YOMEDIA
Wilhelm Wien
Chia sẻ: Trần Lê Kim Yến
| Ngày:
| Loại File: PDF
| Số trang:6
264
lượt xem
10
download
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien (13 tháng 1 năm 1864 - 30 tháng 8 năm 1928) là một nhà vật lý người Đức. Ông đã có công nghiên cứu các lý thuyết về nhiệt và điện từ để viết lên Định luật dịch chuyển Wien, hay còn được gọi là Định luật bức xạ Wien, định luật nói về bức xạ tối đa của vật đen (blackbody) từ vật rắn nóng. rong vật lý học, vật đen tuyệt đối, hay ngắn gọn là vật đen, là một vật hấp thụ hoàn toàn tất cả các quang thông bắn...
AMBIENT/
Chủ đề:
Nội dung Text: Wilhelm Wien
- Wilhelm Wien
Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien (13 tháng 1 năm 1864 - 30
tháng 8 năm 1928) là một nhà vật lý người Đức. Ông đã có công nghiên cứu
các lý thuyết về nhiệt và điện từ để viết lên Định luật dịch chuyển Wien, hay
còn được gọi là Định luật bức xạ Wien, định luật nói về bức xạ tối đa của vật
đen (blackbody) từ vật rắn nóng.
rong vật lý học, vật đen tuyệt đối, hay ngắn gọn là vật đen, là một vật hấp thụ
hoàn toàn tất cả các quang thông bắn vào nó, dưới bất kỳ độ dài sóng nào. Điều này
có nghĩa là sẽ không có hiện tượng phản xạ hay tán xạ trên vật đó, cũng như không
có dòng bức xạ điện từ nào đi xuyên qua vật.
Ý nghĩa vật lý về khả năng hấp thụ 100% bức xạ điện từ chiếu vào mang đến
cái tên "đen" cho vật thể. Tuy nhiên, các vật thể này không đen, mà chúng luôn bức
xạ trở lại môi trường xung quanh một bức xạ điện từ có phổ đặc trưng cho nhiệt
độ của vật, gọi là bức xạ vật đen.
Vật đen định nghĩa như trên là một vật lý tưởng, không tồn tại trong thực tế,
có đặc tính biến tất cả năng lượng nhận được thành năng lượng bức xạ đặc trưng
cho nhiệt độ của vật, với bất kỳ trị số nào của bước sóng. Mô hình vật đen là một
mô hình lý tưởng trong vật lý, nhưng có thể áp dụng gần đúng cho nhiều vật thể
thực tế. Các vật thể thực đôi khi được mô tả chính xác hơn bởi khái niệm vật xám.
Vật thể trên thực tế gần đúng với khái niệm vật đen nhất là lỗ đen, là vật có lực hấp
dẫn mạnh đến nỗi hút gần như tất cả các vật chất (hạt, sóng bức xạ) nào ở gần nó.
- Chú ý là một vật màu đen không hẳn là một vật đen. Thí dụ: chiếc tàu lặn sơn
đen đi trong đêm tối. Tuy chúng ta không thấy nó, nhưng nó vẫn bị phát hiện bởi
radar, có nghĩa là nó vẫn phản xạ các tia đó với độ dài sóng radar.
Max von Laue đã viết về Wien như sau: "Danh tiếng bất tử của ông chính là
vì ông đã dẫn dắt chúng ta tới cánh cửa của cơ học lượng tử".
Wilhelm Wien dành được giải thưởng Nobel vật lý năm 1911. Một miệng núi
lửa trên Sao Hỏa được đặt theo tên Wien để vinh danh ông.
Trong thiên văn học, phân loại sao là phân loại của các sao ban đầu dựa trên
nhiệt độ quang quyển và các đặc trưng quang phổ liên quan của nó, rồi sau đó
chuyển đổi thành thuật ngữ của các đặc trưng khác. Nhiệt độ của sao có thể được
phân loại bằng cách sử dụng định luật thay thế Wien; nhưng nó gây ra những khó
khăn đối với các sao ở xa. Quang phổ thiên văn cho ta một cách để phân loại sao
theo các vạch hấp thụ của chúng; đặc biệt các vạch hấp thụ chỉ có thể quan sát
được trong một khoảng nhất định của nhiệt độ vì chỉ trong khoảng nhiệt độ này thì
các mức năng lượng nguyên tử mới phổ biến. Các sơ đồ có từ thế kỷ 19 phân loại
các sao từ A đến P, là xuất xứ của các phân loại quang phổ hiện nay.
Cuối thế kỷ XIX, đúng là các nhà vật lý tưởng đã “nắm được hiện thực” nhưng
“Những thể nghiệm nghiêm ngặt và công phu tại các phòng thí nghiệm khiến các
nhà khoa học” không tin rằng chứ không phải “đã tin rằng” “cuối cùng đã nắm
được hiện thực”. Vì chính nhờ những thí nghiệm đó mà các nhà khoa học đã phát
hiện ra những điều mà Huân tước Kelvin coi là “hai gợn mây nhỏ” còn làm vẩn đục
bầu trời trong xanh bao la của khoa học: đó là kết quả của thí nghiệm do W. Wien,
J.W. Rayleigh và J.H. Jeans đo bức xạ của vật đen khi bị nung nóng và kết quả thí
nghiệm của A. Michelson và E. Morley đo vận tốc ánh sáng; hai kết quả đó đã chứng
tỏ tính ngang bướng của tự nhiên, không tuân theo suy luận logic của tri thức vật
lý hiện có: năng lượng của bức xạ vật đen lẽ ra (theo lý thuyết) là vô hạn (vô lý)
thì hữu hạn; vận tốc ánh sáng lẽ ra phải tuân theo phép cộng vận tốc lại luôn là
một hằng số. Và chính “hai gợn mây nhỏ” đó đã khiến các nhà khoa học không yên
- tâm, và trong quá trình tìm hiểu để lý giải chúng, họ đã không ngờ rằng mình đã
đưa lịch sử vật lý sang một thời đại mới, với hai cột trụ là ThuyếtTương đối và Cơ
học Lượng tử. Hai Tổ sư của cuộc cách mạng vật lý này chính là Planck và Einstein.
Ðịnh luật Wien
Wilhelm Wien khảo sát công suất bức xạ của vật đen (s=1) theo những bước
sóng khác nhau và ở những nhiệt độ khác nhau. Ông vẽ được 3 đồ thị phát xạ của
kim loại ở 3 nhiệt độ khác nhau đó. Từ các đồ thị ông nhận xét: công suất bức xạ
phụ thuộc vào bước sóng và nhiệt độ tuyệt đối của vật bức xạ. Giá trị cực đại của
công suất bức xạ bị lệch về phía bước sóng ngắn (tần số cao gọi là vùng tử ngoại)
khi nhiệt độ tuyệt đối của vật tăng lên.
Năm 1893 Wilhelm Wien dùng cách suy luận nhiệt động lực học và các số
liệu thực nghiệm để dẫn đến một quan hệ đơn giản giữa công thức bức xạ và bước
sóng. Ứng với một nhiệt độ tuyệt đối nhất định của vật thể bức xạ, sẽ có một giá trị
của bước sóng là λm (gọi là bước sóng Wien) sao cho với bước sóng đó công suất
bức xạ của vật là cực đại. Tích số của bước sóng Wien và nhiệt độ tuyệt đối của vật
bức xạ là một hằng số không đổi λm.T=b
Trong đó b gọi là hằng số Wien có độ lớn 2,896.10-3 moK
Theo thực ngiệm khi T tăng thì giá trị của bước sóng Wien λmgiảm nên định
luật của Wien còn được gọi là định luật dịch chuyển.
Vật lý cổ điển coi chuyển động là liên tục cũng như việc trao đổi năng lượng
cũng là liên tục. Vậy thì tại sao các nguyên tử lại phát ra những bức xạ có một đỉnh
cực đại? Wilhelm Wien nghiên cứu về bức xạ của vật đen (tiếng Anh: black body)
từ những vật rắn nóng (tương phản với bức xạ của các nguyên tử khí có phân bố
- tần số liên tục). Sử dụng điện động học cổ điển, ông đi tới một biểu thức cho phân
bố tần số của bức xạ này và cho sự dịch chuyển của bước sóng có cường độ cực đại
khi nhiệt độ của một vật đen bị thay đổi (định luật dịch chuyển Wien, rất hiệu quả
trong việc xác định nhiệt độ của Mặt Trời chẳng hạn).
Tuy vậy, Wien không thể rút ra một công thức phân bố phù hợp với thực
nghiệm cho cả hai vùng bước sóng dài và bước sóng ngắn. Vấn đề đó không được
giả quyết cho đến khi Max Planck đưa ra một ý tưởng hoàn toàn mới là năng lượng
phát xạ chỉ phát ra từng lượng gián đoạn có một giá trị nhất định gọi là lượng tử.
Một lượng tử năng lượng bằng hằng số Planck nhân với tần số của lượng tử đó.
Đây được coi là sự ra đời của vật lý lượng tử. Các bằng chứng quan trọng chứng
minh ánh sáng phát ra theo từng lượng tử năng lượng cũng được củng cố bằng lời
giải thích của Albert Einstein về hiệu ứng quang điện (được Heinrich Rudolf Hertz
quan sát lần đầu tiên vào năm 1887), hiệu ứng này cho thấy ánh sáng không chỉ
được phát ra theo từng lượng tử mà còn được hấp thụ theo từng lượng tử. Hiệu
ứng quang điện bao gồm phần mở rộng của lý thuyết Planck. Einstein nhận giải
Nobel vật lý năm 1921 về hiệu ứng quang điện và về những đóng góp cho vật lý lý
thuyết.
Trong các thí nghiệm sau này, James Franck và Gustav Ludwig Hertz đã
chứng minh hiệu ứng quang điện ngược (tức là khi một điện tử va chạm với một
nguyên tử thì cần một năng lượng tối thiểu để sinh ra các lượng tử ánh sáng với
năng lượng đặc trưng phát ra từ va chạm đó) và chứng minh tính đúng đắn của lý
thuyết Planck và hằng số Planck. Franck and Hertz cùng nhận giải Nobel năm 1926.
Cũng vào khoảng thời gian đó, Arthur Compton (người nhận nửa giải Nobel vật lý
năm 1927) nghiên cứu sự mất mát năng lượng của quang tử (lượng tử sóng điện
từ) tia X khi tán xạ lên các hạt vật chất và cho thấy rằng các lượng tử của chùm tia
X có năng lượng lớn hơn năng lượng của ánh sáng nhìn thấy 10.000 lần và chúng
cũng tuân theo các qui tắc lượng tử. Charles Thomson Rees Wilson (xem dưới đây)
nhận một nửa giải Nobel năm 1927 vì tạo ra dụng cụ quan sát tán xạ năng lượng
cao có thể được dùng để chứng minh tiên đoán của Compton.
Thảm hoạ Rayleigh-Jeans
- Cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20 đã đem lại một kỷ nguyên mới cho ngành vật
lý. Các nhà vật lý ở thế kỷ 19 dùng lý thuyết nhiệt động học và vật lý thống kê cùng
với giả thuyết năng lượng được phân bố đều giữa các hướng chuyển động tự do
trong không gian (degree of freedom) để xác định phổ của bức xạ vật đen ở trạng
thái cân bằng nhiệt (trạng thái nhiệt độ đồng đều và không thay đổi). Dựa trên
những lý thuyết cổ điển này, Lord John William Rayleigh và James Jeans tìm thấy
một công thức rất đơn giản để tính cường độ của bức xạ vật đen. Theo công thức
Rayleigh-Jeans, độ sáng của vật đen không tùy thuộc vào bản chất của vật thể,
nhưng có điều kỳ lạ là ở bất cứ nhiệt độ T nào, độ sáng Bn cũng tăng rất nhanh với
tần số ntheo luật bình phương (Bn = 2kTn2/c2,k là hằng số Boltzmann và c là tốc độ
ánh sáng). Có nghĩa là một vật đen như cái lò dùng để nung nấu phải phát ra những
bức xạ rất mạnh ở những tần số cao, đặc biệt trên vùng sóng tử ngoại và sóng X.
Như ta biết, trên thực tế lò này không phát ra tia tử ngoại và tia X độc hại và không
gây ra thảm hoạ cho người dùng. Theo công thức Rayleigh-Jeans, toàn bộ năng
lượng của vật đen (tức là tích phân của hàm Bn theo tần số) cũng là vô tận! Phương
pháp tính cường độ của bức xạ vật đen bằng những lý luận của ngành vật lý cổ
điển đã dẫn đến những kết quả tỏ ra là không hợp lý. Công thức Rayleigh-Jeans đã
gây ra chấn động làm một số nhà khoa học ở đầu thế kỷ 20 phải gọi đó là “thảm
hoạ tử ngoại” hay “thảm hoạ Rayleigh-Jeans”.
Nhiều nhà vật lý nổi tiếng thời bấy giờ trong đó Wilhelm Wien đã tìm cách
giải quyết mâu thuẫn giữa lý thuyết và thực nghiệm liên quan đến vấn đề bức xạ
vật đen. Vào đầu thế kỷ 20, tuy Max Planck chưa biết nguyên nhân sâu sắc của vấn
đề này trên phương diện vật lý, nhưng muốn tìm ra một công thức toán học có khả
năng tính được những đường cong để khớp với đường cong của phổ vật đen mà
các nhà vật lý đã quan sát được từ trước bằng phương pháp thực nghiệm. Sau khi
đã tìm thấy những đường cong của vật đen bằng công thức toán học, Max Planck
nảy ra ý kiến cho rằng năng lượng của những hạt dao động, như những electron
trong nguyên tử, không chỉ đơn giản tỷ lệ với nhiệt độ mà phải bị lượng tử hoá.
- Năng lượng E của hạt biến đổi theo từng mức lượng tử hn (h là hằng số Planck,
và n là tần số của bức xạ). Xác suấtP(E) để có năng lượng E phải tỷ lệ với exp(-
E/kT).Độ sáng của vật đen tính theo lý thuyết lượng tử là: Bn = (2hn3/c2)/[exp
(hn/kT) – 1)].
Công thức này mang tên công thức Planckcho thấy, dù ở tần số cao đến đâu
thì mẫu số vẫn tăng rất nhanh so với tử số, làm hàmBn phải giảm xuống ở vùng tần
số cao nên tránh được thảm hoạ tử ngoại. Ở miền tần số thấp như miền sóng vi ba
(sóng vô tuyến xentimet và những bước sóng dài hơn) hn/kT rất nhỏ nên công
thức Planck và công thức Rayleigh-Jeans đều dẫn đến những kết quả tương tự như
nhau. Công thức Planck cho thấy nhiệt độ của vật đen càng cao thì vật đen càng
sáng. Theo công thức Wien, cực đại của bức xạ xảy ra ở tần số nmax~ 3kT/h, làm cho
đỉnh của những đường cong Planck dịch chuyển về phía tần số cao khi nhiệt độ
tăng lên.
Tuy những ngôi sao đều có khí quyển bao bọc xung quanh nhưng vẫn được
coi là những vật đen trên một mức độ nào đó. Các nhà thiên văn dùng định luật
Planck và định luật Wien và dựa trên độ sáng và màu của những ngôi sao để sắp
xếp sao thành từng loại. Ngôi sao nào nóng thì sáng và có màu xanh lam, còn
những ngôi sao nguội hơn lại mờ hơn và có màu đỏ (tần số thấp hơn tần số màu
xanh). Bề mặt mặt trời nóng khoảng 6000 độ Kelvin nên Mặt trời là một ngôi sao
Thêm tài liệu vào bộ sưu tập có sẵn:
Báo xấu
LAVA
ERROR:connection to 10.20.1.100:9315 failed (errno=111, msg=Connection refused)
ERROR:connection to 10.20.1.100:9315 failed (errno=111, msg=Connection refused)
Đang xử lý...
Thêm vào BST
Báo xấu
