Catastrophe ultraviolette
Avant l’ hypothèse de Planck , les physiciens ont tenté de décrire la radiance spectrale du rayonnement électromagnétique par la physique classique . L’approximation basée sur la physique classique est connue sous le nom de loi de Rayleigh-Jeans .
De même que pour la loi de Planck , la loi de Rayleigh-Jeans donne la luminance énergétique spectrale d’un corps en fonction de la fréquence ν de à la température absolue T:
où
- B ν (v, T) est la radiance spectrale (puissance par unité d’angle solide et par unité de surface normale à la propagation) densité de fréquence ν radiation par unité de fréquence à l’équilibre thermique à la température T
- c est la vitesse de la lumière dans le vide
- k B est la constante de Boltzmann
- ν est la fréquence du rayonnement électromagnétique
- T est la température absolue du corps
Source: wikipedia.org Licence: Public Domain
Le spectre électromagnétique prédit par cette formule est en accord avec les résultats expérimentaux à basses fréquences (grandes longueurs d’ondes), mais est fortement en désaccord à hautes fréquences (petites longueurs d’ondes). Cette incohérence entre les observations et les prédictions de la physique classique est communément appelée catastrophe ultraviolette ou catastrophe de Rayleigh-Jeans . En calculant la quantité totale d’énergie radiante (c’est-à-dire la somme des émissions dans toutes les gammes de fréquences), il est possible de démontrer qu’un corps noir libérerait dans ce cas une quantité d’énergie infinie, ce qui est en contradiction avec la loi de la conservation de l’énergie. .
L’étude des lois des corps noirs et l’incapacité de la physique classique à les décrire ont aidé à jeter les bases de la mécanique quantique. La solution de ce problème a été proposée par un physicien théoricien allemand Max Planck, qui a introduit l’hypothèse très étrange (pour le moment), que l’énergie est rayonnée et absorbée dans des «quanta» (ou paquets d’énergie) discrets. Les hypothèses de Planck ont conduit à la forme correcte des fonctions de distribution spectrale:
où
- B ν (v, T) est le rayonnement spectral (la puissance par unité d’angle solide et par unité de surface normale à la propagation) densité de fréquence ν rayonnement par unité de fréquence à l’équilibre thermique à la température T
- h est la constante de Planck
- c est la vitesse de la lumière dans le vide
- k B est la constante de Boltzmann
- ν est la fréquence du rayonnement électromagnétique
- T est la température absolue du corps
Albert Einstein a résolu le problème en postulant que les quanta de Planck étaient de vraies particules physiques, ce que nous appelons maintenant des photons, pas seulement une fiction mathématique.
Rayonnement du corps noir
Il est connu que la quantité d’énergie de rayonnement émise par une surface à une longueur d’onde donnée dépend du matériau du corps et de l’état de sa surface ainsi que de la température de surface . Par conséquent, divers matériaux émettent différentes quantités d’énergie rayonnante même lorsqu’ils sont à la même température. Un corps qui émet le maximum de chaleur pour sa température absolue est appelé corps noir .
Un corps noir est un corps physique idéalisé, qui possède des propriétés spécifiques. Par définition, un corps noir en équilibre thermique a une émissivité de ε = 1.0 . Les vrais objets ne dégagent pas autant de chaleur qu’un corps noir parfait. Ils dégagent moins de chaleur qu’un corps noir et sont donc appelés corps gris.
La surface d’un corps noir émet un rayonnement thermique à raison d’environ 448 watts par mètre carré à température ambiante (25 ° C, 298,15 K). Les objets réels avec des émissivités inférieures à 1,0 (par exemple, un fil de cuivre) émettent un rayonnement à des taux correspondants plus faibles (par exemple 448 x 0,03 = 13,4 W / m 2 ). L’émissivité joue un rôle important dans les problèmes de transfert de chaleur. Par exemple, les capteurs solaires thermiques incorporent des surfaces sélectives qui ont de très faibles émissivités. Ces capteurs gaspillent très peu d’énergie solaire par l’émission de rayonnement thermique.
Puisque l’ absorptivité et l’ émissivité sont interconnectées par la loi de Kirchhoff sur le rayonnement thermique , un corps noir est également un parfait absorbeur de rayonnement électromagnétique.
Loi de Kirchhoff sur le rayonnement thermique :
Pour un corps arbitraire émettant et absorbant un rayonnement thermique en équilibre thermodynamique, l’émissivité est égale à l’absorptivité.
émissivité ε = absorptivité α
Un corps noir absorbe tous les rayonnements électromagnétiques incidents, indépendamment de la fréquence ou de l’angle d’incidence. Sa capacité d’absorption est donc égale à l’unité, qui est également la valeur la plus élevée possible. Autrement dit, un corps noir est un absorbeur parfait (et un émetteur parfait ).
Notez que le rayonnement visible occupe une bande très étroite du spectre de 0,4 à 0,76 nm, nous ne pouvons pas porter de jugement sur la noirceur d’une surface sur la base d’observations visuelles. Par exemple, considérons le papier blanc qui réfléchit la lumière visible et apparaît donc blanc. En revanche, il est essentiellement noir pour le rayonnement infrarouge ( absorptivité α = 0,94 ) car ils absorbent fortement le rayonnement à grande longueur d’onde.
……………………………………………………………………………………………………………………………….
Cet article est basé sur la traduction automatique de l’article original en anglais. Pour plus d’informations, voir l’article en anglais. Pouvez vous nous aider Si vous souhaitez corriger la traduction, envoyez-la à l’adresse: translations@nuclear-power.com ou remplissez le formulaire de traduction en ligne. Nous apprécions votre aide, nous mettrons à jour la traduction le plus rapidement possible. Merci
