“Ánh sáng ấm áp” và bức xạ nhiệt

17

Năm nay đánh dấu kỷ niệm 90 năm ngày sinh của Viện sĩ Sergei Ivanovich Vavilov (12 tháng 3 năm 1891 - 25 tháng 1 năm 1951), một nhà vật lý và nhà tổ chức khoa học xuất sắc của Liên Xô, Chủ tịch Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô, Giám đốc Viện Vật lý P. N. Lebedev thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô. S. I. Vavilov đã có đóng góp rất quan trọng cho sự phát triển của quang học vật lý, chủ yếu là nghiên cứu thời kỳ phát quang. Cùng với học trò của mình là Pavel Alekseevich Cherenkov (do viện sĩ hát) S.I. Vavilov đã phát hiện ra hiệu ứng “electron siêu sáng” nổi tiếng, hiệu ứng này sau này được đặt theo tên các tác giả của khám phá này.
S.I. Vavilov là người tích cực thúc đẩy kiến ​​thức khoa học tự nhiên, là tác giả của một số cuốn sách khoa học phổ thông xuất sắc. Chúng tôi đặt ở đây một chương trong cuốn sách “Về ánh sáng “nói” và “lạnh” của ông, xuất bản năm 1949. Nội dung được đưa ra với những thay đổi nhỏ về mặt biên tập.

S. Vavilov

“Thân ánh sáng” và báo bức xạ

“Chúng ta cần nghĩ đến ánh sáng vô hại của cây sinh học và ngòi phát sáng. Sau đó, chúng ta phải viết rằng ánh sáng và Tellot không phải lúc nào cũng có mối liên hệ với nhau và do đó có thể phân biệt được.”
M. V. Lomonosov

“Đây là một tin tuyệt vời - một ngọn nến.”
Ông Faraday. “Câu chuyện về ngọn nến”

Người ta biết rõ rằng nguồn sáng vẫn chiếm ưu thế cho đến thời của ông - đèn sợi đốt điện tử - đã có trước hàng nghìn năm phát triển và cải tiến. Chưa hết, từ quan điểm cơ bản, đèn sợi đốt khác rất ít so với ngọn lửa nguyên thủy. Ở những điểm cuối chung của bậc thang tiến hóa kéo dài nhiều năm, chúng ta tìm thấy một cơ thể sáng tạo được làm nóng như một nguồn phát. Lúc đầu

le là những hạt than cứng trong ngọn lửa, ở cuối - kim loại vonfram được nung nóng. Sự khác biệt sẽ nằm ở nhiệt độ và các chi tiết quan trọng và quan trọng khác, nhưng không cơ bản.

Đầu tiên chúng ta hãy xem xét các nguồn “ánh sáng rắn” thông thường. Chúng tôi nháy que diêm, tạo ra ngọn lửa và ánh sáng màu vàng nhạt trong thời gian ngắn. Nhiệt độ ngọn lửa rất cao, trên 1500°C. Đồng thời, nếu bạn theo dõi quá trình cháy của que diêm cẩn thận hơn, lúc đầu (ít nhất là ở một số loại diêm) có thể nhận thấy rõ ràng một ánh sáng vàng sắc nét đặc biệt, giống như khi cho muối ăn vào ngọn lửa khí không hạt. Khi ngọn lửa đã bén, một phần gần đầu que diêm có màu xanh nhạt. Tuy nhiên, phần chính của ngọn lửa phát sáng với ánh sáng “thân” màu vàng cam quen thuộc, tùy thuộc vào độ phát sáng của các hạt bụi sahka trong ngọn lửa. Trong một ngọn nến stearin, chúng ta bắt gặp một bức tranh tương tự - ngọn lửa màu vàng cam và phần bấc đèn màu xanh nhạt phát sáng; và ở đây ánh sáng chủ yếu đến từ một phần than tập trung trong ngọn lửa và được nung nóng

18

lên tới nhiệt độ trên 1500°C. Có rất ít sự khác biệt về vấn đề này giữa đèn dầu hỏa và thậm chí cả đèn điện tử sợi đốt. Những mẫu đèn Lodygin và Edison đầu tiên sử dụng dây tóc cacbon được đốt nóng bằng dòng điện. Trong đèn than, nhiệt độ dây tóc cao hơn khoảng 100-200 độ so với nến và lửa. Trong đèn vonfram hiện đại, dây tóc được nung nóng đến khoảng 2700°C. Xét về chất lượng ánh sáng phát ra, những chiếc đèn này vẫn gần với ngọn lửa hơn là với Mặt trời. Nhiệt độ của Mặt trời gần 6000°C; Cho đến nay, chưa có một vật thể nào được làm nóng trong những điều kiện thực tế có thể chấp nhận được lại phát sáng như vậy. Trở ngại là sự nóng chảy của kim loại và sự bay hơi của chúng. Vonfram phù hợp nhất về mặt này (điểm nóng chảy 3380°C và độ bay hơi thấp).

Hơn nữa, khi quan sát bề ngoài, một số đặc điểm chung nổi bật ở nhiều nguồn ánh sáng ấm áp khác nhau - diêm, nến, đèn sợi đốt, Mặt trời. Một trong những tính năng này là như sau. Một nguồn sáng ở cùng nhiệt độ thì vật sáng càng tối, càng đen. Ví dụ, ở cùng một nhiệt độ, thủy tinh thạch anh gần như không tỏa sáng nhưng một mảnh than đen lại phát ra rất mạnh. Tất nhiên, màu đen cũng như màu trắng không thể tăng mãi mãi; đối với nó có một giới hạn khi tất cả ánh sáng, thuộc bất kỳ màu nào, chiếu vào một vật thể đều bị nó hấp thụ không dấu vết. Một vật có đặc tính này được gọi là “vật đen tuyệt đối”. Không khó lắm để nhận ra một cơ thể như vậy có mức độ gần đúng hơn với các điều kiện cần thiết. Mọi người đều biết rằng nếu vào một ngày nắng đẹp, khi mọi thứ xung quanh đều rực rỡ và lấp lánh, bạn nhìn sản phẩm qua cửa sổ hoặc cửa mở vào bên trong một căn phòng kín, thì các bộ phận bên trong của mỗi sản phẩm sẽ có màu đen như than, mặc dù thực tế là các phòng có thể được quét vôi trắng hoặc dán giấy dán tường sáng màu. Điều này xảy ra bởi vì các tia sáng khi đi vào cửa sổ đen đen ánh sáng bên trong chắc chắn sẽ bị hấp thụ ở đó do phản xạ nhiều lần và không thoát ra được.

Từ đây, người ta thấy rõ cách xây dựng một vật thể hoàn toàn đen: nó có thể được làm từ bất kỳ vật liệu nào - than, sắt, sứ trắng, v.v., nếu bạn bố trí một số không gian kín bằng một lỗ nhỏ.

Một vật thể màu đen tuyệt đối có thể được nung nóng đến nhiệt độ cao, chẳng hạn như sợi đốt, và nhiệt độ có thể được giữ không đổi. Bên trong cơ thể, ánh sáng sẽ được phát ra từ các bức tường, ánh sáng này phải được hấp thụ lại ở các bức tường. Cơ thể chúng ta hoàn toàn có màu đen nên khả năng hấp thụ của nó, theo các điều kiện, là tối đa, tức là hoàn toàn. Nhưng đồng thời, chúng ta cũng đã thực hiện các biện pháp để đảm bảo nhiệt độ cơ thể không đổi nên có thể hấp thụ nhiều năng lượng hơn từ bức xạ tối đa, nếu không sự cân bằng nhiệt độ sẽ bị phá vỡ và cơ thể sẽ nóng lên.

Do đó, chúng tôi đi đến kết luận rằng không chỉ độ hấp thụ mà cả sự phát xạ của vật đen tuyệt đối cũng phải là tối đa. Đồng thời, từ lý luận tương tự, người ta suy ra rằng bức xạ, vì nó có giá trị cực đại, cũng như độ hấp thụ, không thể phụ thuộc vào vật liệu tạo nên cơ thể. Kết luận này có ý nghĩa lý thuyết rất lớn. Đây là lý do tạo nên sự tương đồng lớn giữa nhiều nguồn sáng nhiệt khác nhau. Ngọn lửa, diêm, Mặt trời, bóng đèn sợi đốt có đặc tính khá “đen”, chúng gần như là một vật thể hoàn toàn đen. Sự khác biệt phần lớn là do nhiệt độ của Mặt trời xấp xỉ 6000°C và nhiệt độ của que diêm là khoảng 1500°C. Nếu nhiệt độ thấp, vật thể không thể phát sáng bằng cách đốt nóng bằng ánh sáng nhìn thấy trong bóng tối, nó sẽ phát ra những bước sóng chủ yếu là tia hồng ngoại không nhìn thấy được. Khi nhiệt độ cơ thể tăng lên, nó bắt đầu phát ra màu đỏ sẫm. Khi nhiệt độ tăng thêm, bức xạ chuyển sang màu cam, vàng và cuối cùng là màu trắng. Với chất lượng của mặt bên này giống như màu đen tuyệt đối

20

vì năng lượng hấp thụ là $aE_0$; Trong định luật quan trọng này, cần phải nhớ rằng tất cả các đại lượng có trong nó ($a, E$ và $E_0$) đều liên quan đến một bước sóng ánh sáng nhất định $\lambda$ và đến một nhiệt độ nhất định $T$.

Nói cách khác, định luật thành văn có thể được biểu thị như sau: tỷ lệ giữa độ phát xạ nhiệt của bất kỳ vật thể nào với khả năng hấp thụ của nó (đối với dữ liệu $\lambda$ và $T$) bằng độ phát xạ của vật thể đen tuyệt đối (đối với cùng $\lambda$ và $T$).

Do đó, dựa trên những ý tưởng chung nhất về các vật thể (cụ thể là giả sử rằng chúng có thể hấp thụ ánh sáng ở mức độ này hay mức độ khác và ở nhiệt độ không đổi), chúng ta đi đến kết luận rằng bất kỳ vật thể nào - rắn, lỏng, khí - nhất thiết phải phát ra bức xạ nhiệt, nếu chỉ nó ở trạng thái cân bằng nhiệt ở nhiệt độ trên 0 tuyệt đối. Tùy thuộc vào mức độ sưởi ấm, ánh sáng này sẽ hiển thị hoặc không nhìn thấy được.

Như đã đề cập ở trên, có thể dễ dàng chứng minh rằng không thể có một vật thể có bức xạ vượt quá bức xạ của một vật đen tuyệt đối ở cùng nhiệt độ.

Theo nghĩa này, vật đen tuyệt đối là vật phát nhiệt tốt nhất, hoàn hảo nhất, và Faraday, như những lời trích dẫn ở đầu chương, có lý do để ngạc nhiên về cây nến thông thường, những đặc tính của nó khá gần với các đặc tính của vật đen tuyệt đối, chưa kể đến những ứng dụng thực tế của nó.

Tuy nhiên, “sự hoàn hảo” như vậy của một vật thể hoàn toàn đen và nến và đèn sợi đốt gần nó, rất tương đối và có điều kiện. Thực tế là tất cả các “bộ phát nhiệt” đều cực kỳ kém kinh tế theo nghĩa kỹ thuật thông thường của từ này; chúng chỉ chuyển đổi một phần rất nhỏ năng lượng chúng tiêu thụ thành ánh sáng khả kiến. Đối với vật thể hoàn toàn đen ở nhiệt độ 2000°C, chỉ 0,3% năng lượng chuyển thành ánh sáng khả kiến; ở nhiệt độ 3000°C, hiệu suất tăng lên 3%. Nhiệt độ thuận lợi nhất cho một vật thể hoàn toàn đen phải là khoảng 6000°C, tức là bằng nhiệt độ của Mặt trời. Nguyên nhân của điều này, thoạt nhìn có sự trùng hợp đáng ngạc nhiên là do mắt con người, về mặt sinh học, trong quá trình phát triển đã quen với ánh sáng mặt trời, do đó ánh sáng từ bộ phát nhiệt có nhiệt độ mặt trời là tiết kiệm nhất. Tuy nhiên, tính kinh tế của vật thể đen tuyệt đối cao nhất này cũng không lớn; Hệ số hữu ích của hợp đồng là khoảng 13%, tức là 87% tổng năng lượng mà nguồn tiêu thụ là vô dụng đối với mắt. Đối với đèn sợi đốt hiện đại tiết kiệm nhất có công suất 100 W, hệ số hợp đồng nến hữu ích là 2-3%.

Câu hỏi về tác động tự nhiên: tại sao toàn bộ năng lượng truyền vào một vật đen tuyệt đối, hoặc ít nhất là một phần đáng kể của nó, không thể chuyển hóa thành ánh sáng khả kiến?

Đáp số Không dễ để các nhà vật lý có được câu trả lời cho câu hỏi này; Để làm được điều này, về bản chất, cần phải thực hiện cả một cuộc cách mạng trong khoa học; cần phải gạt sang một bên nhiều điều được chấp nhận chung, vốn được coi là một sự thật bất di bất dịch.

Nếu một vật đen hoàn toàn không đổi ở cùng một nhiệt độ và đồng thời phát ra ánh sáng thì tất cả năng lượng không liên tục cung cấp cho vật đó sẽ chuyển thành bức xạ. Chỉ một phần rất nhỏ của bức xạ này được nhìn thấy; phần còn lại tập trung chủ yếu ở vùng tia hồng ngoại không nhìn thấy được có tần số thấp hơn (bước sóng dài hơn) so với ánh sáng khả kiến. Năng lượng được cung cấp được chuyển đổi thành ánh sáng và phân bố giữa các sóng khác nhau, tạo ra phổ bức xạ nhiệt liên tục. Quá trình sản xuất chuyển đổi năng lượng cơ hoặc điện thành nhiệt. Trong trường hợp này, các phân tử của chất tham gia vào các chuyển động tịnh tiến, dao động và quay với nhiều tốc độ khác nhau, phân bố theo một quy luật liên tục. Một sự khác biệt như vậy

21

việc xác định được thực hiện thông qua sự va chạm ngẫu nhiên của các phân tử với nhau. Số lượng phân tử trong một thể tích nhất định là hữu hạn và bằng cách sử dụng các quy tắc tính toán thống kê thông thường, có thể xác định năng lượng trung bình có thể xảy ra nhất của các phân tử và định luật phân bố năng lượng giữa các phân tử.

Cho đến cuối thế kỷ 19, khoa học thường chấp nhận rằng ánh sáng là chuyển động sóng của môi trường lấp đầy không gian. Nhưng nếu ánh sáng thực sự là như vậy, thì không giống như các hạt vật chất, số lượng trong một thể tích hữu hạn, sẽ có vô số khả năng phân bố năng lượng ánh sáng qua sóng ánh sáng, chịu sự cân bằng trong bức xạ nhiệt.

Trên thực tế, vì bức xạ của một vật thể hoàn toàn đen đối với mọi sóng không thể phụ thuộc vào bản chất của chất tạo nên vật thể đó, nên không thể có bất kỳ vạch hoặc dải đặc trưng nào trong quang phổ của nó; tất cả các phần của dao động duy nhất phải có mặt, từ rất nhỏ đến rất lớn trong một sự liên tục. Hơn nữa, theo quan điểm của lý thuyết sóng cổ điển cũ của ánh sáng, tất cả các phần đều có giá trị và không có bất kỳ lợi thế nào so với phần khác. Và điều này có nghĩa là đối với mỗi phần vô cùng nhỏ của quang phổ, trung bình, trong điều kiện cân bằng, có cùng một phần năng lượng vô cùng nhỏ.

Mặt khác, rõ ràng là khi chúng ta chuyển từ phần nhỏ đến phần lớn, chấp nhận đến phần lớn vô hạn, chúng ta sẽ gặp ngày càng nhiều phần vô cùng nhỏ của phần từ đó, mỗi phần chiếm cùng một phần năng lượng vô cùng nhỏ. Nói cách khác, theo quan điểm của lý thuyết sóng cổ điển của ánh sáng trong điều kiện cân bằng nhiệt, năng lượng bức xạ nhất thiết phải tăng liên tục khi nó di chuyển trên quang phổ từ phần đỏ sang phần tím. Tuy nhiên, kết luận này rõ ràng là khác với thực nghiệm. Trên thực tế, trong tất cả các nguồn nhiệt, bắt đầu từ vật đen tuyệt đối, đều có bức xạ cực đại, trong trường hợp nhiệt độ dưới 4000 ° C nằm trong vùng hồng ngoại của quang phổ và chỉ khi đun nóng thêm, nó mới chuyển dần sang phần nhìn thấy được (vàng, xanh lục, v.v.). Trong vùng vật lý, phù hợp với kết luận lý thuyết, năng lượng ở nhiệt độ mà chúng ta quen thuộc không tăng mà trái lại giảm mạnh. Sự mâu thuẫn kinh nghiệm như vậy với những ý tưởng rất chung chung về vật chất và ánh sáng đã được gọi là “thảm họa tím” một cách đúng đắn đối với vật lý học vào thời đó; nó thực sự biểu thị sự cần thiết phải bác bỏ hoàn toàn nhiều quan điểm đã được thiết lập và vạch ra mục tiêu của một cuộc cách mạng trong khoa học tự nhiên.

Trong thí nghiệm, hóa ra năng lượng được phân bổ giữa các tần số ánh sáng gần giống như cách phân bổ năng lượng nhiệt giữa các phân tử, nghĩa là nó không có mức tối đa. Lời giải thích duy nhất có thể có cho thí nghiệm (ở một mức độ nhất định được gợi ý bằng cách so sánh với các phân tử) là như sau. Ngược lại với mọi quan điểm và đặc tính sóng chắc chắn của ánh sáng trong không gian, chúng ta phải chấp nhận rằng năng lượng của nó tập trung ở một số trung tâm nhất định, rằng ánh sáng chỉ được hấp thụ và phát ra bởi các phân tử dưới dạng toàn bộ phần năng lượng, gọi là lượng tử. Lượng năng lượng lượng tử không phải là hằng số; nó tỉ lệ với tần số dao động của ánh sáng v. Hệ số tỉ lệ h luôn bằng nhau; nó có giá trị nhỏ nhưng hiện đã được biết chính xác, bằng 6,62 × 10⁻²⁷ erg s.

Năng lượng lượng tử hν hoàn toàn không đáng kể đối với sóng vô tuyến, do đó cấu trúc sơ cấp của bức xạ trên thực tế không bị thay thế; nhưng lượng tử ngày càng có được những ý nghĩa hữu hình khi nó truyền qua ánh sáng khả kiến ​​tới tia X. Ở đây “hạt” năng lượng ánh sáng xuất hiện đầy đủ rõ ràng và sắc nét.

Gần nửa thế kỷ sau khi khám phá ra lượng tử năng lượng, vô số bằng chứng khác về chúng

22

sự tồn tại. Đây bây giờ là một sự thật được thiết lập vững chắc.

Khái niệm lượng tử năng lượng ánh sáng giải thích đầy đủ các tính chất của bức xạ nhiệt và giúp tính toán phổ phát xạ của nguồn phát hoàn toàn đen ở bất kỳ nhiệt độ nào. Hình 1 cho thấy sự phân bổ năng lượng được tính toán theo cách này trong phổ bức xạ nhiệt của vật thể đen tuyệt đối ở nhiệt độ mặt trời là 6000°C. Mức tối đa của đường cong hiển thị tương ứng với bước sóng 0,483 μm, nghĩa là vùng màu xanh lam của quang phổ.

Hình 2 cho thấy ở dạng logarit dốc sự phân bố năng lượng trong quang phổ của vật đen tuyệt đối trong một phạm vi nhiệt độ rất lớn, bắt đầu từ độ không tuyệt đối đến 50.000 K. Trục hoành biểu thị logarit của bước sóng tính bằng cm và tọa độ hiển thị logarit của giá trị tỷ lệ với cường độ bức xạ. Các đường sóng thực tế được biểu thị ở thang đo thấp hơn tính bằng micron. Với hình ảnh này, cực đại của phổ phát xạ nằm trên một đường thẳng, như được biểu thị bằng đường chấm trong hình. Từ hình này, có thể thấy ngay rằng, chẳng hạn, ở nhiệt độ của cơ thể con người (khoảng 310 K), bức xạ cực đại của vật đen tuyệt đối tương ứng với bước sóng khoảng 10 μm, xa hơn là ở phần hồng ngoại của quang phổ. Độ phát quang tối đa ở nhiệt độ nhiệt thông thường của chúng ta

Hình 2. Trục hoành biểu thị giá trị log λ([λ] = cm), trục tọa độ biểu thị giá trị log 2I_λ ([I] = Bt/cm³). I là cường độ bức xạ, tức là công suất bức xạ trên một đơn vị thể tích của vật đen tuyệt đối.

Mỗi đường cong tương ứng với một nhiệt độ cơ thể đen nhất định (các con số trên đường cong là giá trị T, K).