Curs Iluminat

Capitolul 1

FENOMENELE FIZICE CARE STAU LA BAZA PRODUCERII LUMINII

Sursele de lumină, cunoscute până în prezent, produc lumină având la bază două fenomene

fizice: radiaţia termică si luminiscenţa.

1.1. RADIAŢIA TERMICĂ

Radiaţiile electromagnetice, de cele mai diferite lungimi de undă, sunt produse ca urmare a

oscilaţiilor particulelor încărcate cu sarcini electrice, care intră în alcătuirea substanţei, adică a

electronilor şi ionilor. Oscilaţiilor ionilor le vor corespunde radiaţii de frecvenţe mai mici, din cauza

masei apreciabile, iar oscilaţiilor electronilor – radiaţii de frecvenţe mai mari.

Radiaţia unui corp este însoţită de o micşorare a energiei corpului respectiv. Astfel, ca urmare a

emisiei de radiaţii electromagnetice, menţinerea constantă a temperaturii corpului se poate face numai

printr-un aport de energie din exterior, sub formă de energie termică, radiantă, electrică, etc.

Se numeşte radiaţie termică radiaţia electromagnetică obţinută prin transformarea energiei

termice în energie radiantă.

1.1.1. LEGILE RADIAŢIEI TERMICE

Legile, care guvernează radiaţiile termice, au fost amănunţit studiate pentru radiatorul integral,

numit şi corp negru, care are proprietatea de a absorbi toate radiaţiile incidente, indiferent de lungimea

lor de undă.

În natură nu există un astfel de corp, însă, se poate realiza sub forma unei cavităţi dintr-un

material opac, prevăzută cu un orificiu de diametru neglijabil, cavitatea aflându-se în echilibru

termodinamic, prin menţinerea constantă a temperaturii. O radiaţie ce pătrunde prin orificiu suferă o

serie de reflexii, până ce este complet absorbită (fig. 1.1).

F i g . 1 . 1 Radiatorul integral.

Legea generală a radiaţiei corpului negru, care exprimă relaţia dintre emitanţa energetică

spectrală a radiaţiei, lungimea de undă şi temperatura absolută a corpului, a fost enunţată la 19

octombrie 1900, de către fizicianul german Max Planck (1858 – 1947). La data enunţării, ea avea un

caracter mai mult empiric, fiind de fapt o interpolare ingenioasă între relaţia Rayleigh – Jeans si relaţia

lui Wien. Justificarea teoretică a fost găsită, două luni mai târziu, la 14 XII 1900, tot de Planck, prin

admiterea existenţei cuantelor de energie, concept pentru care a primit premiul Nobel în anul 1918.

Conform ipotezei lui Planck, energia atomilor sau a sistemelor de atomi poate avea numai valori

discrete bine determinate.

Legea lui Planck se poate exprima cu ajutorul relaţiei

în care c1 si c2 sunt constante având expresiile :

2

1 c = 2π h c ;

k

h

c = c 2 . (1.2)

Meλ – emitanţa energetică spectrală ;

c – viteza luminii în vid ;

h – constanta lui Planck ;

k – constanta lui Boltzmann ;

- 2 -

λ – lungimea de undă a radiaţiei ;

T – temperatura absolută a corpului negru .

Emitanţa energetică spectrală poate fi reprezentată, în funcţie de lungimea de undă, sub forma

unei familii de curbe, având drept parametru temperatura absolută (fig. 1.2 ).

Fig. 1.2. Curbele de emisie ale

corpului absolut negru pentru diverse

temperaturi

Emitanţa energetică integrală, corespunzătoare tuturor radiaţiilor, indiferent de lungimea lor de

undă si care va depinde numai de temperatura corpului, va fi dată de integrala

Pentru calculul integralei (1.3) se face schimbarea de variabilă

substituind în integrala (1.5) şi integrând termen cu

termen [25, p.160], [15, vol.2, p.163] avem

x

(1.6)

Rezultă relaţia

M (T) T 4 , e =σ (1.7)

care poartă denumirea de legea Stefan – Boltzmann, σ fiind constanta Stefan – Boltzmann, a cărei

valoare este 5,6697 ⋅10−8Wm−2K−4.

Ea arată că emitanţa energetică integrală este proporţională cu temperatura corpului negru la puterea a

patra.