Жылулық сәулелену

Күнделікті бақылаулар жоғары температураға дейін қыздырылған денелердің жарық шығара бастайтынын көрсетеді. Қыздырылған денелердің жарық шығаруын жылулық сәуле шығару немесе температуралық сәулелену (жарық шығару) деп атайды. Жылулық сәуле шығару табиғаттта өте кең таралған, ол заттың атомдары мен молекулаларының жылулық қозғалыс энергиясының яғни, денелердің ішкі энергиясының есебінен іске асады. Жылулық сәуле шығару абсолют нөлден жоғары кез келген температурада жүреді, бірақ көрінетін жарық тек жоғары температурада шығарылады (шамамен 500-800С). Төменгі температурада ұзын (инфрақызыл) электромагниттік толқындар шығарылады.

Кез келген жылулық сәулелерді тек шығарып қана қоймай, жұтады да. Сәулеленіп тұрған денені қабырғалары сәулелерді идеал шағылдыратын қуысқа орналастырып, оның ішіндегі ауаны сорып алып тастайық. Денеден шыққан сәуле қабырғалардан шағылып, денеге қайта түседі де, толық не жартылай жұтылады. Осылай дене мен қуысты толтырып тұрған сәулелену арасында үздіксіз энергия алмасуы болып жатады.   

Біраз уақыттан сон тепе-теңдік орнайды, яғни дене уақыт бірлігі ішінде қанша энергия шығарса, сонша энергия жұтылады. Жылулық сәулелену табиғаттағы бірден-бір тепе-теңдігі оның сәулелену болып табылады.

Жылулық сәулеленудің тепе-теңдігі оның интенсивтігінің температураның жоғарлануына пропорционал өсуімен түсіндіріледі. Мысалы, дене мен сәулеленудің арасындағы тепе-теңдік бұзылып, дене энергияны көбірек шығарап, азырақ жұтсын. Онда дене температурасының төмендеуі салдарынан оның жарық шығаруы азаяды. Сонымен, дененің температурасы, оған сәйкес сәулелену де тепе-теңдік қайта орнағанша азая береді.

Жылулық сәулеленудің интенсивтігін оның қуаты арқылы сипаттауға болады. Сәулеленіп тұрған дене бетінің аудан бірлігіне барлық бағытта (денелік бұрыш ішінде) шығатын сәулелену қуатын дененің интегралдық энергетикалық жарқырауы деп атайды. Бұл шаманы R әріпімен белгілейді, ол температураның функциясы болып табылады. Түрлі жиілік (толқын ұзындығы) диапазонында жылулық сәулеленудің интенсивтігі де әр түрлі. Сондықтан энергетикалық жарқыраудың спектрлік тығыздығы немесе дененің сәулелену қабілеті деген ұғым енгізіледі.

мұндағы дене бетінің аудан бірлігінің  жиіліктер интервалында шығаратын сәулелену қуаты.

Дененің сәулелену қабілеті деп оның беттік аудан бірлігінен жиілік интервалының бірлік енінде шығатын сәулелек қуатын айтады. Сәулелену қабілеті де температураға тәуелді.

Дененің түскен сәуле энергиясын жұтуы спектрлік жұту қабілеті деген ұғыммен сипатталады. Спектрлік жұту қабілеті деп дененің жұтқан энергия ағынының оған түскен сәулелік энергия ағынына қатынасына тең шаманы айтады.

Егер дене бетінің аудан бірлігіне жиілік интервалында электромагниттік толқынның  сәулелік энергия ағыны түссе, оның  бөлігі жұтылады. Онда дененің спектрлік жұту қабілеті былай анықталады:

Дененің сәулелену және сәулелік энергияны жұту қабілеттері температура мен жиіліктің функциясы болып табылады.

Барлық жиілікте түскен сәуленің энергиясын түгел жұтып алатын дене абсолют қара дене деп аталады. Абсолют қара дене үшін а=1 ал кез келген басқа дене үшін a<1.

Стефан-Больцман және Винн заңдары

1879 жылы австриялық физик И.Стефан тәжірибелердің нәтижелерін зерделей отырып,ал 1884 жылы А.Больцман теориялық зерттеуге термодинамикалық тәсілді қолдана отырып, мынаны тағайындады:а бсолют қара дененің интегралдық энергетикалық жарқырауы абсолют температураның төртінші дәрежесіне тура пропорционал:

Бұл - Стефан–Больцман заңы. Мұнда Стефан-Боьцман тұрақтысы деп аталады.

Неміс физигі Винн абсолют қара дененің сәулелену қабілетінің максимумы сәйкес келетін жиіліктің температураға тәуелділігін тағайындайды:

Абсолют қара дененің энергетикалық жарқырауының спектрлік тығыздығының максимумына сәйкес келетін жиілік денеің абсолют температурасына тура пропорционал. Әдетте, Ваннн заңын жиілік емес, толқын ұзындығына арқылы мына түрде жазады:

мұндағы Винн тұрақтысы деп аталады.

Абсолют қара дененің сәулеленуінің спектрлік заңдылықтарын алғаш рет теориялық түрде дұрыс негіздеген Макс Планк. Ол үшін оған кванттық гипотезены енгізуге тура келді. Бұл классикалық физикада кез келген жүйенің энергиясы үздіксіз өзгереді. Ал Планктің кванттық гипотезасы бойынша энергия "үлестермен", дискретті түрде ғана шығарылады. Энергия "үлесін" квант деп атайды. Әр кванттың энергиясы жиілікке пропорционал:

мұндағы -Планк тұрақтысы деп аталатын фундаментал (жарық жылдамдығы,элементар заряд секілді) тұрақты шама.

Қатты қызған денелердің сәулеленуі түрлі жарықтандыру құралдарын жасауда қолданылады. Мысалы, кәдімгі электр шамының вольфрам қылы өте жоғары температураға (3000К) дейін қыздырылуы нәтижесінде жарық шығарады. Түрлі техникалық қажеттіліктер үшін доғалық шамдар пайдаланылады.

Қатты қызып тұрған денелердің температурасын Стефан-Больцман заңының негізінде жасалған құралдарымен өлшейді. Мұндай тәсілді оптикалық пирометрия, ал аспаптарды пирометрлер дейді.

Жылудидар (тепловизор) деп аталатын құралдардың көмегімен денелердің инфрақызыл сәулелерін "көруге" болады. Осы сәулелердің көмегімен түрлі заттардағы өте ұсақ сызаттарды, ақауларды анықтайды және бұл тәсілдер өндірісте, түрлі технологиялық процестерде, автосервисте сапаны анықтауға мүмкіндік береді.

Медицинада ИК (инфрақызыл) - термография әдісімен адам ағзасындағы қабыну,ісіктер немесе қан айналуының бұзылуы сияқты көптеген ауруларды анықтап тауып, оны емдейді.

М. Тынышпаев атындағы
ҚазККА Ақмола  колледжі
Физика пәні оқытушысы
Болысова Тұмар Болысқызы

---

Әлеуметтік желілерде бөлісіңіз: