировать и оставлять сообщения в ней. На страницу Пред.  1, 2, 3, 4, 5, 6  След.
 
 Re: Распределение по "Планку"
Сообщение29.01.2015, 15:24 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


30/01/06
72407
thorin в сообщении #970386 писал(а):
Судя по формуле, с увеличением длины волны (уменьшением энергии и частоты) интенсивность излучения (и температура) асимптотически стремится к нулю, но никогда нуля не достигает. От обратного: с уменьшением температуры уменьшается энергия (увеличивается длина волны, уменьшается частота) фотонов, но до нуля не доходит.

Ну вот видите: вы посмотрели на формулу, и сразу резко поумнели.

Только надо оговорить, что речь идёт о частоте и длине волны максимума распределения (кстати, максимум по частоте и максимум по длине волны находятся в разных местах, некоторых это настолько удивляет, что они в формулу Планка не верят).

Xey в сообщении #970457 писал(а):
Надо бы отметить, что и концентрация фотонов в полости оказывает влияние на количество фотонов , излучаемых стенкой (если бы не оказывало, то можно было бы обойтись излучающим шариком, а не полостью)

А им и можно обойтись, просто тут как-то надо геометрически запретить фотонам улетать бесконечно далеко. Ну и, шарик должен быть в тепловом равновесии со стенками, той же температуры, или стенки можно считать абсолютно зеркальными.

По сути, каких бы фотонов мы ни напихали в полость в качестве начальных условий, очень быстро они исчезнут, и новые фотоны придут в форму теплового равновесного излучения.

Xey в сообщении #970457 писал(а):
Т.е. атом стенки "чувствует" спектральное распределение излучения в окружающем пространстве и излучает в тех областях спектра, где не хватает до равновесного распределения ?

Вот тут хотелось бы подчеркнуть, что в стенке излучают не отдельные атомы. Если бы там были отдельные атомы, то мы бы пришли к физике спектра газа (в котором как раз отдельные атомы или молекулы и излучают и поглощают). Атом может излучать и поглощать только в отдельных линиях, которые соответствуют переходам между уровнями атома. А вот стенки полости ведут себя не так. Они излучают и поглощают в сплошном спектре, как положено твёрдому телу. Для этого, в твёрдом теле происходит обобществление электронов всех атомов кристаллической решётки (не важно, является ли твёрдое тело молекулярным кристаллом, ионным кристаллом, ковалентным кристаллом, металлом - отличаются только количественные параметры этого обобществления). Отдельные уровни атома превращаются в широкие энергетические зоны. А в зонах возможны переходы с любого уровня на любой уровень, соответствующие любым частотам - разностям между уровнями. (Если говорить точнее, то получается полосовой спектр, но и окна прозрачности, вообще говоря, не абсолютны.) Таким образом, кристалл может взаимодействовать со спектральным распределением излучения не по отдельным линиям, а сразу по всему спектру.

Теперь, что происходит с "чувствованием". Да, в целом так: стенки больше поглощают излучение там, где оно "лишнее" над равновесным планковским, и больше излучают там, где есть "нехватка" до равновесного планковского. Это "брутто"-результат. А детально происходит так. Есть распределение излучения - на другом языке, заселённость энергетической зоны фотонов. И есть в кристалле заселённость энергетических зон электронов.

    Электроны очень похожи на "обычное население": они переходят с уровня на уровень, как переезжают с квартиры на квартиру, в одном месте появляется электрон, в другом на его месте остаётся пустота (иногда называемая дыркой). Это связано со свойством, которое называется закон сохранения числа частиц: есть в квантовой теории такой закон для электронов. А для фотонов такого закона нет. Фотон может появиться из ниоткуда и исчезнуть бесследно. Собственно, именно этим они и занимаются, а не "переезжают" туда-сюда.

    Второе: для электронов уровни очень похожи на квартиру: на один уровень может поместиться только один электрон (точнее, на одну ячейку в пространстве импульсов, и не один, а два, но это мелочи). А для фотонов, "квартиры безразмерные": на один уровень может поместиться сколько угодно фотонов, и более того, чем больше их там толпится, тем больше вероятность, что там их окажется ещё больше. Оба этих свойства (включая закон сохранения числа частиц) - следствия того, что электроны имеют статистику Ферми-Дирака, а фотоны - статистику Бозе-Эйнштейна.

Ну так вот. Есть энергетическая зона фотонов - одна и непрерывная, $(0,+\infty),$ и в ней - заселённость фотонов. И есть энергетические зоны электронов, и в них - соответственно функция заселённости электронов. И они между собой взаимодействуют. Электроны пытаются падать вниз, излучая при этом фотоны. Фотоны пытаются погибнуть, передав свою энергию электрону. Но на их попытки есть ограничения: электрон переходит на другой уровень вниз, с учётом того, занят ли электронный уровень внизу (если занят, тогда он не переходит), и с учётом того, занят ли фотонный уровень для того фотона, который он излучит (если занят, то переходит, с увеличенной вероятностью - это называется индуцированное излучение). А "вверх" происходит, опять же, с учётом, занят ли электронный уровень вверху, и с учётом того, есть ли вообще фотон, который надо поглотить (и если их есть несколько, то поглощение происходит с увеличенной вероятностью). И все эти факторы, если их взять в целом, как они влияют на вероятности многих таких переходов, приводят к тому, что распределения и электронов, и фотонов "устаканиваются" в состояние равновесия, в форме распределения Ферми-Дирака для электронов, и в форме распределения Бозе-Эйнштейна для бозонов. И эти два распределения - имеют одну и ту же температуру.

Эту задачу на простом уровне решают в курсе статистической физики: там находят точку равновесия, и показывают, что она имеет вид Ферми-Дирака, Максвелла-Больцмана или Бозе-Эйнштейна, в зависимости от статистики. А детально, чтобы показать, как происходит наступление равновесия, надо решать интегро-дифференциальное уравнение, и это рассматривается в курсе физической кинетики.

 Профиль  
                  
 
 Re: Распределение по "Планку"
Сообщение29.01.2015, 15:26 
Заслуженный участник


28/12/12
7777
Xey в сообщении #970457 писал(а):
Надо бы отметить, что и концентрация фотонов в полости оказывает влияние на количество фотонов , излучаемых стенкой (если бы не оказывало, то можно было бы обойтись излучающим шариком, а не полостью)

В приближении, когда говорим про формулу Планка, не оказывает. В случае с шариком нельзя просто определить плотность фотонов.

 Профиль  
                  
 
 Re: Распределение по "Планку"
Сообщение29.01.2015, 15:42 


14/01/15

57
Munin
А когда фотоны в полости занимают один и тот же энергетический уровень (по статистике Бозе-Эйнштейна), то как они себя ведут? Опять каждый фотон ведет себя как обычный фотон, или что то меняется в свойствах фотонов?

-- 29.01.2015, 08:49 --

Munin в сообщении #970516 писал(а):
Только надо оговорить, что речь идёт о частоте и длине волны максимума распределения (кстати, максимум по частоте и максимум по длине волны находятся в разных местах, некоторых это настолько удивляет, что они в формулу Планка не верят).


А как на счет минимума?

 Профиль  
                  
 
 Re: Распределение по "Планку"
Сообщение29.01.2015, 18:06 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


30/01/06
72407
thorin в сообщении #970531 писал(а):
А когда фотоны в полости занимают один и тот же энергетический уровень (по статистике Бозе-Эйнштейна), то как они себя ведут? Опять каждый фотон ведет себя как обычный фотон, или что то меняется в свойствах фотонов?

Они участвуют во всех процессах с увеличенной вероятностью. Когда одно и то же квантовое состояние занимают $N$ фотонов, то вероятность для каждого поучаствовать в каком-то процессе увеличивается в $N$ раз (или в $N+1$).

thorin в сообщении #970531 писал(а):
А как на счет минимума?

:facepalm:

Ну посмотрите на формулу. Где у неё минимум?

 Профиль  
                  
 
 Re: Распределение по "Планку"
Сообщение29.01.2015, 18:08 


14/01/15

57
Munin в сообщении #970643 писал(а):
Ну посмотрите на формулу. Где у неё минимум?


Нету минимума :facepalm:

 Профиль  
                  
 
 Re: Распределение по "Планку"
Сообщение30.01.2015, 12:35 
Заслуженный участник


07/07/09
5408
Munin в сообщении #970516 писал(а):
есть ограничения: электрон переходит на другой уровень вниз, с учётом того, занят ли электронный уровень внизу (если занят, тогда он не переходит), и с учётом того, занят ли фотонный уровень для того фотона, который он излучит (если занят, то переходит, с увеличенной вероятностью - это называется индуцированное излучение). А "вверх" происходит, опять же, с учётом, занят ли электронный уровень вверху, и с учётом того, есть ли вообще фотон, который надо поглотить (и если их есть несколько, то поглощение происходит с увеличенной вероятностью).

С переходом электрона вверх все сходится , чем больше фотонов в полости , тем быстрей они поглощаются твердым телом.
Мне не очень понятно с переходом электрона вниз, (в выделенной фразе). Казалось бы, присутствие в полости фотонов данной частоты должно притормаживать испускание новых фотонов этой частоты. Иначе полость станет лазером, чем больше фотонов уже есть в полости, тем больше их излучается?


По поводу соотношения распределений Планка и Ферми-Дирака.
Твердое тело "поддерживает внутри себя" распределение Ферми-Дирака .
Изображение
Если какие-то фотоны (например посветим лазером) будут нарушать это распределение, то тепловые колебания в теле скомпенсирует эти отклонения.

По кривой Ферми-Дирака видно, что фотон с большой энергией может излучиться при переходах между ограниченным числом пар уровней (мало заполненных высоких и мало свободных низких), а фотон со средней и малой энергией может излучиться со множества пар уровней.
Т.е. кривая Планка это следствие из распределения Ферми-Дирака .

 Профиль  
                  
 
 Re: Распределение по "Планку"
Сообщение30.01.2015, 12:56 
Заслуженный участник


28/12/12
7777
Xey в сообщении #971106 писал(а):
Твердое тело "поддерживает внутри себя" распределение Ферми-Дирака .
Если какие-то фотоны (например посветим лазером) будут нарушать это распределение, то тепловые колебания в теле скомпенсирует эти отклонения.

Распределение Ферми-Дирака не имеет отношения к тепловым колебаниям.

Xey в сообщении #971106 писал(а):
кривая Планка это следствие из распределения Ферми-Дирака

Планк, еяпп, вывел свою формулу, рассматривая классическое больцмановское распределение осцилляторов.

-- 30.01.2015, 15:57 --

Xey в сообщении #971106 писал(а):
азалось бы, присутствие в полости фотонов данной частоты должно притормаживать испускание новых фотонов этой частоты. Иначе полость станет лазером, чем больше фотонов уже есть в полости, тем больше их излучается?

Между "притормаживать" (уменьшение вероятности излучения) и "чем больше, тем больше" (увеличение вероятности излучения) есть еще возможность, когда вероятность излучения от числа фотонов в полости не зависит. По-моему, именно эта возможность и реализуется.

 Профиль  
                  
 
 Re: Распределение по "Планку"
Сообщение30.01.2015, 13:26 
Заслуженный участник


29/11/11
4390
Xey в сообщении #970457 писал(а):
Т.е. атом стенки "чувствует" спектральное распределение излучения в окружающем пространстве и излучает в тех областях спектра, где не хватает до равновесного распределения ?


Чтобы получить предопределенное распределение случайной величины вовсе не обязательно следить за тем какие именно значения она принимала раньше :)

 Профиль  
                  
 
 Re: Распределение по "Планку"
Сообщение30.01.2015, 13:51 
Заслуженный участник


07/07/09
5408
DimaM в сообщении #971113 писал(а):
есть еще возможность, когда вероятность излучения от числа фотонов в полости не зависит.

Это спонтанное, но здесь же понадобилось вынужденное излучение.

DimaM в сообщении #971113 писал(а):
Распределение Ферми-Дирака не имеет отношения к тепловым колебаниям.

А к температуре, а это не колебания?

DimaM в сообщении #971113 писал(а):
Планк, еяпп, вывел свою формулу, рассматривая классическое больцмановское распределение осцилляторов.

Есть легенда, что подставил единичку и потом долго не могли это интерпретировать.
Так связь с распределением Ферми-Дирака есть ?

-- Пт янв 30, 2015 15:00:28 --

rustot в сообщении #971121 писал(а):
Чтобы получить предопределенное распределение

Вот и хотелось бы уточнить, чем оно предопределено. Я увидел фразу
Munin в сообщении #970171 писал(а):
В полости всегда есть фотоны только потому, что они всегда излучаются стенками. Если стенки будут излучать меньше фотонов - то и в полости будет меньше фотонов.

с которой согласен, поэтому хотелось бы связать то, что творится в полости, с тем , что имеет место на стенках полости.

 Профиль  
                  
 
 Re: Распределение по "Планку"
Сообщение30.01.2015, 14:20 
Заслуженный участник


29/11/11
4390
Xey в сообщении #971129 писал(а):
Вот и хотелось бы уточнить, чем оно предопределено. Я увидел фразу


Ну так температурой излучающего тела. Какая температура у стенок коробки такое распределение фотонов по энергиям и количеству она и излучает, а позже она же и поглощает.

 Профиль  
                  
 
 Re: Распределение по "Планку"
Сообщение30.01.2015, 14:26 
Заслуженный участник


28/12/12
7777
Xey в сообщении #971129 писал(а):
Это спонтанное, но здесь же понадобилось вынужденное излучение.

Где? Вроде, мы обсуждаем плотность энергии равновесного излучения в полости.

rustot в сообщении #971141 писал(а):
А к температуре, а это не колебания?

Для Ферми-Дирака - не колебания. Зачем смешивать в кучу разнородные сущности? Понимания от этого явно не прибавится.

rustot в сообщении #971141 писал(а):
Так связь с распределением Ферми-Дирака есть ?

Буковка $T$ одна и та же.

 Профиль  
                  
 
 Re: Распределение по "Планку"
Сообщение30.01.2015, 15:12 
Заслуженный участник


07/07/09
5408
rustot в сообщении #971141 писал(а):
Ну так температурой излучающего тела. Какая температура у стенок коробки такое распределение фотонов по энергиям и количеству она и излучает,

Температура это отсчет на градуснике . Она проявляется в энергии (амплитуде) колебаний атомов, в степени возбуждения электронов, в распределении электронов по уровням .
И последнее определяет распределение фотонов по энергиям.

 Профиль  
                  
 
 Re: Распределение по "Планку"
Сообщение30.01.2015, 15:19 
Заслуженный участник


28/12/12
7777
Xey в сообщении #971158 писал(а):
И последнее определяет распределение фотонов по энергиям.

Здесь хотелось бы увидеть аргументацию.

 Профиль  
                  
 
 Re: Распределение по "Планку"
Сообщение30.01.2015, 15:24 


16/01/15

100
Xey в сообщении #971158 писал(а):
Температура это отсчет на градуснике . Она проявляется в энергии (амплитуде) колебаний атомов, в степени возбуждения электронов, в распределении электронов по уровням .
И последнее определяет распределение фотонов по энергиям.


Если в некой области есть чернотельное излучение, то с остыванием у него постоянно уменьшается количество фотонов? Например, реликтовое излучение в момент последнего рассеяния состояло из намного большего количества фотонов, чем сейчас, и с расширением Вселенной это количество уменьшается.
А если электронов не существует, то что определяет распределение фотонов по энергиям?

 Профиль  
                  
 
 Re: Распределение по "Планку"
Сообщение30.01.2015, 15:36 
Заслуженный участник


07/07/09
5408
jlecter в сообщении #971164 писал(а):
А если электронов не существует, то что определяет распределение фотонов по энергиям?


Видимо то, из чего они появились и на чем рассеялись в последний раз.
Сами по себе они ничего не умеют делать, ни родиться, ни исчезнуть, ни даже свернуть.

 Профиль  
                  
Показать сообщения за:  Поле сортировки  
Начать новую тему Эта тема закрыта, вы не можете редактировать и оставлять сообщения в ней.  [ Сообщений: 79 ]  На страницу Пред.  1, 2, 3, 4, 5, 6  След.

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



Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: Утундрий


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