optics

целое. Не ограничивая общности, можно считать, что двукратное отражение от граней либо не вносит в фазу волны каких-либо изменений, либо изменяет фазу на 2π . Поэтому условие образования стоячих волн в каждом из измерений куба имеет вид

k2L = 2π n, или kxL = π nx; kyL = π ny; kzL = π nz,

Расчет удобно вести в сферических координатах, считая, что по осям декартовой системы координат отложены kx,ky и kz. Поскольку числа kx,ky и kz положительны, в сферических координатах число возбужденных колебаний принимает вид

Учитывая, что k = ω /с, находим концентрацию стоячих волн ( число волн, приходящееся на единицу объема полости):

Поскольку электромагнитная волна обладает двумя возможными поляризациями, то полная концентрация стоячих волн в два раза больше и равна

Каждая из стоячих волн называется модой колебаний, а число мод равно числу степеней свободы системы. Если < ε > является средней энергией, приходящейся на одну степень свободы, то плотность энергии стоячих волн равна

Таким образом, нахождение u(ω ,Т) свелось к определению средней энергии моды колебаний.

Формула Рэлея - Джинса. По теореме о равнораспределении энергии на одну степень свободы в классической статистической системе приходится энергия kT/2. У гармонического осциллятора средняя кинетическая энергия равна средней потенциальной, и поэтому его средняя энергия равна kТ. Это энергия, приходящаяся на одну моду колебаний. Поставим этот результат в общую формулу, в результате получим

Последние равенства называется формулой РэлеяДжинса. Эта формула была предложена Д. У. Рэлеем

(1842—1911) в 1900 г. и несколько более подробно обоснована Д. Д. Джинсом (1877— 1946). Она дает достаточно хорошее согласие с экспериментом при малых ω (больших λ ). При больших ω спектральная плотность значительно превосходит наблюдаемую, а при ω → ∞ получается недопустимое соотношение u(ω ,T) → ∞. Расходимость плотности энергии излучения u(ω ,T) называется ультрафиолетовой катастрофой.

Формула Вина. В. Вин (1864—1928) предположил, что каждая мода колебаний является носителем энергии ε (ω ), но не все моды данной частоты возбуждены. Относительное число ∆ N/N возбужденных мод дается распределением Больцмана:

ε (ω )

∆ N = −

e kT .

N

Отсюда для средней энергии, приходящейся на моды с частотой ω , находим

− ε (ω )

< ε >= ε (ω )e kT .

Из общих термодинамических соображений Вин заключил, что энергия моды частотой ω пропорциональна частоте, т.е ε (ω ) = ħω . Коэффициент пропорциональности здесь дан в современных обозначениях в виде постоянной Планка, которая в то время не была известна. Общая формула в этом случае приобретает вид

Она называется формулой Вина (1896) и дает хорошее согласие с экспериментом в области достаточно больших частот (малых длин волн). Промежуточную область долгое время описать не удавалось.

V.14. Формула Планка. Законы Стефана-Больцмана и Вина.

Попытку выйти из положения предпринял Планк(1858-1947). В 1900 он предложил интерполяционную формулу, которая полностью соответствовала экспериментальным данным. При получении ее он предположил, что тела излучают ЭМВ (тепловое излучение) дискретно, в виде квантов с энергией ε 0. Тогда сама энергия теплового излучения должна быть дискретна и кратна этой величине ε 0, 2ε 0, 3ε 0,…nε 0. При этом сами излучательные системы рассматривались как колебательные системы – атомные осцилляторы (АО). Такая система, АО в данный момент с вероятностью

− nε 0

Pn = Ae kT

находится в одном из состояний с энергией nε 0, то есть подчиняются распределению Больцмана по энергии. Средняя излучаемая энергия при этом может быть вычислена по формуле (используем обозначение β = 1/(kT)):

По виду эта формула похожа на логарифмическую производную

n = 0

Таким образом, необходимо вычислить сумму бесконечной геометрической прогрессии

После вычисления логарифмической производной, получаем выражение для вычисления средней энергии АО:

И вот теперь Планк предположил, что энергия кванта пропорциональна частоте ω , то есть ε 0 = ħω . Постоянный коэффициент в этой формуле получил название постоянной Планка. Формула для испускательной способности АЧТ приобрела окончательный вид:

Из сравнения теории и эксперимента было найдено значение постоянной Планка. Оно оказалось равным # = 1.05 10-34 Дж с. Сначала Планк догадался, что формула должна

иметь такой вид, и лишь спустя четыре месяца ему удалось вывести эту формулу. Легко показать, что законы Релея-Джинса и Вина входят в эту формулу как ее предельные случаи соответственно малых и больших частот:

Закон Стефана-Больцмана. С помощью формулы Планка можно вычислить энергетическую светимость АЧТ. Для этого необходимо вычислить следующий интеграл:

Вычислена энергия, излучаемая АЧТ с единицы поверхности в единицу времени. Она пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры, что подтверждается экспериментом. Коэффициент σ в этом законе назван постоянной Стефана-Больцмана и равен σ = 5.67 10-8 Вт/(м2К4).Ее можно вычислить из приведенной формулы, зная постоянную Планка, или определить из эксперимента. Оба значения получились очень близкими по величине.

Закон смещения Вина. Суть закона смещения Вина в том, что экспериментально было обнаружено смещение максимума испускательной способности АЧТ в сторону меньших

длин волн при увеличении температуры АЧТ: λ mT = b . Коэффициент b был назван постоянной Вина. Для того, чтобы теоретически получить эту формулу, необходимо