Thân đen hoàn toàn

26

điện tích hóa học được mang bởi các ion có tổng khối lượng bằng đương lượng hóa học. Từ opit $F=96500$ C/mol.

Nếu chất được giải phóng là hóa trị một thì đương lượng hóa học của nó bằng số khối lượng của một mol và số lượng ion đã chuyển khối lượng này bằng số Avogadro $N_A$. Nếu một chất hóa trị hai được giải phóng ở điện cực, 96.500 coulomb được chuyển bởi một số ion lớn bằng một nửa số Avogadro, v.v..

Điện tích riêng của proton và các hạt mang điện khác. Chúng ta hãy tưởng tượng rằng một thí nghiệm cho dòng điện chạy qua chất điện phân được thực hiện sao cho hydro được giải phóng ở chất điện phân và khối lượng của nó bằng đương lượng hóa học. Vì hydro là hóa trị một nên một mol ion hydro sẽ đi qua chất điện phân. Tất nhiên, số lượng các ion này bằng số Avogadro và điện tích chúng truyền bằng hằng số Faraday. Do đó, chúng ta có thể nói rằng khối lượng của ion hydro về mặt số lượng bằng tỷ lệ của chất hóa học tương đương với số Avogadro, và điện tích của ion này bằng về mặt số lượng với tỷ số của hằng số Faraday và số Avogadro. Từ đây, theo định luật điện phân, chúng ta thấy rằng tỷ số giữa điện tích của ion hydro với khối lượng của nó, gọi là điện tích riêng của ion, bằng số Faraday chia cho khối lượng nguyên tử.

Nhưng ion hydro là hạt nhân của hydro nguyên tử. Nó có một cái tên đặc biệt - proton (hạt nhân hydro là một phần hạt nhân nguyên tử của tất cả các nguyên tố hóa học khác). Trong hệ SI, điện tích riêng của proton là

$$\frac{q_p}{m_p} = \frac{F/N_A}{M/N_A} = \frac{9,65 \cdot 10^4 \text{ KJ/mоль}}{10^{-3} \text{ кг/mоль}} = 9,65 \cdot 10^7 \text{ KJ/kg}.$$

Tại sao ở đây chúng ta đặc biệt chú ý đến điện tích riêng của proton? Thực tế là điện tích riêng của bất kỳ hạt tích điện nào là một trong những đặc tính quan trọng nhất của nó. Ví dụ, tốc độ và gia tốc của một hạt chuyển động trong điện trường phụ thuộc vào nó. Hãy đưa ra hai ví dụ.

Cho một hạt có điện tích $q$ và khối lượng $m$ chuyển động trong điện trường có hướng $\vec{E}$, sao cho có một lực $q\vec{E}$ tác dụng lên nó. Hãy viết một phương trình biểu thị định luật thứ hai của Newton:

$$m\vec{a} = q\vec{E},$$

từ đó chúng ta thu được gia tốc $\vec{a}$ hạt

$$\vec{a} = \frac{q}{m}\vec{E}.$$

Chúng ta thấy rằng gia tốc của một hạt được xác định không phải bởi điện tích hay khối lượng của nó mà bởi tỷ số $q/m$, tức là điện tích riêng của hạt.

Giả sử một hạt có điện tích $q$ và khối lượng $m$ chuyển động trong một điện trường từ điểm này sang điểm khác, hướng giữa chúng là $U$. Khi đó công do trường thực hiện trên hạt sẽ bằng $qU$. Nếu lúc đầu hạt đào thì do công này nó sẽ thu được động năng $mv^2/2$:

$$qU = \frac{mv^2}{2}.$$

Từ đây chúng ta có được tốc độ hạt

$$v = \sqrt{2\frac{q}{m}U}$$

— tốc độ của một hạt lại được xác định bởi điện tích riêng của nó.

Thân đen tuyền

Ánh sáng và màu sắc. Khi nhìn vào các vật thể khác nhau xung quanh chúng ta dưới ánh sáng ban ngày (ánh sáng mặt trời), chúng ta thấy chúng được bao quanh với nhiều màu sắc khác nhau. Vì vậy, cỏ và lá cây có màu xanh, hoa có màu đỏ hoặc xanh, vàng hoặc tím. Ngoài ra còn có thân màu đen, trắng, xám. Tất cả điều này không thể không gây ngạc nhiên. Dường như tất cả các vật thể đều được chiếu sáng bởi cùng một ánh sáng - ánh sáng của Mặt trời. Tại sao màu sắc của chúng lại khác nhau? Hãy thử trả lời câu hỏi này.

Chúng ta sẽ tiến hành từ thực tế rằng ánh sáng là sóng điện từ, nghĩa là truyền một trường điện từ xen kẽ. Trong ánh sáng mặt trời

27

chứa các sóng trong đó điện trường và từ trường dao động ở các tần số khác nhau.

Mỗi chất bao gồm các nguyên tử và phân tử chứa các hạt tích điện tương tác với nhau. Vì các hạt mang điện nên dưới tác dụng của điện trường, chúng có thể chuyển động và nếu điện trường thay đổi thì chúng có thể dao động và mỗi bộ phận trong cơ thể đều có một phần dao động nhất định.

Bức tranh đơn giản, mặc dù không chính xác lắm này, cho phép chúng ta hiểu điều gì xảy ra khi ánh sáng tương tác với vật chất.

Khi ánh sáng chiếu vào một vật thể, điện trường do nó “mang đến” làm cho các hạt tích điện trong vật thể thực hiện dao động cưỡng bức (trường của sóng ánh sáng có thể thay đổi!). Trong trường hợp này, đối với một số bộ phận, phần dao động của chúng có thể trùng với một số tần số dao động của trường sóng ánh sáng. Khi đó, như đã biết, hiện tượng cộng hưởng sẽ xảy ra - biên độ dao động tăng mạnh (điều này được thảo luận ở mục § 9 và 20 của Vật lý 10). Trong quá trình cộng hưởng, năng lượng do sóng mang lại được truyền đến các nguyên tử của cơ thể, cuối cùng khiến nó nóng lên. Ánh sáng có tần số cộng hưởng được cho là được cơ thể hấp thụ.

Nhưng một số sóng từ ánh sáng tới không cộng hưởng. Tuy nhiên, chúng cũng làm cho các hạt trong cơ thể dao động nhưng dao động với biên độ nhỏ. Bản thân những hạt này trở thành nguồn của cái gọi là sóng điện từ thứ cấp của cùng một hạt. Sóng thứ cấp, cộng với sóng tới, làm cho ánh sáng bị phản xạ hoặc truyền đi.

Nếu cơ thể mờ đục thì sự hấp thụ và phản xạ là tất cả những gì có thể xảy ra với ánh sáng chiếu vào cơ thể: ánh sáng không cộng hưởng sẽ bị phản xạ và ánh sáng chạm vào sẽ bị phản xạ. Đây chính là “bí mật” về màu sắc của cơ thể. Ví dụ, nếu các rung động tương ứng với màu đỏ cộng hưởng từ thành phần của ánh sáng mặt trời tới, thì chúng sẽ không xuất hiện trong ánh sáng phản xạ. Và mắt của chúng ta được thiết kế theo cách mà ánh sáng mặt trời, khi mất đi phần màu đỏ, sẽ tạo ra cảm giác về màu xanh lục. Do đó, màu sắc của vật thể mờ phụ thuộc vào phần nào của ánh sáng tới bị thiếu trong ánh sáng phản xạ bởi vật thể.

Có những vật thể trong đó các hạt tích điện có nhiều tần số dao động tự nhiên khác nhau đến mức mỗi hoặc hầu hết mọi phần trong ánh sáng tới đều rơi vào trạng thái cộng hưởng. Sau đó tất cả ánh sáng tới bị hấp thụ và đơn giản là không có gì phản xạ. Những vật thể như vậy được gọi là màu đen, tức là những vật thể có màu đen. Trong thực tế, màu đen không phải là một màu mà là sự vắng mặt của bất kỳ màu nào.

Cũng có những vật thể trong đó không một phần ánh sáng tới chạm tới cộng hưởng, khi đó không có sự hấp thụ nào cả và toàn bộ ánh sáng tới đều bị phản xạ. Những cơ thể như vậy được gọi là màu trắng. Màu trắng cũng không phải là một màu, nó là sự pha trộn của tất cả các màu.

Sự phát xạ ánh sáng. Được biết, bất kỳ cơ thể nào cũng có thể tự trở thành nguồn sáng. Điều này cũng dễ hiểu - xét cho cùng, trong mỗi vật thể đều có những hạt tích điện dao động có thể trở thành nguồn phát ra sóng. Nhưng trong điều kiện bình thường - ở nhiệt độ thấp - các hạt rung tương đối nhỏ và bước sóng phát ra vượt quá đáng kể bước sóng của ánh sáng khả kiến ​​(ánh sáng hồng ngoại). Ở nhiệt độ cao, các rung động có tần số cao hơn “bật” trong cơ thể và nó bắt đầu phát ra các sóng ánh sáng mà mắt có thể nhìn thấy được.

Cơ thể phát ra loại ánh sáng nào, tần số rung động nào có thể được “bật” khi bị nung nóng? Rõ ràng chỉ có những dao động có tần số tự nhiên mới có thể phát sinh. Ở nhiệt độ thấp, số lượng hạt tích điện có tần số dao động tự nhiên cao là nhỏ và bức xạ của chúng không thể nhận thấy được. Khi nhiệt độ tăng lên, số lượng tần số như vậy sẽ tăng lên và có thể phát ra ánh sáng khả kiến.

Mối quan hệ giữa sự phát xạ và hấp thụ ánh sáng. hấp thụ và phát xạ là hai hiện tượng trái ngược nhau. Tuy nhiên, có một điểm chung giữa họ.

Hấp thụ có nghĩa là “lấy”, phát ra có nghĩa là “cho”. Cơ thể “lấy” gì khi hấp thụ ánh sáng? Rõ ràng là những gì có thể lấy được, tức là ánh sáng của những bộ phận đó bằng với tần số rung động tự nhiên của bộ phận đó. Cái gì

28

cơ thể có “cho” bằng cách phát ra ánh sáng không? Những gì nó có là ánh sáng tương ứng với tần số rung động của chính nó. Vì vậy, phải có mối liên hệ chặt chẽ giữa khả năng phát ra ánh sáng và khả năng hấp thụ ánh sáng của cơ thể. Và mối liên hệ này rất đơn giản: cơ thể càng thải ra nhiều thì càng hấp thụ nhiều. Trong trường hợp này, đương nhiên, bộ phát sáng nhất phải là vật thể màu đen, có tác dụng hấp thụ rung động ở mọi tần số. Mối liên hệ này được thiết lập về mặt toán học vào năm 1859 bởi nhà vật lý người Đức Gustav Kirchhoff.

Chúng ta gọi độ phát xạ của một vật thể là năng lượng được phát ra bởi một diện tích bề mặt của nó trong một đơn vị thời gian và biểu thị nó bằng $E_{\lambda,T}$. Nó khác nhau đối với các độ dài khác nhau ($\lambda$) và nhiệt độ khác nhau ($T$), do đó có các chỉ số $\lambda$ và $T$. Khả năng hấp thụ của cơ thể là tỷ lệ giữa năng lượng ánh sáng được cơ thể hấp thụ trên một đơn vị thời gian với năng lượng tới. Hãy biểu thị nó bằng $A_{\lambda,T}$ - nó cũng khác nhau đối với $\lambda$ và $T$ khác nhau.

Định luật Kirchhoff phát biểu rằng tỷ lệ khả năng phát xạ và khả năng hấp thụ là như nhau đối với mọi cơ thể:

$$\frac{E_{\lambda,T}}{A_{\lambda,T}} = C.$$

Giá trị $C$ không phụ thuộc vào bản chất của vật thể mà phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng và nhiệt độ: $C=f(\lambda,T)$. Theo định luật Kirchhoff, một vật hấp thụ tốt hơn ở một nhiệt độ nhất định sẽ bức xạ mạnh hơn.

Toàn thân đen kịt. Định luật Kirchhoff có giá trị cho mọi vật thể. Điều này có nghĩa là nó có thể được áp dụng cho một vật thể hấp thụ tất cả các bước sóng mà không có ngoại lệ. Cơ thể như vậy được gọi là màu đen hoàn toàn. Đối với nó, khả năng hấp thụ bằng 1 nên định luật Kirchhoff có dạng

$$E_{\lambda,T} = C = f(\lambda,T).$$

Như vậy, ý nghĩa của hàm $f(\lambda,T)$ trở nên rõ ràng: nó bằng độ phát xạ của vật đen tuyệt đối. Bài toán tìm hàm $C=f(\lambda,T)$ biến thành bài toán tìm sự phụ thuộc của năng lượng bức xạ của vật đen tuyệt đối vào nhiệt độ và bước sóng. Cuối cùng, sau hai chục năm qua lại, sự việc đã được giải quyết. lời giải của cô, do nhà vật lý người Đức Max Planck đưa ra, là sự khởi đầu của một ngành vật lý mới - vật lý lượng tử.

Lưu ý rằng vật thể đen tuyệt đối không tồn tại trong tự nhiên. Hơn nữa, chất đen nhất trong tất cả các chất được biết đến - sakha - hấp thụ không phải 100 mà là 98% ánh sáng chiếu vào nó. Vì vậy, một thiết bị nhân tạo đã được sử dụng để nghiên cứu thực nghiệm bức xạ của vật đen.

Hóa ra… một khoang kín có phản ứng nhỏ có đặc tính của vật đen tuyệt đối (xem hình. ok). Trên thực tế, khi một tia sáng đi vào phản ứng, nó sẽ trải qua nhiều phản xạ liên tiếp bên trong hộp nên có rất ít khả năng để lại phản ứng vi phạm. (Vì lý do tương tự, cửa sổ mở trong một ngôi nhà có vẻ tối ngay cả trong một ngày nắng chói chang.) Nếu một vật thể như vậy bị nung nóng, thì bức xạ phát ra từ phản ứng thực tế không khác gì bức xạ của một vật thể hoàn toàn đen.

Một mô phỏng tốt của một vật thể màu đen tuyệt đối cũng có thể là một cái ống, một đầu của nó được đóng lại. Nếu tác phẩm được làm nóng, đầu mở của nó sẽ tỏa sáng như một vật thể hoàn toàn đen. Ở cùng nhiệt độ, nó trông có màu đen hoàn toàn, giống như vật liệu trong khoang.