5. กฎพื้นฐานสี่ประการของการแผ่รังสี

สารบัญในหน้านี้

① กฎของพลังค์
② กฎของชเต็ฟฟัน–บ็อลทซ์มัน
③ กฎการกระจัดของวีน
④ กฎการแผ่รังสีความร้อนของเคียร์ชฮ็อฟ (พลังงานที่เปล่งประกาย)
[ศาสตร์แห่งรังสีอินฟราเรด สารบัญ]

① กฎของพลังค์

แม็กซ์ คาร์ล เอิร์นสท์ ลุดวิก พลังค์ 23 เมษายน พ.ศ. 2401 – 4 ตุลาคม พ.ศ. 2490 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน
กฎของพลังค์เป็นสูตรในฟิสิกส์เกี่ยวกับการแผ่รังสีสเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่ออกจากวัตถุสีดำ หรือการกระจายความยาวคลื่นของความหนาแน่นของพลังงาน มีความเป็นไปได้ที่จะอธิบายความกระจ่างสเปกตรัมของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจากวัตถุดำได้อย่างถูกต้องที่อุณหภูมิ T ตลอดช่วงความยาวคลื่นทั้งหมด ได้รับการแนะนำในปี 1900 โดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Max Planck
เมื่อพิจารณาที่มาของกฎนี้ พลังค์สันนิษฐานว่าพลังงานของออสซิลเลเตอร์ในสนามรังสีเป็นจำนวนเต็มทวีคูณของปริมาณพลังงานพื้นฐานที่แน่นอน (ปัจจุบันเรียกว่าควอนตัมพลังงาน) ε = hν สมมติฐานควอนตัม (การหาปริมาณ) ของพลังงานมีอิทธิพลอย่างมากต่อจุดเริ่มต้นของกลศาสตร์ควอนตัม

กฎของพลังค์แสดงความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานรังสีวัตถุดำกับความยาวคลื่น สสารปล่อยพลังงานออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของมัน พลังงานที่แผ่ออกมาจะเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ สสาร และสภาพพื้นผิว
สำหรับวัสดุทั่วไปมีค่าการแผ่รังสีน้อยกว่า 1 ดังนั้น คุณลักษณะพลังงานรังสีสเปกตรัมของวัสดุที่มีอุณหภูมิเท่ากับวัตถุสีดำจะถูกวาดเป็นเส้นโค้งที่ต่ำกว่าของวัตถุสีดำ

② กฎของชเต็ฟฟัน–บ็อลทซ์มัน

โจเซฟ สเตฟาน 24 มีนาคม พ.ศ. 2378 – 7 มกราคม พ.ศ. 2436 นักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย

Ludwig Edouard Boltzmann 20 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2387 – 5 กันยายน พ.ศ. 2449 นักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย
ปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาจากสารจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิของสารเพิ่มขึ้น ปริมาณพลังงาน (E) ที่แผ่ออกมาจากวัตถุสีดำที่อุณหภูมิสัมบูรณ์ T (หน่วย: เคลวิน K) ได้มาจากการรวมกฎของพลังค์เข้ากับความยาวคลื่นทั้งหมด และให้ไว้ในรูปแบบสัดส่วนกับกำลังสี่ของอุณหภูมิสัมบูรณ์ คุณสามารถ สิ่งนี้เรียกว่ากฎของชเต็ฟฟัน–บ็อลทซ์มัน
มันถูกค้นพบโดยการทดลองโดยโจเซฟ สเตฟาน ในปี พ.ศ. 2422 และได้รับการพิสูจน์ทางทฤษฎีโดยนักเรียนของเขา ลุดวิก โบลต์ซมันน์ ในปี พ.ศ. 2427 มันถูกเรียกว่า กฎของชเต็ฟฟัน–บ็อลทซ์มัน’ ตามชื่อของพวกเขา
Ｅ＝5.6697×10－８・Ｔ４ [W/m2]

③ กฎการกระจัดของวีน

วิลเฮล์ม คาร์ล แวร์เนอร์ ออตโต ฟริทซ์ ฟรานซ์ เวียน 13 มกราคม พ.ศ. 2407 – 30 สิงหาคม พ.ศ. 2471 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน

กฎการกระจัดของวีนถูกค้นพบโดย Wien ในปี พ.ศ. 2439
ความยาวคลื่นสูงสุด (จุดที่มีพลังงานสูงสุด) ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาจากสสารจะเปลี่ยนไปเป็นความยาวคลื่นที่สั้นลงเมื่ออุณหภูมิของหม้อน้ำเพิ่มขึ้น
กฎการกระจัดของวีน
แลมบ์ดา=2897/T [ไมโครเมตร] สิ่งนี้เรียกว่ากฎการกระจัดของวีน
ตัวอย่างเช่น ความยาวคลื่นสูงสุด (แล) ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาจากมนุษย์โดยมีอุณหภูมิร่างกาย 36°C (อุณหภูมิสัมบูรณ์ T = 36 + 273 = 309K) คือ 2897-309 = 9.4μm กล่าวอีกนัยหนึ่ง มนุษย์ปล่อยรังสีอินฟราเรดไกลที่มีความยาวคลื่นสูงสุดประมาณ 9.4 ไมโครเมตร
พื้นที่รวม (พลังงาน) บนด้านความยาวคลื่นสั้นของความยาวคลื่นสูงสุดที่ระบุโดยกฎการกระจัดของวีน คือ 25% ของพลังงานทั้งหมด และด้านความยาวคลื่นยาวคือ 75% กล่าวอีกนัยหนึ่ง ด้านความยาวคลื่นยาว (ด้านรังสีอินฟราเรดไกล) ปล่อยพลังงานออกมามากกว่าสามเท่า
ดังนั้น ความยาวคลื่น (แล) ที่แบ่งพลังงานการแผ่รังสีของวัตถุสีดำที่อุณหภูมิสัมบูรณ์ T (K) ออกเป็นสองเป็นเท่าใด หาได้จากสูตร: แล = 4,108/T [μm] ตัวอย่างเช่น ที่ความยาวคลื่นขอบเขต 3 μm ระหว่างบริเวณรังสีอินฟราเรดช่วงคลื่นสั้นและบริเวณรังสีอินฟราเรดไกล อุณหภูมิวัตถุดำ T ซึ่งพลังงานรังสีหารด้วย 50% คือ T = 4,108/3 = 1,369 (K) (= 1,369 – 273) = 1,096°C. มาสุ
จะเห็นได้ว่ารังสีอินฟราเรดไกลใช้น้ำหนักมากจนถึงอุณหภูมิที่สูงมาก นอกจากนี้ความยาวคลื่นสูงสุดในเวลานี้คือ 2,897/1,369 = 2.1 ไมโครเมตร ซึ่งเป็นธรรมชาติในบริเวณรังสีอินฟราเรดช่วงคลื่นสั้น
เวียนนาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี พ.ศ. 2454 จากการค้นพบกฎการแผ่รังสีความร้อน

④ กฎการแผ่รังสีความร้อนของเคียร์ชฮ็อฟ (พลังงานที่เปล่งประกาย)

Gustav Robert Kirchhoff, 12 มีนาคม พ.ศ. 2367 – 17 ตุลาคม พ.ศ. 2430 นักฟิสิกส์ชาวปรัสเซียน (ปัจจุบันคือ แคว้นคาลินินกราด รัสเซีย)
อัตราส่วนของพลังงานการแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาจากสสารในสมดุลการแผ่รังสีต่อความสามารถในการดูดซับของมันจะคงที่โดยไม่คำนึงถึงสสาร และค่าของมันจะเท่ากับพลังงานการแผ่รังสีของวัตถุสีดำที่สมบูรณ์แบบ
กล่าวอีกนัยหนึ่ง ในกรณีของวัสดุทึบแสงทั่วไป อัตราการดูดซึมและสภาพเปล่งรังสีจะเท่ากัน ซึ่งเป็นกฎที่ค้นพบโดย Kirchhoff ในปี 1860
Kirchhoff ค้นพบกฎเกี่ยวกับวงจรไฟฟ้า กฎเกี่ยวกับพลังงานการแผ่รังสี และกฎเกี่ยวกับความร้อนของปฏิกิริยา ดังนั้นกฎเหล่านี้จึงมักเรียกกันว่ากฎการแผ่รังสีความร้อนของเคียร์ชฮ็อฟ (พลังงานการแผ่รังสี)

[ศาสตร์แห่งรังสีอินฟราเรด สารบัญ]