1. Podstawy fizyczne
Zasady promieniowania (2/2)
Prawo promieniowania Plancka
Koncepcja kwantowych właściwości światła, tj. fotonów została wprowadzona przez Maxa Plancka w 1900 roku i była ona punktem wyjścia do teorii kwantowej. Bazując na dotychczasowej wiedzy z zakresu fizyki klasycznej i promieniowania elektromagnetycznego, pełne zrozumienie fizycznych podstaw promieniowania cieplnego nie było możliwe. Planck, wykorzystując koncepcję fotonów, opracował równanie, które opisuje intensywność i spektralny kształt promieniowania cieplnego ciała doskonale czarnego. Pomijając kilka stałych fizycznych, jest to:
gdzie λ jest długością fali promieniowania, T temperaturą bezwzględną, h=6.68·10-34 Ws2 to stała Plancka, c jest prędkością światła, k=1.38·10-23 Ws/K to stała Boltzmannna.
Widma emisyjne ciał doskonale czarnych zależą wyłącznie od ich temperatury a właściwości materiału nie mają na nie wpływu. W związku z tym prawo Plancka odnosi się do ciał stałych, cieczy i gazów, których zdolność absorpcyjna α=1 (tj. pochłaniają całość padającego promieniowania). Przykłady krzywych Plancka przedstawiono na wykresie po prawej. Z kolei widma emisji ciał doskonale szarych można obliczyć za pomocą ich widmowej zdolności emisji, tj. ελMλ.
Prawo przesunięć Wiena
Już w 1893 roku Wilhelm Wien ułożył równanie, które pozwalało na obliczenie długości fali o maksymalnej mocy promieniowania λmax ciała doskonale czarnego jako funkcji temperatury T:
gdzie wartość stała (const.) to 0.30 cm K. Tak też im wyższa temperatura, tym krótsza długość fali i vice versa.
Źródło: ESA Eduspace po modyfikacjach.
Słońce, którego temperatura powierzchni to ok. 6000 K, emituje światło widzialne, a jego maksimum promieniowania przypada na długość fali o ok. λmax=0.5 µm. Ziemia o temperaturze środowiska 300 K emituje najwięcej energii w zakresie średniej podczerwieni, z maksimum długości fali przypadającym na 10 µm. Ten zakres widma nazywany jest podczerwienią termalną.
