Ultraviolette catastrofe: 5 interessante feiten om te weten

by

Inhoud: Ultraviolette catastrofe

Wat is een ultraviolette catastrofe?

Ultraviolette ramp, ook gekend als Rayleigh-Jeans catastrofe verwijst naar de afwijking van de statistische afleiding van de Rayleigh-spijkerbroek wet op korte golflengten. Volgens de wet van Rayleigh-Jeans zou een zwart lichaam in thermisch evenwicht uitstralen in het hele frequentiebereik en meer energie uitzenden naarmate de golflengte afneemt. Met andere woorden, het stelt dat naarmate de frequentie toeneemt, het zwartlichaam een ​​willekeurig grote hoeveelheid energie begint uit te stralen. Dit patroon wordt echter fysiek niet gezien. De fout tussen de voorspelde hoeveelheid energiestraling en de verkregen hoeveelheid energiestraling is veel meer uitgesproken bij kortere golflengten. Daarom wordt het de ultraviolette catastrofe genoemd.

Wat is ultraviolet licht?

Ultraviolet licht is elektromagnetische straling met een freqn tussen 8 × 1014 en 3 × 1016 Hz-bereik en golflengte tussen 0.4 x 10-6 - 10-8 meter, dus ultraviolet licht valt niet binnen het zichtbare bereik van het menselijk gezichtsvermogen. De ultraviolette catastrofe is prominent aanwezig in deze golflengten. Ultraviolette stralen worden op grote schaal gebruikt bij het vernietigen van macrobacteriën en het steriliseren van medische apparatuur, hoewel overmatige blootstelling aan ultraviolette stralen misschien niet goed is voor de mens en verschillende huidinfecties kan veroorzaken. Ultraviolette (UV) sensoren of detectoren worden gebruikt voor het detecteren van de UV-straling die wordt uitgezonden tijdens de ontstekingstijd. UV vlam sensoren zijn in staat om branden en explosies te detecteren binnen een tijdsbestek van 3-4 milliseconden.

Wat is een zwartlichaam?

In 1860 gaf Gustav Kirchhoff het eerste idee van een zwarte. Hij verklaarde dat

..de veronderstelling dat lichamen kunnen worden voorgesteld die, voor oneindig kleine diktes, alle invallende stralen volledig absorberen, en deze niet reflecteren of doorlaten. Ik zal zulke lichamen bellen perfect zwart, of, korter, zwarte lichamen

"Over de relatie tussen de uitstralende en absorberende krachten van verschillende lichamen voor licht en warmte"

Een zwart lichaam is een materiaal dat in staat is om licht van elke golflengte of frequentie, dwz (e = a = 1), te absorberen en uit te zenden. In de natuur kan geen 100% zwart lichaam worden gevonden. Een materiaal dat bekend staat als carbon black is het dichtst bij een echt zwart lichaam op aarde. De zon is een van de belangrijkste zwarte lichamen in het universum en zendt licht van alle golflengten uit. Wanneer een zwart lichaam in thermisch evenwicht is, zendt het de straling van het zwart lichaam uit. Blackbody-straling verwijst naar de straling die wordt uitgezonden door een blackbody in elke mogelijke golflengte van licht. Het is ook bekend als holtestraling.

Verklaring van de Rayleigh-jeanswet

Tde Britse natuurkundige Lord Rayleigh en Sir James Jeans heeft de spectrale emissie van een zwart lichaam gemeten in de basis van de klassieke fysica en meerdere empirische factoren, die als.

“Een zwart lichaam bij thermisch evenwicht will zendt straling uit in alle freq. bereiken en als de freq. verhoging van de energie van emissie van straling verhogen”.

~ Lord Rayleigh en Sir James Jeans

De wiskundige vergelijking van de wet van Rayleigh-jeans is

4
Hier u(u) is stralingsenergiedichtheid, u is frequentie, T is de temperatuur in Kelvin, c is de snelheid van het licht, K is Boltzmann constant. (ultraviolette catatrofe)

Volgens de hierboven getoonde uitdrukking is de stralingsenergiedichtheid recht evenredig met de frequentie, dwz met een toename in frequentie zou de stralingsenergie ook moeten toenemen divergerend naar oneindig als de golflengte neigt naar nul. Deze wet toonde een grote fout aan in de klassieke fysica-theorie.

Probleem met de Rayleigh-Jeans-wet

Alle harmonische oscillatormodi of vrijheidsgraden van een blackbody-systeem bij evenwicht moeten een gemiddelde energie hebben die gelijk is aan KT, zoals aangegeven door de equipartitie stelling van klassieke statistische mechanica. Volgens de wet van Rayleigh-Jeans divergeert stralingsenergie naar oneindig omdat de golflengte naar nul neigt. Dit betekent dat het uitgestraalde vermogen onbeperkt is bij een bepaald hoogfrequent bereik. Dit is duidelijk in strijd met de natuurkundige wetten die stellen dat een object nooit een oneindige hoeveelheid kracht of energie kan bezitten, zoals bewezen door Albert Einstein.

Bovendien waren de verkregen energiewaarden, fysiek gemeten, veel verschillend van de voorspelde waarden. De fout tussen de voorspelde hoeveelheid energiestraling en de verkregen hoeveelheid energiestraling is veel meer uitgesproken bij kortere golflengten, wat leidt tot de ultraviolette catastrofe.

ULTRAVIOLETTE CATASTROFE
De zwarte curve geeft de waarden aan die worden voorspeld door de wet van Rayleigh-Jeans, hier geven de blauwe, groene en rode curven de waarden aan die worden gemeten door de wet van Planck bij verschillende golflengten. Afbeeldingsbron: Darth Kule, Zwart lichaam, gemarkeerd als openbaar domein, meer informatie over Wikimedia Commons (ultraviolette catastrofe.

Dit was een enorm nadeel van de Rayleigh-Jeans-wet. Deze kwestie van de ultraviolette catastrofe werd later opgelost door Max Planck en Albert Einstein door respectievelijk de wet van Planck en de vergelijking van Einstein te vormen.

Verklaring van de wet van Planck

In de jaren 1900 werkte Max Planck uitgebreid aan elektromagnetische straling en formuleerde hij een van de belangrijkste en meest controversiële wetten van de eeuw. Volgens hem kwam stralingsenergie in kleine discrete pakketjes, quanta genaamd, die evenredig is met de frequentie van de straling. Zijn verklaring was:

De energie van elektromagnetische straling is beperkt tot ondeelbare pakketten (bekend als 'quanta'). Eén van elk pakket heeft dezelfde energie als het product van de constante van Planck en de frequentie van de straling.

~ Max Planck

De wiskundige vergelijking van Planck's wet van intensiteit spectrale verdelingsfunctie is

6
h is de constante van Planck, u is frequentie, c is de lichtsnelheid, λ is de golflengte.

Dit leidde tot de formulering van de juiste vorm van de spectrale verdelingsfuncties (zoals hieronder weergegeven formuleringen) geschat door de populaire wetenschapper Einstein (in het jaar 1905) en Satyendra Nath Bose (in het jaar 1924). Deze verdelingsfactor is niet geheel evenredig met de frequentie. De omgekeerde evenredigheid met de exponentiële factor draagt ​​bij aan het beperken van de energiewaarden die worden verkregen bij kortere golflengten of langere frequenties. Deze vergelijking zou in feite de experimenteel verkregen waarden van stralingsenergie bij een gegeven golflengte kunnen voorspellen, waardoor de ultraviolette catastrofe wordt geëlimineerd.

5
Hier u(u) is stralingsenergiedichtheid, u is frequentie, T is de temperatuur in Kelvin, c is de snelheid van het licht, K is Boltzmann-constante, h is de constante van Planck.

De wet van Planck leidde ook tot de formulering van de theorie achter het foto-elektrische effect door Einstein. Een elektron dat aanwezig is in een lagere energietoestand heeft de neiging om externe energie te absorberen in de vorm van licht (fotonen) om een ​​hogere energietoestand te bereiken en treedt alleen op als de energie aanwezig in het foton identiek is aan de verschillen in energieën tussen de twee niveaus. .

Om meer te weten over licht bezoek hier

Lees ook:

     

Laat een bericht achter