Como os físicos quânticos descrever um corpo negro
Video: Física Quântica - Conceito de Corpo Negro
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Uma das principais idéias da física quântica é quantização - quantidades medidas em unidades discretas, não contínuas,. A idéia de energias quantizadas surgiu com um dos primeiros desafios para a física clássica: o problema da radiação do corpo negro. Embora a fórmula de Wien e o-Jeans Rayleigh Lei não poderia explicar o espectro de um corpo negro, a equação de Max Planck resolveu o problema, assumindo que a luz era discreta.
Quando você aquece um objeto, ele começa a brilhar. Mesmo antes de o brilho é visível, ele está irradiando no espectro infravermelho. A razão que brilha é que, como você aquecê-lo, os elétrons na superfície do material são agitados termicamente, e os elétrons sendo acelerados e desacelerados irradiar luz.
Física no final do século 19 e início do século 20 estava preocupado com o espectro de luz a ser emitida por corpos negros. Um corpo negro é um pedaço de material que irradia correspondente à sua temperatura - mas os objetos mais comuns que você pensa de como o preto, como carvão, também absorvem e refletem a luz de seus arredores. Para tornar as coisas mais fáceis, física postulou um corpo negro que refletia nada e absorveu toda a luz que incide sobre ele (daí o termo corpo negro, porque o objeto parece perfeitamente negro como ele absorveu toda a luz que incide sobre ele). Quando você aquece um corpo negro, seria irradiar, emitindo luz.
Bem, era difícil chegar a um corpo negro físico - afinal, o material absorve luz a 100 por cento e não reflete nada? Mas os físicos eram inteligentes sobre isso, e eles vieram para cima com a cavidade oca que você vê na figura acima, com um buraco no meio.
Quando brilhou a luz sobre a toca, tudo o que luz seria ir para dentro, onde seria refletida de novo e de novo - até que foi absorvido (uma quantidade insignificante de luz iria escapar pelo buraco). E quando aquecido a cavidade oca, o buraco iria começar a brilhar. Então aí está - uma boa aproximação de um corpo negro.
Pode ver o espectro de um corpo negro (e as tentativas para modelar que espectro) na figura acima, para duas temperaturas diferentes, T1 e T2. O problema era que ninguém foi capaz de chegar a uma explicação teórica para o espectro de luz gerada pelo corpo preto. Tudo física clássica poderia chegar a deu errado.
Primeira tentativa: Fórmula de Wien
O primeiro a tentar explicar o espectro de um corpo negro era Wilhelm Wien, em 1889. Usando termodinâmica clássica, ele veio com esta fórmula:
Em termos de comprimento de onda, é
Eles estão relacionados por
Onde temos
são constantes que podem ser medidos em experiências. (O espectro é dada pela
que representa a densidade de energia da luz emitida como uma função de frequência e temperatura).
Esta equação, a fórmula de Wien, funcionou bem para altas frequências, como você pode ver na segunda figura-no entanto, ele falhou em baixas frequências.
Segunda tentativa: Lei de Rayleigh-Jeans
Em seguida, na tentativa de explicar o espectro de corpo negro foi a Lei de Rayleigh-Jeans, introduzido por volta de 1900. Esta lei prevê que o espectro de um corpo negro era
A fórmula deve ser
Em termos de comprimento de onda, a fórmula é
Onde k é constante de Boltzmann
No entanto, o Rayleigh-Jeans Lei tinha o problema oposto da fórmula de Wien: Embora ele funcionou bem em baixas frequências (ver a segunda figura), não se encontraram os dados com maior frequência em tudo - na verdade, ele divergiu em freqüências mais altas . Isto foi chamado a catástrofe ultravioleta porque os melhores prognósticos disponíveis divergiram em frequências altas (correspondendo à luz ultravioleta). Era hora de física quântica para assumir.
Um intuitivo (quantum) salto: espectro de Max Planck
O problema de corpo negro era uma pergunta difícil de resolver, e com ele veio o início da física quântica. Max Planck veio com uma sugestão radical - e se a quantidade de energia que uma onda de luz pode trocar com a matéria não era contínua, como postulado pela física clássica, mas discreto? Em outras palavras, Planck postulado que a energia da luz emitida a partir das paredes da cavidade de corpo negro só veio em múltiplos inteiros como este, onde h é uma constante universal:
Com esta teoria, louco como parecia no início de 1900, Planck convertido as integrais contínuos utilizados por Raleigh-Jeans para discretos somas durante um número infinito de termos. Fazendo essa simples mudança deu Planck a seguinte equação para o espectro da radiação de corpo negro:
A fórmula deve ser
Video: A física do Corpo Negro
Esta equação tem razão - é exatamente descreve o espectro de corpo negro, ambos em baixa e alta (e médio, para que o assunto) freqüências.
Esta ideia era muito novo. O que Planck estava dizendo era que a energia dos osciladores que irradiam do corpo negro não poderia tomar apenas em qualquer nível de energia, como a física clássica allows- poderia assumir energias única específicos, quantizados. Na verdade, Planck hipótese de que isso era verdade para qualquer oscilador - que sua energia era um inteiro múltiplo de
E assim a equação de Planck veio a ser conhecido como regra de quantização de Planck, e h tornou-se constante de Planck:
Dizendo que a energia de todos os osciladores foi quantificada foi o nascimento da física quântica.