Conteúdo: Catástrofe Ultravioleta
- O que é uma catástrofe ultravioleta?
- O que é luz ultravioleta?
- O que é um negro?
- Declaração da lei de jeans Rayleigh
- Problema com a Lei Rayleigh-Jeans
- Declaração da Lei de Planck
O que é uma catástrofe ultravioleta?
Catástrofe ultravioleta, também conhecido como Catástrofe Rayleigh-Jeans refere-se ao desvio da derivação estatística do Jeans Rayleigh lei em comprimentos de onda curtos. De acordo com a lei de Rayleigh-Jeans, um corpo negro em equilíbrio térmico irradiaria em toda a faixa de frequência e emitiria mais energia conforme o comprimento de onda diminuísse. Em outras palavras, afirma que à medida que a frequência aumenta, o corpo negro começa a irradiar uma quantidade arbitrariamente grande de energia. No entanto, esse padrão não é visto fisicamente. O erro entre a quantidade de radiação de energia prevista e a quantidade de radiação de energia obtida é muito mais pronunciado em comprimentos de onda mais curtos. Por isso, é chamada de catástrofe ultravioleta.
O que é luz ultravioleta?
A luz ultravioleta é a radiação eletromagnética com uma frequêncian entre 8 × 1014 e 3 × 1016 Faixa de Hz e comprimento de onda entre 0.4 x 10-6 - 10-8 metro, então a luz ultravioleta não está caindo na faixa visível da visão humana. A catástrofe ultravioleta é proeminente nesses comprimentos de onda. Os raios ultravioleta são amplamente utilizados na anulação de macrobactérias, esterilizando equipamentos médicos, embora a superexposição ao raio ultravioleta possa não ser boa para os seres humanos e causar várias infecções de pele. Sensores ou detectores ultravioleta (UV) são usados para detectar a radiação UV emitida durante o tempo de ignição. ultravioleta sensores de chama são capazes de detectar incêndios e explosões em um intervalo de tempo de 3 a 4 milissegundos.
O que é um negro?
Em 1860, Gustav Kirchhoff deu a primeira ideia de um corpo negro. Ele afirmou que
..a suposição de que se podem imaginar corpos que, por espessuras infinitamente pequenas, absorvem completamente todos os raios incidentes, e não os refletem nem transmitem. Vou chamar esses corpos perfeitamente preto, ou, mais resumidamente, corpos negros
“Sobre a relação entre os poderes de irradiação e absorção de diferentes corpos para luz e calor”
Um corpo negro é um material capaz de absorver e emitir luz em todos os comprimentos de onda ou frequência, ou seja (e = a = 1). Na natureza, 100% negro não pode ser encontrado. Um material conhecido como negro de fumo é o mais próximo de um corpo negro real na Terra. O sol é um dos principais corpos negros do universo e emite luz em todos os comprimentos de onda. Quando um corpo negro está em equilíbrio térmico, ele emite a radiação do corpo negro. A radiação do corpo negro refere-se à radiação emitida por um corpo negro em todos os comprimentos de onda de luz possíveis. É também conhecida como radiação da cavidade.
Declaração da lei de jeans Rayleigh
TO físico britânico Lord Rayleigh e Sir James Jeans mediu a emissão espectral de um corpo negro na base da física clássica e de múltiplos fatores empíricos, que poderiam ser declarados como.
“Um corpo negro em Equilíbrio térmico emite radiação em todas as freq. intervalos e como a freq. aumentar a energia de emissão do aumento de radiação”.
~ Lord Rayleigh e Sir James Jeans
A equação matemática da lei de Rayleigh-jeans é
) é a densidade de energia radiante, é a frequência, T é a temperatura em Kelvin, 
é a velocidade da luz, K é a constante de Boltzmann. (catatrofe ultravioleta)De acordo com a expressão mostrada acima, a densidade da energia radiante é diretamente proporcional à frequência, ou seja, com o aumento da frequência, a energia radiante também deve aumentar divergindo para o infinito conforme o comprimento de onda tende a zero. Esta lei demonstrou um grande erro na teoria clássica da física.
Problema com a Lei Rayleigh-Jeans
Todos os modos de oscilador harmônico ou graus de liberdade de um sistema de corpo negro em equilíbrio devem ter energia média igual a KT, conforme estabelecido pelo teorema da equipartição da mecânica estatística clássica. De acordo com a lei de Rayleigh-Jeans, a energia radiante diverge para o infinito conforme o comprimento de onda tende a zero. Isso significa que a energia irradiada é ilimitada em uma determinada faixa de alta frequência. Isso viola claramente as leis da física que afirmam que um objeto nunca pode possuir uma quantidade infinita de potência ou energia, como provado por Albert Einstein.
Além disso, quando medidos fisicamente, os valores de energia obtidos foram muito diferentes dos valores previstos. O erro entre a quantidade de radiação de energia prevista e a quantidade de radiação de energia obtida é muito mais pronunciado em comprimentos de onda mais curtos, levando à catástrofe ultravioleta.
Esta foi uma grande desvantagem da lei Rayleigh-Jeans. Essa questão da catástrofe ultravioleta foi posteriormente resolvida por Max Planck e Albert Einstein, formando a lei de Planck e a equação de Einstein, respectivamente.
Declaração da Lei de Planck
Nos anos 1900, Max Planck trabalhou extensivamente com radiações eletromagnéticas e formulou uma das leis mais importantes e controversas do século. Segundo ele, a energia da radiação vinha em minúsculos pacotes discretos chamados quanta, que são proporcionais à frequência da radiação. Sua declaração foi:
A energia da radiação eletromagnética está confinada a pacotes indivisíveis (conhecidos como 'quanta'), um de cada pacote tem energias iguais ao produto da constante de Planck e a frequência da radiação.
A equação matemática da função de distribuição espectral da lei de Planck é
é frequência, é a velocidade da luz, λ é o comprimento de onda.Isso levou à formulação da forma correta das funções de distribuição espectral (conforme mostrado nas formulações abaixo) estimadas pelo popular cientista Einstein (no ano de 1905) e Satyendra Nath Bose (no ano de 1924). Este fator de distribuição não depende inteiramente em proporção com a frequência. A proporcionalidade inversa com o fator exponencial contribui para limitar os valores de energia obtidos em comprimentos de onda mais curtos ou frequências mais longas. Essa equação poderia realmente prever os valores obtidos experimentalmente de energia de radiação em um determinado comprimento de onda, eliminando a catástrofe ultravioleta.
) é a densidade de energia radiante, é a frequência, T é a temperatura em Kelvin, é a velocidade da luz, K é constante de Boltzmann, h é a constante de Planck.A lei de Planck também levou à formulação da teoria por trás do efeito fotoelétrico de Einstein. Um elétron presente em um estado de menor energia tende a absorver energia externa na forma de luz (fótons) para atingir um estado de maior energia e ocorrer apenas quando a energia presente no fóton é idêntica às diferenças de energias entre os dois níveis .
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