X
تبلیغات

 

چرا فلزهای براق گسیلنده های بدِ تابش هستند؟

                                                                                                

در مجله ی The Physics Teacher -- April 2007 مقاله ای کوتاه از رونالد بریان ، استاد فیزیک دانشگاه   A&Mتگزاس ، آمده است که در آن با ارائه ی مدلی سعی کرده است به این پرسش پاسخ دهد که : « چرا فلزهای براق گسیلنده های بدی برای تابش اند ؟ » پیش ار آنکه این ترجمه ی مقاله را بخوانید خوب است ابتدا ، جهت یادآوری ، موارد اشاره شده که در ادامه آمده است را بخوانید. 

درج در ادامه مطلب  

 

§    همه ی جسم ها در هر دمایی که باشند ، به دلیل نوسان های اتمی در سطح خارجی آن ها ،  انرژیی به صورت موج های الکترومغناطییسی (EM ) تابش می کنند. هر چند این تابش گرمایی می تواند تمام طیف موج های  EMاز موج های رادیویی تا موج های گاما را در بر بگیرد ، اما در دماهای کم تر از 1000 Kاین تابش عمدتاً در ناحیه ی فروسرخ ، که چشم انسان به آن حساس نیست ، قرار دارد. بیش تر جامد ها و مایع ها گستره ی پیوسته ای از طول موج ها را گسیل می کنند ، در حالی که گازها معمولاً تنها تعداد محدودی طول موج گسسته گسیل می کنند.

§    آهنگ تابش گرما از جسمی به مساحت A   در دمای T ( بر حسب کلوین ) را می توان با قانون استفان بولتزمن ∆Q/∆t= s e A T^4 توصیف کرد که در آن  ثابت فیزیکی بنیادی به نام ثابت استفان بولتزمن ، و e ثابت گسیلندگی جسم است که از صفر تا یک تغییر می کند. ثابت گسیلندگی به صافی و ناصافی سطح جسم و رنگ آن بستگی دارد . گسیلندگی ، بیانگر این است که تابش انرژی جسم با چه سهولتی انجام می شود. سطح های تیره و مات و کاواک ها بهترین گسیلنده هستند در حالی که سطح های صیقلی و براق با رنگ های روشن بدترین گسیلنده ها هستند. جسمی که گسیلندگی e آن برابر یک باشد ، جذب کننده و گسیلنده ی کامل تابش است. چنین جسمی را جسم سیاه می نامند.

 

در ادامه ترجمه ی مقاله را بخوانید.

 

اغلب دانش آموزان تعجب می کنند چرا فلزهای صیقلی وقتی بسیار براق اند گسیلنده های بدِ تابش هستند. اینجا مدل ساده ای را که به توضیح این تعارض کمک خواهد کرد ارائه می کنم.

مبنای این مدل ، این واقعیت است که تابش از هر جسم  هرگز فراتر از تابش جسم سیاه نمی رود. به علاوه ، طیف تابشی یک جسم ( تابش بر حسب طول موج ) تقریباً تمایل دارد  از همان منحنی جسم سیاه تبعیت کند و قله ی آن تا نزدیکی قله ی جسم سیاه پیش رود. به این ترتیب ، به عنوان یک تقریب خام برای طیف تابش جسم ، فرض می کنم که آن دقیقاً از طیف جسم سیاه پیروی می کند ولی با عامل ثابت a که مقداری مثبت و از یک کوچک تر است.

در این تقریب ، می توان استوانه ای را از یک ماده ی دلخواه به صورت استوانه ی جسم سیاهِ توپری نمایش داد که با یک استوانه ی خارجی نازک کاملاً بازتابنده، که سوراخ هایی روی آن ایجاد شده است، مطابق شکل در بر گرفته شده است.استوانه ی داخلی ، جسم سیاهی است که تابش الکترومغناطیسی فرودی را کاملاً جذب می کند.

 

 

اکنون جسم سیاه را ، مثلاً با یک گرمادهِ درونی ، گرم می کنیم. وقتی جسم سیاه گرم شود ، آنگاه بنابر قانون پلانک ، تابش EM گسیل می کند. چون استوانه ی نازک بیرونی سوراخ های کوچک بسیاری دارد، تابش EM مستقیماً از این سورخ ها خارج می شود. از سوی دیگر ، موج های EM که از سطح داخلی استوانه ی نازک بازتابیده می شوند مستقیماً به جسم سیاه بازمی گردند و توسط آن جذب می شوند. بنابراین  اگر در  دمای T، جسم سیاهِ بدون پوششی مقدار انرژی W بر ثانیه بر متر مربع تابش کند ، آنگاه جسم سیاه پوشش دار تنها انرژیی به اندازه ی aW بر ثانیه بر متر مربع تابش می کند که در آن a برابر نسبت «سطح کل سوراخ ها روی پوشش استوانه ای» به «سطح کل پوشش استوانه ای با سوراخ های روی آن» است.

( در مورد جسم سیاه پوشش دار ، می توانیم مقدار گرمای گسیل شده توسط گرماده را با نگه داشتن دمای جسم سیاه در T کاهش دهیم.)

اکنون اگر تابشی از یک چشمه ی خارجی به جسم سیاهِ بدون پوشش فرود آید پس از برخورد به جسم سیاه تمام آن جذب می شود ولی اگر جسم سیاه دارای پوشش باشد ، تابشی که به پوشش برخورد می کند 100 درصد بازتابیده می شود و تنها آن پرتوهای EM که از سوراخ بگذرند به جسم سیاه می رسند. بنابراین ، اگر تابش EM فرودی برابر I باشد ، آنگاه تابش جذب شده برابر aI است که a همان عامل ، در تعریفی است که بیان شد.

و اکنون چند حالت خاص:

1) اگر a=1 ( استوانه ی بدون پوشش ) ، آنگاه ترکیب جسم سیاه – پوشش یک گسیلنده و یک جذب کننده ی کامل است.

2) اگر a=0 ( پوشش بدون سوراخ ) ، آنگاه این ترکیب در حالت کلی نه گسیل میکند نه تابش.

3) اگر a=0.05 باشد( پوشش با تعدادِ کمی سوراخ ، مانند شکل ) ، آنگاه این سطح بازتابنده ی بسیار خوب و جذب کننده و همچنین گسیلنده ی بسیار بدی است. در نتیجه سطح های فلزی صیقلی که بازتابنده های خوبی هستند ، گسیلنده های بدی هستند.

 

ما در اینجا نشان دادیم که یک جسم یا سطح که یک گسیلنده ی خوب است ، تمایل دارد که یک جذب کننده ی خوب باشد و جسم یا سطحی که یک گسیلنده ی بدی است مایل است که یک جذب کننده ی بدی باشد.

free counters