مقاله در مورد تابش جسم سياه

 nx دارای 20 صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است فایل ورد nx  کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه  و مراکز دولتی می باشد. این پروژه توسط مرکز nx2 آماده و تنظیم شده است توجه : در صورت  مشاهده  بهم ريختگي احتمالي در متون زير ،دليل ان کپي کردن اين مطالب از داخل فایل ورد مي باشد و در فايل اصلي nx،به هيچ وجه بهم ريختگي وجود ندارد بخشی از متن nx : تابش جسم سیاه فرضیه پلانک ، سرآغاز مکانیک کوانتومی در سال 1900، “ماکس پلانک” ، نظریه‌ای ابداع کرد که با منحنی‌های تجربی تابش جسم سیاه ، مطابقتی عالی از خود ارائه داد. فرض او این بود که اتمهای جسم سیاه ( ماده‌ای که تمام نورهای تابیده به آن را جذب کند ) ، تنها قادرند نورهایی را گسیل سازند که مقادیر انرژی آنها توسط رابطه hv داده می‌شود. در رابطه ، v فرکانس تابش و h ، ثابت تناسب است که به ثابت پلانک معروف است. با قبول مقدار ، منحنی‌هایی بدست می‌آیند که با منحنی‌های تجربی جسم سیاه کاملا مطابقت دارند. کار پلانک سرآغاز مکانیک کوانتومی بود. به دنبال پلانک ، “انیشتین” نیز مشاهدات مزبور را بر اساس اندیشه تشکیل نور از اجزایی ذره گونه تشریح کرد که آنها را فوتون نامید که انرژی هر یک از آنها برابر است با: احتمال و مکانیک کوانتومی موضوع احتمال ، یک نقش اساسی را در مکانیک کوانتومی ایفا می‌کند. در مکانیک کوانتومی ، سروکار ما با احتمالاتی است که با متغیر پیوسته‌ای مانند مختصه x درگیرند. صحبت از احتمال پیدا شدن یک ذره در یک نقطه خاص مانند x = 0.5000 حاوی چندان معنایی نیست، زیرا تعداد نقطه‌ها در روی محور x نامتناهی ، ولی تعداد در اندازه گیریهای ما به هر حال متناهی است و از این رو ، احتمال وصول با دقت به 05000 بی‌نهایت کم خواهد بود. این است که به جای آن از احتمال یافتن ذره در یک فاصله کوتاه از محور x ، واقع بین x+dx , x صحبت می‌شود که در آن dx یک طول بینهایت کوچک است. طبیعتا احتمال فوق متناسب با فاصله کوچک dx بوده و و برای نواحی مختلف محور x متغیر خواهد بود. بنابراین احتمال اینکه ذره در فاصله مابین x و x+dx پیدا شود، مساوی g(x)dx است که در اینجا (g(x بیانگر نحوه تغییرات احتمال روی محور x است. تابع (g(x چون برابر مقدار احتمال در واحد طول است، لذا چگالی احتمال نامیده می‌شود. چون احتمالات ، اعداد حقیقی و غیر منفی‌اند، لذا (g(x باید یک تابع حقیقی باشد که همه جا غیر منفی است. تابع موج می‌تواند هر مقدار منفی و یا مقادیر مختلط را به خود بگیرد و از این نظر به عنوان یک چگالی احتمال محسوب نمی‌شود. مکانیک کوانتومی به عنوان یک اصل می‌پذیرد که چگالی احتمال برابر است.زمینه های بروز مکانیک کوانتومی : نسبیت و مکانیک کونتوم دو نظریه اساسی قرن بیستم هستند . همچنانکه می دانید در آغاز قرن بیستم تحول عطیمی در فیزیک ایجاد شد. از یکطرف ثابت بودن سرعت نور در تمام دستگاه های مختصات ما را به پذیرش نظریه نسبیت می کند. یعنی پذیرفتن اتساع زمان و انقباض مکان.همزمان با این مسئله در سال 1907 با مقاله فوتوالکتریک انیشتین مکانیک موانتوم متولد می شود. بعضی ها هم اعتقاد دارند تاریخ پیدایش مکانیک کوانتوم در سال 1900 با نظریه ماکس پلانک در مورد تابش جسم سیاه می باشد . در یک قرن پیش پلانک روی مسائلی در ارتباط با ویژگی های اساسی حرارت کار می کرد. هنگامی که او در تلاش بود تا ماهیت گرما و نور برخاسته از یک جسم ساده گرم و درخشان «جسم سیاه) را دریابد، متوجه شد که ناگزیر است عقیده ای به ظاهر مسخره را بپذیرد. اینکه انرژی تابشی برخاسته از اجسام نه به صورت پیوسته بلکه در بسته هایی مجزا به اطراف پراکنده می شود. درسال 1900، ماكس پلانك فیزیك دان آلمانی اعلام کرد كه با فرض یك تشعشع الکترومغناطیسی خفیف (در طول موج یا در فركانس)، منحنی فرضی بدست آمده كاملاً با منحنی ناشی از آزمایش منطبق خواهد بود. به عبارت دیگر، انرژی اتمی تابان E با فرمول زیر تعریف می شود:E = n.h.f , n عدد صحیح است , 6,62 x 10-27 s.erg = h ثابت پلانک , f فرکانس نوسانات اتمیاین رویداد شروع عصر مكانیك كوانتومی را رقم زد. به دلیل اینکه پلانك موفق به تعریف انعكاس جسم سیاه شد جایزه نوبل فیزیك را درسال 1918 به خود اختصاص داد. پلانک هر یک از این بسته ها را یک “کوانتوم” نامید. که واژه ای برگرفته از لاتین و به معنای “چه مقدار” است و در جمع “کوانتا” خوانده می شود. و رابطه ای را روی کاغذ آورد که انرژی آنها را به فرکانس ربط می داد. با این کار او پدر نظریه مکانیک کوانتومی شد. این نظریه شامل قوانینی بود که بر این بسته های انرژی حاکم بودند. و البته به زودی مشخص شد که دامنه نفوذ آنها بسیار فراتر از همین بسته هاست. با اینكه منحنی فرضی پلانك با منحنی ای که عملا از آزمایشات به دست می آمد تطبیق كامل داشت، متأسفانه، برای مدّت حداقل 5 سال، فرضیه ی او مبتنی بر ماهیّت خفیف تابش اتمی، تا سال1905 و چاپ مقاله ی اینشتین و شرح آن بر فرضیه ی تأثیرات فوتوالکتریک، استقبال چندانی نیافت. با این حال، تئوری پلانک که وجود دو سطح انرژی اتمی خفیف را برای توضیح تشعشع جرم سیاه بیان می کرد، تابش جسم سیاه هر جسم جامدی کسر یعنی از تابش فرودی بر سطح خود را درمی‌آشامد، بقیه این تابش بازتاب می‌یابد. یک جسم سیاه ایده‌آل به صورت ماده‌ای که تمامی تابش فرودی را ، بدون هیچ بازتابس درمی‌آشامد، تعریف می‌شود از دیدگاه نظریه کوانتومی ، جسم سیاه عبارت است از ماده‌ای که تعداد بیشماری تراز انرژی کوانتیده (در گستره وسیعی از اختلاف انرژیها) است. بطوری که هر نوترونی که با بسامدی بر آن فرود آید در آشامیده می‌شود. از آنجا که انرژی درآشامیده بوسیله یک ماده دمای آن را افزایش می‌دهد، اگر هیچ انرژی گسیل نشود، یک درآشام کامل یا جسم سیاه ، گسیل کننده کامل نیز هست اطلاعات اولیهتمام اجسام در دمای متناهی ، امواج الکترومغناطیسی تابش می‌‌کنند. طیفهای تابشی ناشی از گازهای اتمی ، که در آنها اتمها بسیار از هم دور و فقط بطور ضعیف به هم بر هم کنش می‌کنند، شامل فرکانس‌ها یا طول موجهای گسسته هستند. طیف مولکولها، که علاوه بر گذارهای الکترونی ، با سمعهای ناشی از گذارها دورانی و ارتعاشی همراه هستند، نیز شامل خطوط گسسته‌اندیک جسم جامد ، از لحاظ تابش یا درآشامی از این هم پیچیده‌تر است، و از بعضی لحاظ می‌توان آن را به عنوان یک مولکول بسیار بزرگ که تعداد درجات آزادی آن متناظر افزایش یافته است، در نظر گرفت. تابش گسیل شده توسط جامد ، با تابش تمام فرکانس‌ها یا طول موج‌ها، شامل یک طیف پیوسته است. بر این اساس به صورت ایده‌آل ماده‌ای تعریف می‌شود که می‌تواند تمام فرکانس‌های طیف الکترومغناطیسی را جذب کند. همین جسم اگر چنانچه گرم شود، باید بتواند تمام فرکانس‌های طیف الکترومغناطیسی را تابش کندکاواکی که حفره بسیار کوچکی در روی آن تعبیه شده است، تقریب بسیار خوبی از جسم سیاه است. هر تابشی مه بر این حفره بتابد، از طریق آن وارد کاواک می‌شود و احتمال بسیار کمی وجود دارد که بلافاصله مجددا باز تابیده شود. در عوض بازتابش، این تابش یا درآشامیده می‌شود یا بطور مکرر در دیواره‌های داخلی جسم سیاه بازتاب می‌یابد. در نتیجه عملا تمامی تابش که از طریق این حفره وارد کاواک می‌شود، در این ظرف درآشامیده می‌شودحال اگر کاواک مورد نظر را تا دمای مفروضTحرارت دهیم، دیواره‌های درونی آن، با آهنگ یکسان فوتونها را گسیل می‌کنند و درمی‌آشامند. تحت این شرایط می‌توان گفت که تابش الکترومغناطیسی با دیواره‌های داخلی در تعادل گرمایی است. کیرشهف نشان داد که طبق قانون دوم ترمودینامیک تابش داخل کاواک در هر طول موجی باید همسانگرد (یعنی ، شار تابشی مستقل از راستا باشد)، همگن (شار تابشی در تمام نقاط فضا یکسان باشد) بوده و نیز در تمام کاواک‌هایی که دمایشان برابر است یکسان باشد خواص عمومی تابش جسم سیاهانرزی که در بازه کوچک فرکانسی dv بین فرکانس‌های v و v+dv گسیل می‌شود، در دمای ثابت نخست با فرکانس افزایش پیدا می‌کند، سپس به یک تعداد ماکزیمم می‌رسد، و سرانجام در فرکانس‌های باز هم بالاتر کاهش می‌یابدبا افزایش دمای جسم تابش کننده کسر بیشتری از تابش گسیل شده توسط مولفه‌های فرکانس بالاتر حمل می‌شود طیف تابش جسم سیاه مستقل از ماده‌ای است که تابش کننده از آن ساخته شده است توجیه خواص جسم سیاه با استفاده از نظریه کلاسیکتمام کوششها برای به دست آوردن منحنی‌های مشاهده شده تجربی در مورد تابش جسم سیاه ، با شکست مواجه شد. از جمله این کوشش‌ها می‌توان به قانون وین استفاده کرد. وی با استفاده از مدلی که جز برای تاریخ دانها، برای دیگران جالب نبود، شکل خاصی را برای انرژی تابشی یا گسیل شده بر حسب دما ارائه داد. قانون وین با وجود این که با مفاهیم کلی فیزیک کلاسیک سازگاری نداشت، توانست در فرکانس‌های بالا نتایج تجربی را به خوبی تفسیر کند. اما در فرکانس‌های پایین با مشکل مواجه می‌شد کار دیگری که در این زمینه انجام شد، قانون ریلی – جینز بود. ریلی قانون خود را از دو نتیجه کلاسیکی قانون تقسیم مساوی انرژی و محاسبه تعداد مدهای تابش الکترومغناطیسی محبوس در داخل کاواک بدست آورد. قانون ریلی – جینز نیز در فرکانس بالا که در آن فرمول وین صادق است با نتایج تجربی وفق نمی‌دهد اما در فرکانس‌های پایین می‌توانست منحنی‌ها را توجیه کند. بطور کلی ریلی – جینز نمی‌تواند درست باشد، چون این قانون چگالی انرژی کل را بینهایت پیشگویی می‌کند توجیه موافق با آزمایش تابش جسم سیاهدر سال 1900 ماکس پلانک با تلفیق ماهرانه قوانین وین در فرکانس‌های بالا و ریلی – جینز در فرکانس‌های پایین ، رابطه‌ای را ارائه داد که می‌توانست در تمام فرکانس‌ها با نتایج تجربی در توافق باشد. حسن رابطه پلانک در این است که هرگاه فرکانس به سمت صفر میل کند، این قانون به قانون ریلی – جینز تبدیل می‌شود. همچنین در صورتی که فرکانس بزرگتر باشد، قانون وین نتیجه می‌شود. تابش جسم سیاه و نظریه ی جدید تابش جسم سیاه و ضرورت تدوین نظریه‌ای نوینE =hf هنگامی كه یك جسم گرم شود آن جسم تمام فركانس‌های موجود در طیف الكترومغناطیس را از خود گسیل میدهد این گسیل رابطه مستقیم با مقدار دمای جسم مورد نظر دارد هرچه دماافزایش یابد شدت تابش طول موج‌های كوتاهتر بیشتر می‌شود و در صورتی كه دما كاهش یابد از شدت تابش این طول موج كاسته و طول موج های بلندتر كه در حیطه امواج فروسرخ هستند از جسم گسیل می‌یابد(شدت تابش بستگی به دما و طول موج دارد) گوستا وكیرشف ضمن تحقیقات نظری خود نشان داد كه هر جسم همان مقدار انرژی تابش می‌كند كه درمی‌آشامد یا به عبارتی نسبت انرژی جذب شد به مقدار انرژی تابش شده توسط یك جسم برابر است جسم سیاه كه یك جسم ایده آل است همه تابش های فرود آمده برخود را جذب می‌كند وهنگام انتشار انرژی نیز تمامی طیف‌های انرژی را از خود ساطع می‌نماید. وین فرمولی ارائه كرد كه طول موجهای كوتاه توزیع طیفی تابش جسم سیاه را به خوبی توضیح می دادولی این قانون برای طول موجهای بلند عملا ناكار آمده بوده و دچار خطا و اشتباه می‌شد. بعد از آن دانشمندانی به نامهای ریلی و جینز با ارائه قانونی توانستند تابش جسم سیاه را در فركانس پائین (طول موجهای بلند) پیشگوئی كنند ولی این فرمول رانمی‌شد برای طول موج‌های كوتاه تعمیم داد وداده‌های آن به خوبی با منحنی‌های تجربی سازگار نبود.. پلانك سال 1900 میلادی برای حل این مشكل فرمول وین و ریلی – جینز را باهم تلفیق نمود و فرمول جدیدی برای توجیه رضایت بخش توزیع طیفی تابش جسم سیاه ارائه كرد.پلانك برای اینكه فرمولش با داده‌های تجربی مطابقت پیدا كند این فرض را كه نور به صورت كوانتوم‌هایی باانرژی hfگسیل می‌یابد را بیان نمود با این كار پلانك دنیای جدیدی را به دانشمندان معرفی كرد او با ارائه این نظریه كه انرژی كوانتیزه است، تحول شگرفی در دنیای علم ایجاد نمود. پلانك ادعا كرد انرژی به طریق پیوسته( كه عقیده دانشمندان آن زمان بود) جذب اجسام نمی‌شود و یا از آنها گسیل نمی‌گردد بلكه این انرژی بصورت واحدهای از هم گسسته ای كه به آنها كوانتوم گفته می‌شود از ماده گسیل یا جذب آن می‌شود.گرچه پلانك این نظریه را برای توجیه تابش جسم سیاه یا علاج فاجعه فرابنفش بكار برد ولی اینشتین با استفاده از این دیدگاه جدید درمورد پدیده فوتوالكتریك ونیلز بوهر برای توجیه خطوط طیفی اتم هیدورژن عملا كار آمدی وصحت آن را ثابت نمودنند .برای دانشمندانی كه غرق در فیزیك كلاسیك بودنند و به موجی بودن نور اطمینان قلبی داشتند بسیار مشكل بود كه بپذیرند نور به صورت ذره‌ای رفتار می‌كند. آنها یا باید برای بن بست فیزیك كلاسیك در برطرف كردن بی نهایت بوجود آمده در فرمول ریلی – جینز راهی پیدا می‌كردنند یا باید بدون مقاومت تسلیم نظریه نوپای كوانتوم می‌شدند ولی طی سالها كشمكش آنها نتوانستند این مشكل راكه در فركانس‌های بالا (طول موج‌های كوتاه) میزان انرژی تابشی از جسم سیاه به بی‌نهایت میل می‌كند را حل نمایند. جسم سیاه جسمی که تمام طول موج‌های فرودی را جذب کند ” جسم سیاه” نام دارد به عبارتی دیگر تمام انرژی تابشی رسیده به جسم سیاه جذب شده و چیزی از آن باز نمی‌گردد.با توجّه به رابطه ضریب جذب، برای جسم سیاه داریم: برای تمام طول موج‌ها علت انتخاب چنین اسمی اینست که تمام نور مرئی رسیده به یک جسم سیاه رنگ، جذب می‌شود ولی باید توجّه داشت که جسم سیاه در مبحث فیزیک جدید، تمام امواج الکترومغناطیس تابشی (چه در ناحیه مرئی و چه در ناحیه نامرئی) را جذب می‌کند. پس صرفاً سیاه بودن یک جسم دلیل بر “جسم سیاه” بودن آن نیست و چه بسا ضریب جذب آن برای طول موج‌های غیر مرئی کمتر از یک باشد. طبق آزمایش‌های انجام گرفته هر چه ضریب جذب جسمی بیشتر باشد توان تابشی آن نیز بیشتر است. جسم سیاهی که در آزمایشگاه‌ها بیشتر از آن استفاده می‌شود “کاواک” است. کاواک جسمی توخالی است که یک سوراخ بسیار ریز دارد (همانند شکل زیر) وقتی تابش به کاواک می‌رسد آن قسمت از تابش که به سطح سوراخ می‌رسد وارد آن شده و داخل سطح درونی کاواک بازتاب‌های زیادی انجام می‌دهد، چون در هر برخورد و بازتاب مقداری از انرژی پرتو توسط کاواک جذب می‌شود در نهایت کل تابش وارد شده از سوراخ جذب کاواک خواهد شد، البته مقدار بسیار ناچیزی از انرژی از راه سوراخ به بیرون منتقل می‌گردد. وقتی دمای کاواک زیاد می‌شود دیواره‌های کاواک تابش گرمایی می‌کنند، این امواج فضای داخل کاواک را پر می‌کنند و آن مقدار از تابش که از داخل کاواک بر سوراخ فرود می‌آید، از سوراخ بیرون می‌زند. ادامه خواندن مقاله در مورد تابش جسم سياه

نوشته مقاله در مورد تابش جسم سياه اولین بار در دانلود رایگان پدیدار شد.