„Hőmérsékleti sugárzás” változatai közötti eltérés

elirasok jav., kieg, átfogalmazás, link, korr
(hősugárzás: talán így jó)
(elirasok jav., kieg, átfogalmazás, link, korr)
[[Fájl:Hot metalwork.jpg|thumb|right|250px|Forró fém hősugárzása]]
 
A '''hőmérsékletiHőmérsékleti sugárzás'''nak nevezzük az anyag hőmozgása miatt kibocsátott [[elektromágneses sugárzás]]at. A testek minden T > 0 K [[hőmérséklet]]en elektromágneses hullámokat bocsátanak ki, a környezet hőmérsékletétől függetlenül. A sugárzás kibocsátásakor ''(emisszó)'' lényegében a test [[belső energia|belső energájaenergiája]] átalakul [[elektromágneses energia|elektromágneses energiává]], a sugárzás elnyelésekor ''(abszorpció)'' pedig az elektromágneses energia alakul belső energáváenergiává.
 
A hőmérsékleti sugárzás emissziójával és abszorpciójával valósul meg a [[hőátadás]] egy lehetséges formája, a '''hősugárzás'''. Bruttó hőátadás akkor történik, amikor egy melegebb test által kibocsátott elektromágneses sugárzást egy hidegebb test elnyelielnyel.
 
== A hőmérsékleti sugárzás néhány kvalitatív tulajdonsága ==
=== Kirchhoff sugárzási törvénye ===
[[Gustav Robert Kirchhoff]] (német fizikus (1824 – 1887); sugárzási törvénye szerint (1859) bármely testnél egy adott hullámhosszon és hőmérsékleten a spektrális emisszióképesség és az abszorpcióképesség hányadosa állandó.
 
A törvénynek atörvény következményei:
* Mivel bármely test spektrális emisszióképessége felírható abszorpcióképességének és az [[abszolút fekete test]] spektrális emisszióképességének a szorzataként, ezért megállapítható, hogy egy adott hullámhosszon és hőmérsékleten a fekete test emisszióképessége a legnagyobb.
Ebből az is következik, hogy az összemisszió-képessége is az abszolút fekete testnek a legnagyobb, vagyis egy adott hőmérsékleten a fekete test sugároz a legjobban.
* Ha egy test adott hullámhosszon és hőmérsékleten sugároz, akkor ezen a hullámhosszon és hőmérsékleten abszorbeál is. Fordítva ez nem teljesül; ha egy test adott hullámhosszon és hőmérsékleten sugarakat nyel el, akkor még nem biztos, hogy azon a hőmérsekletenhőmérsékleten ki is bocsátja azokat.
 
=== Stefan-Boltzmann törvény ===
A [[Stefan–Boltzmann-törvény]] ([[Joseph Stefan]], osztrák fizikus (1835 – 1893), ([[Ludwig Eduard Boltzmann]] (1844 – 1906) osztrák fizikus és filozófus), szerint az abszolút fekete test összemisszió-képessége (fluxusa sűrűségfluxussűrűség) egyenesen arányos a termodinamikai (abszolút) hőmérséklet negyedik hatványával:
 
<math> j^{\star} = \sigma T^{4}.</math>
<math>\sigma</math> a Stefan-Boltzmann állandó
 
=== Wien-féle eltolódási törvény (Wien I. törvénye) ===
 
[[Wilhelm Wien]] (német fizikus, 1864 – 1928, Nobel –díjNobel–díj: 1911) az abszolút fekete test '''T''' hőmérsékletéhez tartozó spektrális emisszióképesség görbéjének maximumhelyére vonatkozóan állapított meg törvényt (1893). A törvény szerint az abszolút fekete test emisszióképességének hullámhossz szerinti maximumhelye (''λ''<sub>max</sub>) fordítva arányos a termodinamikai hőmérséklettel:
A törvény szerint az abszolút fekete test emisszióképességének hullámhossz szerinti maximum maximumhelye (''λ''<sub>max</sub>) fordítva arányos a termodinamikai hőmérséklettel:
<math>\lambda_\max = \frac{b}{T} </math>
 
ahol
 
''T'' a fekete test abszolút hőmérséklete,
''b'' a Wien –féleWien–féle eltolódási állandó
Az eltolódási törvény kvalitatív igazolása látható akkor, amikor egy izzó test (pl. izzó vasdarab) színét vizsgáljuk a hevítés során. Alacsony hőmérsékleten az izzó test vörös színű. A hőmérséklet emelkedésével a test színe világos vörös, sárgás fehéres, végül kellően magas hőmérsékleten kékes színűvé válik. A jelenség azzal magyarázható, hogy a spektrális emisszióképesség maximuma a növekvő hőmérséklettel a csökkenő hullámhossz felé, vagyis a vörös tartományból az ibolya felé tolódik. A csillagok színe és az ebből adódó elnevezés is (vörös óriás, fehér törpe) az eltolódási törvénnyel magyarázható.
 
=== Wien II. sugárzási törvénye ===
Kevésbé ismert Wien második törvénye, amely a maximális intenzitásérték hõmérsékletfüggéséthőmérsékletfüggését adja meg. Eszerint a maximális intenzitás értéke a hõmérséklethőmérséklet ötödik hatványával arányos, vagyis:
 
<math> I_{max}=K\ T^5</math>
 
=== Rayleigh–Jeans-törvény ===
John Rayleigh, ([[John William Strutt]] III. Lord Rayleigh, angol fizikus, (1842 – 1919); Nobel -díj,: 1904) és [[James Jeans]] (angol fizikus és csillagász (1877 – 1946) 1900-ban a spektrális emisszióképességet leíró függvény analitikai alakjának elméleti úton történő levezetését a klasszikus fizika alapján kísérelte megoldani.
 
<math>B_\nu(T) = \frac{2 \nu^2 k T}{c^2}.</math>
 
A Rayleigh–Jeans törvény a megfigyeléseknek megfelel nagy hullámhosszokon (vagyis alacsony frekvenciákon), de rövidhullámokon erősen ellentmond a megfigyeléseknek. Ez a az ellentmondásosság a képlet és a megfigyelések között általánosan "[[ultraibolya katasztrófa"]] néven ismert.<ref>''Astronomy: A Physical Perspective'', Mark L. Kutner pp. 15</ref><ref>''Radiative Processes in Astrophysics'', Rybicki and Lightman pp. 20–28</ref>
 
A problémát nem lehetett megoldani a klasszikus fizika alapján.
 
== Planck hipotézise és sugárzási törvénye ==
A hőmérsékleti sugárzás problémáját [[Max Planck]] (német fizikus (1858 -1947), Nobel –díj,Nobel–díj: 1918) oldotta meg. Planck abból a feltevésből indult ki, hogy az oszcillátorokra növekvő frekvencia esetén nem juthat kT átlagos energia, hanem annál kisebb. Plancknak a hőmérsékleti sugárzás problémáját úgy sikerült megoldania, hogy a klasszikus fizikától merőben eltérő új hipotézissel élt: az oszcillátorok energiája nem folytonos, hanem
Planck abból a feltevésből indult ki, hogy az oszcillátorokra növekvő frekvencia esetén nem juthat kT átlagos energia, hanem annál kisebb. Plancknak a hőmérsékleti sugárzás problémáját úgy sikerült megoldania, hogy a klasszikus fizikától merőben eltérő új hipotézissel élt: az oszcillátorok energiája nem folytonos, hanem
 
:<math>E = h \cdot \nu</math>
energiakvantumokból tevődik össze (a h együtthatót Planck-állandónak nevezik).
Ezt nevezik Planck hipotézisnek, melyet először 1900.december 14-én jelentett be a porosz akadémia ülésén.
 
energiakvantumokból tevődik össze (a h együtthatót Planck-állandónak nevezik). Ezt nevezik Planck hipotézisnek, melyet először 1900. december 14-én jelentett be a porosz akadémia ülésén. Ekkor merült fel először a sugárzás korpuszkuláris jellege, innen számítjuk a [[kvantumfizika]] kezdetét.
 
A Planck sugárzási törvény több formája is használatos.
 
A Planck sugárzási törvény több formája is használatos.
A frekvencia függvényében <math>\nu</math>, <ref name="Planck 1914 6 168">Planck 1914, p. 6 and p. 168</ref><ref name="Rybicki 1979 22">{{harv|Rybicki|Lightman|1979|p=22}}</ref>
 
:<math>I(\nu,T) =\frac{ 2 h\nu^{3}}{c^2}\frac{1}{ e^{\frac{h\nu}{kT}}-1}.</math>
 
Planck törvénye felírható a spektrális energia sűrűség függvényekéntsűrűségfüggvényeként is.
<ref name="Planck 1914 6 168"/><ref name="BrehmMullin">Brehm, J.J. and Mullin, W.J., "Introduction to the Structure of Matter: A Course in Modern Physics," (Wiley, New York, 1989) ISBN 047160531X.</ref>
 
Planck törvényéből könnyen levezethető a Wien-féle eltolódási törvény és a klasszikus Stefan-Boltzmann törvény.
 
Kis frekvenciáknál a Rayleigh-Jeans formula adódik, magas frekvenciáknál és alacsony hőmérsékleten a Wien –féleWien–féle sugárzási törvény.
 
A Planck-féle sugárzási formula ily módon az összes sugárzáselméleti összefüggést tartalmazza és így a sugárzáselmélet központi törvényévé vált.