Trudno jest znaleźć dwa przedmioty, które są tak radykalnie różne w skali życia niż nasza gwiazda i zwykła stu watowa żarówka: nawet średnia średnica jednego i drugiego różni się o dziesięć rzędów wielkości (odpowiednio ~ 1,392 × 10 ^ 9 metrów i ~ 0,05 metra) - jednak oba obiekty są źródłami światła i pod tym względem sensowne jest ich porównanie.
Widmo i temperatura barwowa
Od dzieciństwa i pierwszych niezależnych eksperymentów fizycznych (takich jak wbicie gwoździa w płomień kuchennej kuchenki gazowej lub wysadzenie węgla z ognia) wiemy już, że jeśli ciało materialne jest odpowiednio nagrzane, zaczyna świecić - i im jaśniejsze, tym silniejsze rozgrzać się.
Naukowcy od dawna interesują się tym samym pytaniem, ale w celu ściśle ilościowego i jakościowego opisu tego zjawiska najpierw musieli wprowadzić abstrakcyjną koncepcję - całkowicie czarne ciało (czarne ciało). Chodzi o to, że promieniowanie elektromagnetyczne z ogrzewanego ciała (a światło jest właśnie promieniowaniem elektromagnetycznym, takim jak fale radiowe, promieniowanie rentgenowskie itp.), W zasadzie zależy od tego, jakie długości fal (części widma) takie ciało pochłania.
Zasada jest prosta: jeśli coś bardzo dobrze pochłania w niektórych zakresach, to jest również dobre i promieniuje w tych samych zakresach - dlatego tak abstrakcyjne, idealnie pochłaniające i promieniujące ciało nazwano „czarnym”. Po drodze zauważamy, że niedoskonałe ciała nazywane są „szarymi” lub „kolorowymi” - i poprzez odpowiednie poprawki są ponownie „przywiązane” do właściwości czarnego ciała.
Mamy więc ciało czarne, które w dowolnej temperaturze pochłania całe padające na niego promieniowanie, niezależnie od długości fali - jak wygląda prawo opisujące jego widmo? Pod koniec XIX wieku fizyk I. Stefan zajął się tą kwestią z praktycznego punktu widzenia, a teoretycznie L. Boltzmann odpowiednie prawo fizyczne w podręcznikach jest obecnie nazywane prawem Stefana-Boltzmanna.Okazało się, że wynikowa gęstość nasypowa promieniowania równowagi i całkowita emisyjność ciała czarnego jest proporcjonalna do czwartego stopnia jego temperatury bezwzględnej (przypomnijmy, że temperatura bezwzględna jest mierzona w stopniach Kelvina i jest liczona od absolutnej temperatury zerowej, która jest „zimniejsza” przez nasze zwykłe „zero Celsjusza” o około 273 stopnie ) - i dobrze znana „krzywa humpback” „zarejestrowana” w podręcznikach fizyki.
Co to ma wspólnego z pierwotnym pytaniem? Bardzo proste: okazuje się, że odpowiednia krzywa dla Słońca jest doskonale opisana przez krzywą dla ciała czarnego z temperaturą ~ 6000 kelwinów! Jednocześnie szczyt maksimum promieniowania leży w obszarze ~ 450 nanometrów (ultrafiolet!) - dlatego jeszcze raz mówimy: Dziękujemy Bogu za atmosferę Ziemi za pochłonięcie tego promieniowania do bezpiecznego poziomu, na którym wszyscy możemy żyć na powierzchni planety w świetle dziennym i nie siedź w dziurach i czołgaj się na powierzchnię tylko w nocy.
Ale co z naszą żarówką? Jego rozgrzana do czerwoności spirala również podlega temu samemu prawu, jednak wynikowa temperatura jest w przybliżeniu o połowę niższa niż temperatura słońca (temperatura topnienia wolframu, z którego zwykle wykonane są żarówki, wynosi ~ 3422 stopni Celsjusza - ale temperatura pracy nie przekracza ~ 2800 stopni Celsjusza) i wynosi około 3000 kelwinów . Dlatego szczyt maksymalnego promieniowania lampy żarowej „oddala się” do obszaru podczerwieni i znajduje się w obszarze jednego mikrometra (1000 nanometrów) - to znaczy, że żarówka domowa prawdopodobnie bardziej „nagrzewa się” niż urządzenie „oświetleniowe” (wydajność ~ 6%) i im niższa moc, gorsza wydajność).
Moc
Porównanie całkowitych mocy promieniowania żarówki i Słońca wyraźnie pokazuje monstrualne oddzielenie wartości astronomicznych od domowych: jeśli żarówka w postaci widzialnego światła i ciepła emituje 10 ^ 2 watów, potem słońce ~ 4 * 10 ^ 26 watów - prawie dwadzieścia pięć rzędów wielkości! Spróbuj teraz obliczyć w czasie wolnym, ile sto watowych żarówek byłoby wymaganych do zastąpienia Słońca i ile miejsca zajmowaliby w Układzie Słonecznym ...
