Абсолют қара дененің сәуле шығаруы: спектр және температура

Температурасы абсолют нөлден жоғары кез келген дене электромагниттік толқындар шығарады — бұл жылулық сәуле шығару. Абсолют қара дене (АҚД) деп өзіне түскен кез келген толқын ұзындығындағы сәулені толық жұтатын денені айтады. Оның меншікті сәуле шығаруы затқа емес, тек температураға тәуелді, сондықтан АҚД — жылулық сәуле шығарудың эталоны. АҚД-ның жақсы моделі — кішкентай саңылауы бар тұйық қуыс: ішке кірген сәуле көп рет шағылып, толығымен дерлік жұтылады. Күйе, пештегі қызған шоқ және жұлдыздар АҚД-ға жақын.

АҚД спектрін Планк формуласы сипаттайды: энергетикалық жарқырауның спектрлік тығыздығы r_λ беттің 1 м²-і 1 с ішінде λ маңындағы тар толқын ұзындығы аралығында қанша энергия шығаратынын көрсетеді. r_λ(λ) қисығының бір максимумы бар. Температура жүгірткісін жылжытып, үш заңды бірден бақыла. Виннің ығысу заңы: λmax = b/T — дене неғұрлым ыстық болса, максимумның толқын ұзындығы соғұрлым қысқа. Стефан–Больцман заңы: толық энергетикалық жарқырау (қисық астындағы аудан) R = σT⁴ — денені 2 есе қыздырсаң, ол 16 есе көп сәуле шығарады. Үшіншісі — түс: 300 K кезінде бүкіл спектр инфрақызыл аймақта жатыр және дене қара болып көрінеді, шамамен 800 K-де күңгірт қызыл жарық пайда болады, қыздыру шамы (≈2800 K) сары, Күн (≈5800 K) ақ, ал 10 000 K-ден ыстық жұлдыздар көгілдір болып жарқырайды.

Өлшеулер панелі λmax, R = σT⁴, r_λ-ның ең үлкен мәнін және ультракүлгін, көрінетін және инфрақызыл аймақтардағы энергия үлесін көрсетеді. Қыздыру шамына қара: энергияның тек 10 %-ға жуығы көрінетін жарыққа кетеді, қалғаны — жылу, сондықтан мұндай шамдарды жарықдиодты шамдар алмастырды. «Қисықты есте сақтау» батырмасы салыстыру үшін графикте спектрді қалдырады, ал «Жылулық бейнелеуіш» режимі суық дененің де сәуле шығаратынын көрсетеді — тек көзге көрінбейтін инфрақызыл диапазонда. Сахнадағы фотондар Планк формуласымен есептелген толқын ұзындығы бойынша үлестіріліп ұшады, ал олардың саны температурамен T³ сияқты өседі.

Рэлей–Джинс қисығын қос — классикалық физика спектрді осылай болжаған. Ұзын толқындар аймағында ол тәжірибемен сәйкес келеді, бірақ λ кемігенде шексіздікке кетеді: дене ультракүлгінде шексіз энергия шығаруы керек болар еді. Бұл парадокс «ультракүлгін апат» деп аталды. 1900 жылы Макс Планк жарық үлестермен — энергиясы E = hν = hc/λ кванттармен шығарылады деп болжап, оны шешті. Қысқатолқынды кванттар тым «қымбат», дене оларды шығара алмайды дерлік, сондықтан қисық төмендейді. Кванттық физика осылай пайда болды. «Өзіңді тексер» белгісі алдымен нәтижені болжауды, содан кейін оны модельде тексеруді ұсынады.