Lumină și fizică cuantică

Am studiat pîna acum propagarea, reflexia, refractia, difractia, polarizarea, împrastierea si interferenta luminii. Ne vom ocupa în continuare de producerea luminii si de modul în care aceste studii au condus în 1900 la nasterea fizicii cuantice moderne.

Cele mai uzuale surse de lumina sînt corpurile solide încalzite si descarcarile electrice prin gaze. Exemple tipice de astfel de surse sînt : filamentul de tungsten al lampii cu incandescenta si lampa cu neon. Analizînd cu ajutorul unui spectrometru lumina emisa de la o sursa putem afla intensitatea radiata la diverse lungimi de unda. în figura gura 47-1 se poate vedea rezultatul unei astfel de masuratori, tipic pentru solide încalzite, în care s-a încalzit la 2 000 K o panglica de tungsten.

In ordonata (figura 47-1) a fost pusa densitatea spectrala a emitantei energetice, M» , (sau pe scurt emitanta spectrala) definita astfel ca fluxul energetic emis de unitatea de aria a radiatorului, în intervalul de lungimi de unda si », »+d» sa fie M» d». Unitatea S.I. pentru emitanta spectrala este watt pe metru patrat pe metru (W/m2 m), respectiv în unitati mai convenabile W/m2 µm (1 W/cm2 µm = 106 W/m2 m) sau W/cm2 µm (1 W/cm2 µm = 1010 W/m2 m). La masurarea lui M» se ia în consideratie toata radiatia emisa în 2À steradiani, de radiator. |

Uneori dorim sa discutam despre energia radiata în tot domeniul de lungimi de unda. In acest caz vom vorbi de emitanta energetica, Me definita ca flux de energie emis uniform de pe o suprafata cu aria unitate, unitate de masura corespunzatoare fiind W/m2. Ea poate fi obtinuta integrând radiatia emisa pe tot intervalul de lungimi de unda :

Me = d»

Ermitanta Me poate fi interpretata ca aria de sub curba M» functie de ». În cazul ligurii 47-1, aceasta arie si deci Me, este de 23,5 x lO4 W/cm2. Se poate observa asemanarea formala ce exista între aceasta curba si cea a distributiei Maxweliene a vitezelor, din paragraful 24-2.

Pentru orice material exista o familie de curbe de emitanta spectrala ca cea din figura 47-1, cîte o curba pentru fiecare temperatura. Daca se compara asemenea familii de curbe, nu rezulta regularitati clare. Întelegerea si descrierea lor pe baza unei teorii prezinta dificultati serioase. Din fericire, este posibil sa lucram cu un corp solid ideal, încâlzit, numit corp negru. Proprietatile de emisie a luminii se dovedesc a fi independente de materialul din care este construit corpul negru si depind într-un mod simplu de temperatura. Anterior am procedat la fel, cînd am studiat proprietatile unui gaz ideal si nu a infinitatilor de tipuri de gaze reale. Corpul negru este un corp ideal din punct de vedere al proprietatilor lui de emisie a luminii. Vom descrie în paragrafele urmatoare modul în care studiul teoretic al radiatiei corpului negru, a condus în 1900 pe fizicianul german Max Planck (18581947), la fundamen-tarea îizicii cuantice moderne

Lungimea µm

Figura 47-1. Densitatea spectrala a emitantei energetice a tungstenului Ia 2000 K. Linia întrerupta se refera la radiatia corpului negru aflat la aceeasi temperatura. 1µ. =10-6 m=104 Â.

Sa luam trei bucati diferite de metal, spre exemplu tungsten, tantal si molibden. Sa executam în fiecare bucata de rnetal cîte o cavitate iar prin peretii fiecaruia sa efectuam o mica gaura care sa uneasca cavitatea cu exteriorul. Sa crestem temperatura fiecarui bloc metalic la aceeasi temperatura (sa zicem de 2000 K), determinata cu ajutorul unui termometru corespunzator. În fine, sa observam emisia de lumina a celor trei bucati metalice, într-o camera întunecoasa. Masuratorile lui Me si M» ne arata urmatoarele: