2. Kirchhoff törvénye. Az abszolút fekete test
Egy test fénykibocsátó-képességét az e(l,T) ún. spektrális emisszióképességével szokás jellemezni, ami megadja a test egységnyi felülete által, időegység alatt, a felületre merőlegesen, egységnyi térszögben kisugárzott energiának az egységnyi hullámhossztartományba eső részét. Az e(l,T) SI-mértékegysége: W/m3. (Hasonlóan definiálható az e(f,T) egységnyi frekvenciatartományra vonatkozó emisszióképesség is, aminek J/m2 az SI-mértékegysége.) A teljes- vagy összemisszió-képességet a spektrális mennyiségnek a hullámhossz (vagy a frekvencia) szerinti integrálja adja.
A termikus egyensúly kialakulása szempontjából az is meghatározó, hogy mi történik, ha egy testre kívülről esik elektromágneses sugárzás. A test a ráeső fény egy részét visszaveri (reflexió), más részét átengedi (transzmisszió), a maradék részt pedig elnyeli (abszorpció). Ezekre ugyanúgy definiálhatók a megfelelő tényezők: r(l,T) a spektrális visszaverődési (reflexiós) tényező, t(l,T) a spektrális áteresztési (transzmissziós) tényező, a(l,T) pedig a spektrális elnyelési (abszorpciós) tényező, más néven spektrális abszorpcióképesség. Ezekre teljesül, hogy
a(l,T) + t(l,T) + r(l,T) = 1 (1.1)
Az így definiált mennyiségek a hőmérsékleten kívül általában függenek egyéb tényezőktől is (pl. a felület érdessége, anyagi minősége). Például a felületet vékony koromréteggel bevonva a test sokkal nagyobb mértékben nyeli el a látható fényt. Azt az idealizált testet, amely a ráeső fényt minden hullámhosszon és bármely hőmérsékleten teljes egészében elnyeli abszolút fekete testnek hívjuk. Egy (fiktív!) abszolút fekete test spektrális abszorpcióképessége tehát
A(l,T) 1 (1.2)
Szigorúan véve olyan anyag, amely minden ráeső elektromágneses sugárzást 100%-ban elnyelne nem létezik. Jó közelítéssel azonban ilyennek tekinthetők a csillagok, vagy az izzólámpa izzószála. Ennél még jobb közelítéssel tekinthető abszolút fekete testnek egy olyan üreg, amit egy a sugárzást át nem eresztő, belül korommal bevont vastag falú edény zár körbe úgy, hogy a falon egyetlen pici lukat fúrunk (1.1. ábra). A lukon át az üregbe érkező fénynek igen kicsi az esélye, hogy a belső falon történő sokszoros visszaverődés során ne nyelődjön el, hanem visszatalálva a lukhoz elhagyja az üreget. A lukba érkező fény gyakorlatilag teljes egészében elnyelődik, annál inkább, minél kisebb a luk.
Az abszolút fekete test jelentőségét a következő tapasztalati tény adja, amit Gustav KIRCHHOFF (1824-87) német fizikus 1859-ben termodinamikai úton le is vezetett. Amíg a testek spektrális emisszió- illetve abszorpcióképessége anyagi minőségtől függ, a kettő hányadosa minden testre ugyanaz, és csak a hullámhossz (frekvencia) és a hőmérséklet függvénye:
(1.3)
ahol E(l,T) nem más, mint az abszolút fekete test spektrális emisszióképessége. Vagyis adott hőmérsékleten az erősebben abszorbeáló testek erősebben is világítanak. (1.3) alapján a különböző testek emisszióképességét az abszorpcióképességnek és az univerzális E(l,T) függvénynek a szorzata adja:
(1.4)
Ebből látszik, hogy a(l,T) 1 miatt adott hőmérsékleten az abszolút fekete test emisszióképessége bármely más test emisszióképességénél nagyobb. Ha például izzítunk egy üreget tartalmazó vasdarabot, amin van egy kis luk, akkor a tapasztalat szerint a lyuk sokkal erősebben világít, mint maga a környező vas.
|
