PROMIENIOWANIE CIAŁA DOSKONALE CZARNEGO

Podobne dokumenty
Wykład 14. Termodynamika gazu fotnonowego

Prędkość fazowa i grupowa fali elektromagnetycznej w falowodzie

Moment pędu fali elektromagnetycznej

Optyka. Wykład V Krzysztof Golec-Biernat. Fale elektromagnetyczne. Uniwersytet Rzeszowski, 8 listopada 2017

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

Termodynamika. Część 11. Układ wielki kanoniczny Statystyki kwantowe Gaz fotonowy Ruchy Browna. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

Kwantowe własności promieniowania, ciało doskonale czarne, zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Statystyka nieoddziaływujących gazów Bosego i Fermiego

Rozważania rozpoczniemy od fal elektromagnetycznych w próżni. Dla próżni równania Maxwella w tzw. postaci różniczkowej są następujące:

Fizyka kwantowa. promieniowanie termiczne zjawisko fotoelektryczne. efekt Comptona dualizm korpuskularno-falowy. kwantyzacja światła

Ciało doskonale czarne absorbuje całkowicie padające promieniowanie. Parametry promieniowania ciała doskonale czarnego zależą tylko jego temperatury.

Kwantowa natura promieniowania

Podstawy fizyki kwantowej

Początek XX wieku. Dualizm korpuskularno - falowy

Zagadnienia brzegowe dla równań eliptycznych

Nieskończona jednowymiarowa studnia potencjału

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Jednowymiarowa mechanika kwantowa Rozpraszanie na potencjale Na początek rozważmy najprostszy przypadek: próg potencjału

Rezonator prostopadłościenny

Równanie przewodnictwa cieplnego (I)

Wyprowadzenie prawa Gaussa z prawa Coulomba

Mechanika. Wykład 2. Paweł Staszel

W. Guzicki Próbna matura, grudzień 2014 r. poziom rozszerzony 1

= sin. = 2Rsin. R = E m. = sin

Rozdział 8. Analiza fourierowska. 8.1 Rozwinięcie w szereg Fouriera

Lista 6. Kamil Matuszewski 13 kwietnia D n =

Rachunek całkowy - całka oznaczona

Siły wewnętrzne - związki różniczkowe

Ćwiczenie ELE. Jacek Grela, Łukasz Marciniak 3 grudnia Rys.1 Schemat wzmacniacza ładunkowego.

Rozwiązania zadań z podstaw fizyki kwantowej

1 Całki funkcji wymiernych

Statystyki kwantowe. P. F. Góra

Równania dla potencjałów zależnych od czasu

ZJAWISKA KWANTOWO-OPTYCZNE

FIZYKA-egzamin opracowanie pozostałych pytań

Efekt fotoelektryczny. 18 października 2017

LABORATORIUM POMIARY W AKUSTYCE. ĆWICZENIE NR 4 Pomiar współczynników pochłaniania i odbicia dźwięku oraz impedancji akustycznej metodą fali stojącej

Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI Kwantowa wariacyjna metoda Monte Carlo. Problem własny dla stanu podstawowego układu N cząstek

Równania różniczkowe wyższych rzędów

BADANIE INTERFERENCJI MIKROFAL PRZY UŻYCIU INTERFEROMETRU MICHELSONA

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

n n 1 2 = exp( ε ε ) 1 / kt = exp( hν / kt) (23) 2 to wzór (22) przejdzie w następującą równość: ρ (ν) = B B A / B 2 1 hν exp( ) 1 kt (24)

Pochodna i różniczka funkcji oraz jej zastosowanie do obliczania niepewności pomiarowych

WYKŁAD 15. Gęstość stanów Zastosowanie: oscylatory kwantowe (ª bosony bezmasowe) Formalizm dla nieoddziaływujących cząstek Bosego lub Fermiego

Zjawisko interferencji fal

Całkowanie numeryczne

FALE MATERII. De Broglie, na podstawie analogii optycznych, w roku 1924 wysunął hipotezę, że

Wykład FIZYKA II. 11. Optyka kwantowa. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Przejścia optyczne w strukturach niskowymiarowych

Wstęp do Rachunku Prawdopodobieństwa, IIr. WMS

Pole elektromagnetyczne. Równania Maxwella

HISTOGRAM. Dr Adam Michczyński - METODY ANALIZY DANYCH POMIAROWYCH Liczba pomiarów - n. Liczba pomiarów - n k 0.5 N = N =

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

n=0 (n + r)a n x n+r 1 (n + r)(n + r 1)a n x n+r 2. Wykorzystując te obliczenia otrzymujemy, że lewa strona równania (1) jest równa

IX. Rachunek różniczkowy funkcji wielu zmiennych. 1. Funkcja dwóch i trzech zmiennych - pojęcia podstawowe. - funkcja dwóch zmiennych,

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

MECHANIKA 2. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

gęstością prawdopodobieństwa

Promieniowanie X. Jak powstaje promieniowanie rentgenowskie Budowa lampy rentgenowskiej Widmo ciągłe i charakterystyczne promieniowania X

EGZAMIN Z ANALIZY II R

Pole magnetyczne magnesu w kształcie kuli

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

17.1 Podstawy metod symulacji komputerowych dla klasycznych układów wielu cząstek

LIV OLIMPIADA FIZYCZNA 2004/2005 Zawody II stopnia

Wykład 13 Mechanika Kwantowa

Zjawisko interferencji fal

I.2 Promieniowanie Ciała Doskonale Czarnego

WŁASNOŚCI CIAŁ STAŁYCH I CIECZY

Całkowanie numeryczne

ZASADY ZALICZENIA PRZEDMIOTU MBS

Pochodna i różniczka funkcji oraz jej zastosowanie do rachunku błędów pomiarowych

Lista zadań nr 2 z Matematyki II

2. Całkowita liczba modów podłużnych. Dobroć rezonatora. Związek między szerokością linii emisji wymuszonej a dobrocią rezonatora

Propozycje rozwiązań zadań otwartych z próbnej matury rozszerzonej przygotowanej przez OPERON.

Analiza matematyczna 2 zadania z odpowiedziami

II. RÓŻNICZKOWANIE I CAŁKOWANIE NUMERYCZNE Janusz Adamowski

Rozdział 5. Twierdzenia całkowe. 5.1 Twierdzenie o potencjale. Będziemy rozpatrywać całki krzywoliniowe liczone wzdłuż krzywej C w przestrzeni

Analiza Matematyczna Ćwiczenia

Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

SPEKTROSKOPIA IR I SPEKTROSKOPIA RAMANA JAKO METODY KOMPLEMENTARNE

Redukcja wariancji w metodach Monte-Carlo

Metody numeryczne rozwiązywania równań różniczkowych

13. Równania różniczkowe - portrety fazowe

Zasady zachowania, równanie Naviera-Stokesa. Mariusz Adamski

ANALIZA MATEMATYCZNA

1. Liczby zespolone Stwierdzić kiedy kwadrat liczby zespolonej jest liczbą. (i) rzeczywistą, (ii) ujemną, (iii) tylko urojoną?

Cząstki Maxwella-Boltzmanna (maxwellony)

Równania różniczkowe wyższych rzędów

Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Projekt FPP "O" Kosma Jędrzejewski

Problemy fizyki początku XX wieku

Sprawdzanie prawa Ohma i wyznaczanie wykładnika w prawie Stefana-Boltzmanna

DRGANIA SWOBODNE UKŁADU O DWÓCH STOPNIACH SWOBODY. Rys Model układu

KATEDRA TELEKOMUNIKACJI I FOTONIKI

1 Symulacja procesów cieplnych 1. 2 Algorytm MES 2. 3 Implementacja rozwiązania 2. 4 Całkowanie numeryczne w MES 3. k z (t) t ) k y (t) t )

1. Podstawy matematyki

ODPOWIEDZI I SCHEMAT PUNKTOWANIA ZESTAW NR 2 POZIOM PODSTAWOWY. Etapy rozwiązania zadania

Zajęcia: VBA TEMAT: VBA PROCEDURY NUMERYCZNE Metoda bisekcji i metoda trapezów

Transkrypt:

PROMIENIOWANIE CIAŁA DOSKONALE CZARNEGO wyprowadzenie bez mechaniki kwantowej. Opracował mgr inż. Herbert S. Mączko Celem jest wyznaczenie objętościowej gęstości energii ρ T promieniowania w równoległościennej, metalowej wnęce o wymiarach a a a, w funkcji częstotliwości tego promieniowania ν w temperaturze T. Aby tego dokonać zostanie policzony rozkład ilości modów optycznych znajdujących się we wnęce w funkcji odpowiadającej im częstotliwości N(ν). Następne pomnożenie tej wielkości przez energię odpowiednich modów da w wyniku ilość energii pola elektromagnetycznego zawartego w rozważanej wnęce. Aby otrzymać wielkość niezależną od rozmiarów wnęki rezonansowej, całość zostanie podzielona przez jej objętość przez co zostanie uzyskana szukana objętościowa gęstość energii w funkcji częstotliwości ρ T (ν). Zakładamy, że wnęka wykonana z materiału, który odbija promieniowanie elektromagnetyczne ze zmianą fazy. Wtedy powstające wewnątrz mody optyczne, będą miały węzły na ściankach rezonatora (Rys. 1.). Rys. 1. Odbicie od ścianki rezonatora Dla takiego przypadku, łatwo można zapisać wzór na wartość amplitudy drgania pola el.-m. w funkcji położenia (dla obu polaryzacji taki sam): E(r, t) = A sin(k 1 r 1 ) sin(k 2 r 2 ) sin(k 3 r 3 ) sin(2πνt), (1) 1

Rys. 2. Schemat rozważanego rezonatora wraz z prezentacją przyjętych oznaczeń na przykładzie wektora położenia r. Dla tak zapisanego modu optycznego, bezpośrednio widoczny zestaw warunków na dozwolone składowe wektora falowego można zapisać w postaci: k i a = n i π, n i {1,2,3, }. (2) Rys. 3. Schematyczne przedstawienie różnych modów optycznych w dwuwymiarowym rezonatorze. 2

Zauważmy, że wektor falowy odpowiadający tak wybranemu modowi optycznemu k = k i e i można łatwo zapisać w postaci: k = π a ni e i = π n, (3) a gdzie n jest bezwymiarowym wektorem, którego składowe mogą przyjmować tylko całkowite wartości większe od zera. Ponieważ znamy związek między długością wektora falowego a częstotliwością ν, możemy przypisać każdemu wektorowi n określoną częstotliwość ν(n). Ze znanej zależności dla fal el.-m. 2πν = c k, gdzie c szybkość światła w próżni, k długość wektora k, oraz stwierdzenia, że k = π n otrzymuje się a ν(n) = c n. (4) 2a Powyższy wzór oznacza, że mody oscylujące w częstotliwościach mniejszych od ν(n) = c n opisane są odpowiednimi wektorami, których długość jest mniejsza od n. 2a Jeżeli skonstruuje się siatkę punktów określonych zestawem współrzędnych n i oraz każdemu z nich przypisze się sześcian o wymiarach 1 1 1 tak jak zostało to przedstawione na schemacie (Rys.4.) to widać, że licząc pewną objętość w przestrzeni wektora n dla dodatnich wartości n i dostajemy bezpośrednio oszacowanie ilości punktów, które zawierają się w tej objętości. Rys. 4. Schemat przypisywania objętości do punktów wyznaczanych przez wektory n. Stąd wprost widać, że aby otrzymać ilość dozwolonych modów optycznych, o częstotliwościach mniejszych od ν(n) = c n należy obliczyć objętość 1/8 kuli 3 2a

o promieniu n w przestrzeni wektora n. Jej podwojona (ze względu na dwie możliwe polaryzacje) objętość, czyli ilość wybranych modów wynosi 2 1 8 3 π n 3 = 1 π 3 (2a c )3 (ν(n)) 3. Z tą wiedzą, można przystąpić do wyznaczania N(ν). Skoro jest to rozkład ilości modów we wnęce w funkcji częstotliwości to po scałkowaniu po częstotliwościach w przedziale od do ν otrzymamy ilość tych modów w zadanym przedziale. ν N(ν)dν 4 = π 3 3 (2a c ) ν 3 (5) Z własności funkcji podcałkowej wynika, że N(ν) jest pochodną po ν prawej strony równania (5) czyli N(ν) = π ( 2a c ) 3 ν 2. (6) Do kontynuacji obliczeń wypada zastanowić się jaką energię przypisać każdemu z modów optycznych. Do tego celu policzymy średnią energię E każdego modu optycznego. Wszystkie mody optyczne potraktujemy jako identyczne obiekty fizyczne przez co dla każdego z nich E zostanie policzone identycznie, za pomocą rozkładu Boltzmanna. E = EP(E) de P(E) de, (7) gdzie E energia cząstki, P(E) rozkład Boltzmanna. Dla P(E) = e E/ otrzymuje się: P(E) de = e E de = e E EP(E) de = E e E/k BT de = Ee E k BT k BT + e E = 1 (8) de = (9) Stąd średnia całkowita energia przypadająca na każdy jeden mod wynosi E = (prawo ekwipartycji energii). 4

Aby uzyskać szukaną gęstość energii promieniowania we wnęce, otrzymaną przez Rayleigha i Jeansa, należy pomnożyć otrzymany wcześniej rozkład N(ν) przez E i podzielić przez objętość rezonatora. 3 ρ T (ν) = E N(ν) a 3 = k 2a BTπ ( c ) a 3 ν 2 = 8πν2 c 3 (1) Z porównania z doświadczeniem wiadomo, że powyższy wzór działa tylko w obrębie małych częstotliwości. Dla większych częstotliwości rozkład szybko przyjmuje wartości znacznie większe niż obserwowane eksperymentalnie i lim ν ρ T (ν) = podczas gdy z eksperymentu wynika, że ta granica powinna wynosić zero. A więc trzeba tak zmienić powyższą teorię aby ρ T (ν) odpowiednio szybko zaczynało maleć do zera oraz żeby lim ρ T(ν) =. Wykonamy to stosując zaproponowany przez Plancka sposób na zmniejszenie ν energii pochodzącej od modów o wyższych A więc chcemy uzależnić średnią energię całkowitą od częstotliwości, E = E (ν). Aby odgadnąć jak to zrobić zauważmy, że wzór (1) działa tym lepiej im mniejsza jest częstotliwość modu ν. Zatem to samo tyczy się wzoru (7). Z tego powodu przyjmujemy, że faktycznie musimy mieć lim ν E (ν) =. Natomiast, ponieważ musi zachodzić lim ρ T(ν) =, to o średniej energii całkowitej możemy już powiedzieć, że zachodzi ν lim E (ν) =. Zauważmy, że gdyby we wzorze (7) dokonać zależnej od ν dyskretyzacji ν energii (zamienić całki na sumy) w taki sposób, że odstępy między kolejnymi dozwolonymi energiami E(ν) rośnie wraz z częstotliwością modu ν, to E (ν) będzie funkcją malejącą. (Rys.5.). 5

Rys. 5. Schemat szukanego wpływu dyskretyzacji energii na całkę (1). Czerwoną strzałką zaznaczono spodziewaną wartość średniej energii całkowitej. Zróbmy to zakładając najprostszy, liniowy przypadek zależności skoku energii od częstotliwości po przez pewną stałą h. E(ν) = hν (11) Dokonujemy podstawienia E E(n) = nhν, gdzie n {1,2,3, }, oraz zamiany całek na sumy czyli również podstawienia de E(ν). E = EP(E) de P(E) de E (ν) = n= E(n)P(E(n)) E(ν) P(E(n)) E(ν) n= (12) Teraz, krok po kroku, zostanie obliczona wartość E (ν). 6

E (ν) = n= n= E(n)P(E(n)) E(ν) P(E(n)) E(ν) = nhν e nhν/k BT n= n= e nhν/k BT = n= nhνp(nhν) P(nhν) n= = n= nhν e nhν/k BT e nhν/k BT n= (13) Dla ułatwienia zapisu wprowadzamy oznaczenie α = hν/. E (ν) = n= nαe nα n= e nα d α = dα α d n= = n= e nα n= e nα dα e nα n= e nα (14) Do następnego kroku należy zauważyć podobieństwo aktualnej postaci wzoru do Traktujemy n= e nα jak f(x) w powyższym. E (ν) = α d dα d d dx ln(f(x)) = dx f(x) f(x). (15) ln ( e nα n= ) = hν d dα Teraz zauważamy, że z rozwinięcia w szereg Maclaurina mamy ln ( e nα) (16) n= (1 x) 1 = 1 + x + x 2 + x 3 + = x n. (17) Traktując e α tak jak x powyżej, otrzymujemy n= E (ν) = hν d dα ln(1 e α ) 1 hν = (1 e α ) 1 ( 1)(1 e α ) 2 e α = hνe α hν = 1 e α e α 1 = hν e hν/kbt 1. (18) 7

Tak oto uzyskaliśmy szukaną średnią energię całkowitą pojedynczego modu w funkcji jego częstotliwości ν. Teraz możemy ponownie podejść do wyznaczenia gęstości energii ρ T (ν) = E 3 N(ν) hν a 3 = e hν/kbt 1 π (2a c ) ν 2 1 a 3 = 8πν2 hν c 3 e hν/kbt 1, (19) którą da się dopasować do wyników eksperymentalnych wybierając odpowiednią wartość, wprowadzonej na potrzeby obcięcia ilości energii, wielkości h 6,626 1 34 Js stałej Plancka. 8