فیزیک اتمی - تابش

فیزیک اتمی

فیزیك كلاسیك

فیزیك‌دانان تا آخر سده‌ی نوزدهم میلادی توانسته بودند برای بسیاری از پدیده‌های  طبیعی توجیه‌های قانع كننده‌ای ارائه كنند ( از جمله : قانون‌های نیوتون در مكانیك ،‌ قانون گرانش ، قانون كولن ، قانون فارادی ، قانون‌های ماكسول در الكترومغناطیس و .......)مجموعه‌ی قانون‌ها و نظریه‌های تدوین شده تا آن زمان را فیزیك كلاسیك می‌نامند  . این مجموعه از قانون‌ها امروز ه در بسیاری از موردها برای حل مسئله‌های فیزیكی و توجیه پدیده‌های طبیعی مورداستفادكه قرار می‌گیرند .

فیزیك نوین

 فیزیك‌دانان در دهه‌های نخست سده‌ی بیستم میلادی پدیده‌هایی را كه در فیزیك كلاسیك قابل توجیه نبودند به كمك نظریه‌های جدیدی توجیه كردند . مجموعه‌ی این نظریه‌ها و قانون‌های مربوط به ‌آن‌ها امروز به نام فیزیك مدرن ( جدید یا نوین )  شناخته می‌شود . مبنا و شالوده‌ی فیزیك مدرن را نظریه‌های نسبیت و كوانتومی تشكیل می‌دهند

نظریه های نسبیت مربوط به پدیده‌ها در سرعت بسیار زیاد و نزدیك سرعت نور است .نظریه‌ی نسبیت توسط انیشتین یایه‌گذاری شد

نظریه‌های كوانتومی به مطالعه‌ی پدیده‌هایی می‌پردازند كه بیشتر در مقیاس‌های كوچك و برای مولكول‌ها ، ‌اتم‌ها و ذره‌های زیر اتمی ( این ذره‌ها اجزای اتم هستند و از اتم كوچك‌ترند . ) مشاهده می‌شوند . نظریه‌های كوانتومی نتیجه‌ی پژوهش‌های فیزیك‌دانان بسیای از جمله پلانك ، انیشتین ، بور ، شرودینگر ، هایزنبرگ ، دیراك ، پائولی و ... بوده است .

 

یكی از پدیده هایی كه در فیزیك كلاسیك قابل توجیه نبود تابش گرمایی است

 

تابش

تابش گرمایی

از سطح اجسام در هر دمایی موج‌های الكترومغناطیسی گسیل می‌شود . آن دسته از موج‌های الكترومغناطیسی را كه فقط به علت دمای معینی كه جسم دارد  ،‌تابش می‌شود تابش گرمایی می‌نامند. بنابراین امواج  تابش شده از یك لامپ رشته‌ای ، بخاری ، خورشید  و ....  همه تابش گرمایی هستند .

 تابش گرمایی گسیل شده ازهرجسم به دمای­آن  وبرخی از خصوصیات  سطح آن بستگی دارد و شامل طول‌موج های فرابنفش ، نور ( مرئی )و فرو سرخ به صورت یك طیف پیوسته است .

علت تابش گرمایی

تابش گرمایی كه از سطح هر جسم گسیل می‌شود ، به دلیل نوسان ذره‌های بارداری از جسم است كه درون جسم در نزدیكی سطح آن قرار دارند ، سرچشمه می‌گیرد .

تاثیر دمای جسم در تابش آن

اگر طیف های تابش گرمایی یك جسم جامد را در دماهای مختلف باهم مقایسه كنیم ، مشاهده می‌شود :

الف )  طیف تابش گرمای جسم در هردمایی پیوسته است .

ب ) با بالا رفتن دما گستره‌ی طیف بیشتر شده و طیف طول‌موج‌های بیشتری را شامل می‌شود .

پ ) در طیف تابش گرمایی جسم طول‌موجی وجود دارد كه بیشترین انرژی تابشی جسم مربوط به آن است آزمایش‌ها نشان می‌دهداین طول‌موج با دمای جسم برحسب كلوین رابطه‌ی عكس دارد یعنی با بالا رفتن دمای

 جسم طول‌موجی كه بیشترین ‌انرژی را دارد  ، به سمت طول‌موج‌های كوچكتر می‌رود :

 

 

 

  " تمرین

 دمای یك رشته تنگستن  1600 كلوین است طول‌موجی را كه در این دما با بیشترین شدت گسیل می‌كند 4.5 میكرون است . معین كنید طول‌موجی كه با بیشترین شدت از رشته سیم تنگستن در دمای 2400  كلوین تابش می‌شود ، چند میكرون است

 

 

بازتابش ، جذب  و عبور

از هر جسمی همواره انرژی تابشی گسیل می‌شود و جسم‌های دیگر كه در اطراف آن هستند این تابش را دریافت می‌كنند . در نتیجه بر سطح هر جسم همواره انرژی تابشی گسیل شده از سوی جسم‌های دور و نزدیك ، فرود می‌آید . هر جسم بخشی از انرژی تابشی را جذب و بقیه را یا باز می‌تاباند و یا از خود عبور می‌دهد .

& نكته  

  هرجسمی در هر دمایی هم تابش گرمایی گسیل می‌كند و هم تابش گرمایی از محیط دریافت می‌كند . اگر انرژی دریافتی بیش از انرژی گسیل شده باشد ، دمای جسم بالا می‌رود و اگر انرژی دریافتی كمتر از انرژی گسیل شده باشد ، دمای جسم كاهش می‌یابد . در حالت تعادل ( هنگامی كه دمای جسم با دمای محیط یكی است ) انرژی دریافتی با انرژی گسیل شده برابر است و دما تغییر نمی‌كند .

ضریب جذب  :

نسبت مقدار انرژی تابشی جذب شده توسط هر جسم به انرژی تابشی فرودی را ضریب جذب می‌نامند و آن‌ را با a _l نشان می‌دهند .

& نكته  

  ضریب جذب برای هر جسم به ویژگی‌های سطح آن جسم بستگی دارد و مقدار آن برای طول‌موج های مختلف یكسان نیست به عبارت دیگر هر سطح برای هر طول‌موج ضریب جذب  ویژه‌ای دارد .

 

& نكته  

< 1   a _l است. هرچه جسم جذب‌كننده‌ی بهتری باشد  بزرگ‌تر خواهد بود. بهترین جذب‌كننده‌، جسمی است كه تمام تابش­فرودی را جذب­كند (جذب­كننده‌ی كامل) كه در آن­صورت=1   a _lاست

جسم سیاه

اگر ضریب­جذب یك جسم برای تمام طول‌موج‌ها برابر بایك باشد اصطلاحاً به آن جسم­سیاه گفته­می‌شود. در جسم­سیاه برای تمام طول‌موج‌ها = 1 a _l است .

& نكته  

 هرجسمی كه رنگ سیاه  داشته باشد الزاماً جسم سیاه نیست­، ‌زیرا با وجودی كه درصد بالایی از نور مرئی را جذب می‌كند  ممكن است ضریب جذب آن برای همه‌ی طول‌موج‌ها ( مثلا نامرئی‌ها )كمتر از یك باشد . علاوه بر این ممكن است جسمی به رنگ سیاه نباشد ولی ضریب جذب آن برای همه‌ی طول‌موج‌ها یك باشد یعنی جسم سیاه الزاماً به رنگ سیاه نیست .

& نكته  

 در عمل جسم سیاه واقعی وجود ندارد ولی می‌توان اجسامی را تهیه كرد كه به آن بسیار نزدیك باشد 

كاواك

 فیزیك‌دانان جسم سیاه را چنین به دست می‌آورند : در سطح یك جسم  توخالی سوراخ ریزی ایجاد می‌كنند . سطح این سوراخ با تقریب بسیار خوبی ویژگی جسم سیاه را دارد ، یعنی همه‌ی تابش فرودی را جذب می‌كند .زیرا همه‌ی تابش فرودی كه بر سطح سوراخ فرود می‌آید به درون كاواك ( فضای درونی جسم كه خالی است ) وارد می‌شود و در هر فرود بر دیواره‌ی درونی كاواك بخشی از انرژی خود را ( از دست می‌دهد ) به جسم می‌دهد .در نتیجه تابش الكترومغناطیسی پس از فرودهای مكرر بی آن‌كه از كاواك خارج شود كاملا جذب آن می‌شود . در نتیجه ضریب جذب این سوراخ برای تمام طول‌موج‌ها برابر یك است .

 

 

آزمایش

اگر یك استوانه‌ی فلزی توخالی از تنگستن كه سوراخی در بدنه‌ی خود دارد با گذرانیدن جریان الكتریكی از آن داغ شده و تفته گردد ،‌ تابندگی كاواك( شدت تابشی سوراخ ) از دیواره‌ی بیرونی بیشتر است

شدت تابشی

شدت تابشی یك جسم ، ‌عبارت است از مقدار كل انرژی تابش شده توسط واحد سطح آن جسم ، در یك ثانیه.

یكای  توان تابشی درSI وات بر مترمربع ( W / m ^2 )  است .

$ مطالعه‌ی آزاد$

ضریب تابش

برای اجسام مختلف ضریب تابش به صورت زیر تعریف می‌شود

 

به كمك ضریب تابش می‌توان ، توان تابشی اجسام مختلف را  با توان تابشی جسم سیاه ، مقایسه نمود .

$ مطالعه‌ی آزاد$

آزمایش و محاسبه نشان می‌دهد كه :

1.     هرقدر جسمی جذب كننده‌ی بهتری باشد تابش كننده‌ی خوبی هم خواهد بود .

2.     جسم سیاه دارای بالاترین ضریب تابش در هر دما است : e = 1     

3.     ضریب تابش در همه‌ی اجسام به غیر از جسم سیاه از یك كمتر است : e < 1     

 

& نكته  

جسم سیاه بهترین تابش كننده‌ها  و بهترین جذب كننده‌ها برای همه‌ی طول‌موج‌های امواج الكترومغناطیسی است

$ مطالعه‌ی آزاد$

مقایسه ی شدت تابشی : هرگاه تابش جسم جامد مثلا یك رشته‌ی ملتهب را با طیف‌نما مشاهده كنیم ، خواهیم دید كه طیف آن پیوسته است ،  یعنی شامل تمام طول‌موج‌هاست . اما طول‌موج‌های  مختلف به یك شدت نیستند . یعنی برخی پررنگ‌ترند و برخی دیگر كم‌رنگ‌تر . برای درك بهتر فرض‌كنید یك صافی در اختیار دارید كه می‌تواند تابش گرمایی جسم را در محدوده‌ی كوچكی از طول‌موج‌ها ، مثلا از l  تا  l + D l  از خود عبور دهد و بقیه‌ی طول‌موج‌ها را جذب كند   D l پهنای نوار طیف عبوری از صافی است . اگر این صافی را  در مقابل  تابش های گسیل شده از جسم قرار دهیم فقط انرژی تابشی مربوط به پهنایD l   از صافی می‌گذرد . می‌توان مقدار این انرژی را اندازه گیری كرد و مشاهده نمود كه برای D l   های متفاوت ، مقدار این انرژی ‌ها متفاوت هستند . اگر پهنایD l  را كوچك‌تر انتخاب كنیم ،‌ چون طول‌موج های محدودتری از صافی می‌گذرد ، انرژی كمتری اندازه گیری خواهد ولی در عوض مقایسه دقیق تر انجام می‌شود .

اگر مساحت سطح تابنده و زمان تابش بیشتر شود ، این انرژی بیشتر است  .بنابراین برای آن‌كه بتوان انرژی تابشی گسیل شده از اجسام مختلف  را در طول‌موج های مختلف با یكدیگر مقایسه كرد كمیتی به نام تابندگی را تعریف می‌كنیم

تابندگی

تابندگی یك جسم در هر طول‌موج برابر است با مقدار انرژی موج‌های الكترومغناطیسی با طول‌موج های بین l  و l +  D l كه در واحد زمان از واحد سطح جسم گسیل می‌شود(مثلا در محدوده‌ی طول‌موج های با پهنای یك واحد تابندگی برابر است با مقدار انرژی موج‌های الكترومغناطیسی با طول‌موج بین l  و l + 1  كه در واحد زمان از واحد سطح جسم گسیل می‌شود.  )

تابندگی جسم سیاه  در طول موج‌ها و دماهای مختلف به دقت اندازه گیری شده ونتیجه در شكل مقابل برای چهار دمای مختلف رسم شده است این نمودارها نشان می‌دهند كه :

 

 

1. در هر دما برای یك طول‌موج معینی كه آن‌ را l _m  می‌نامیم ،  تابندگی جسم بیشینه است ( بیشینه‌ی منحنی )
2. l _m  برای یك جسم در دماهای مختلف تفاوت دارد .
3. آزمایش نشان می‌دهد كه هرچه دمای جسم تابنده بیشتر باشد l _m  آن كمتر است . یعنی در دماهای بالاتر l _m  به سمت طول‌موج‌های كوتاه‌تر می‌رود . به‌طوری كه T = C ) ( l _m . در این رابطه  C مقدار ثابتی است . l _m µ 1 / T
4. سطح زیر منحنی تابندگی در محدوده‌ی بین l  و l +  D l  برابر با توان تابش شده از واحد سطح جسم تابنده در همین محدوده از طول‌موج است .
5. توان تابش شده از واحد سطح جسم تابنده مربوط به همه‌ی طول‌موج‌ها ( شدت تابشی كل ) ، برابر با تمام سطح زیر نمودار تابندگی است .
6. آزمایش نشان می‌دهد كه هرچه دمای جسم تابنده بیشتر باشد ، سطح زیر منحنی تابندگی یعنی ( شدت تابشی كل ) نیز بیشتر است .
7. هرچه ضریب گسیل یك جسم كوچكتر باشد آن جسم در یك دمای معین ، شدت تابشی كل كمتری نسبت به جسم سیاه در همان دما دارد

" تمرین

 یك جسم جامد  در دمای مشخص T : 

( آزاد پاره وقت  - 73 )

1.       همیشه یك طول موج مشخص تابش می كند  .

2.       یك طیف خطی دارد .

3.       می تواند امواجی را  تابش و جذب كند .

4.       .  فقط امواج  را تابش می كند .

 

گزینه ««  3  »»

   " تمرین

 دما ی یك تابش كننده q°C است اگر دمای این تابش كننده به q°C 3 برسد ،

 طول موج ماكزیمم انرژی تابشی آن    2/3  حالت اول می شود .q چقدر است ؟

1.       182°C

2.       273°C

3.       409.5°C

4.       91°C

 

گزینه «« 4   »»

 

 

 " تمرین

 یك پرتو تابشی  با طول موج l حامل20 J     انرژی در واحد زمان است . اگر این پرتو به سطح جسمی بتابد كه جسم آن جسم ضریب جذبی معادل  0.4  داشته باشد پس از 4 s چند ژول انرژی از سطح آن منعكس می شود

1.       48

2.       12

3.       8

4.       80

 

گزینه «« 1 »»

 

 

 

 " تمرین

كدام یك از مطالب زیر در مورد تابش اجسام درست  است ؟ 

( سراسری تجربی 62 )

 

1.       سطحی كه دود اندوده شده باشد تمام پرتو هایی را كه به آن می تابد جذب می كند  .

2.       اگر جسمی جذب كننده ی قوی باشد نشر كننده ی ضعیفی خواهد بود  .

3.       میزان انرژی تابشی یك جسم بستگی به دما و طبیعت  سطح خارجی دارد  .

4.       سطوح فلزی صیقلی  تمام انرژی تابش شده را باز می تابانند  .

گزینه «« 3    »»

طبق نظریه ی پلانك انرژی تابشی یك جسم علاوه بر دما بستگی به طبیعت سطح خارجی آن نیز دارد . توجه كنید كه در گزینه ی «« 1 »» تمام پرتو ها جذب نمی شوند ، بلكه بخش اعظم آن ها جذب خواهند شد

" تمرین

 جسم سیاه  :

1. جسمی است كه دوده اندود  شده باشد .
2. جسمی است كه رنگش سیاه باشد  .
3. جسمی است كه ضریب جذب آن یك باشد  .
4. جسمی است كه ضریب جذب آن بزرگ تر  از یك باشد  .
5. جسمی است كه ضریب جذب آن كوچك تر باشد  .

 

گزینه ««3    »»

 

 " تمرین

 طول موج ماكزیمم انرژی یك تابش كننده در دمای ₁ T و  T ₂  كلوین به ترتیب   5000A˚ و  8000A˚ است  . نسبت  T ₂به  T₁ كدام است ؟

 

 

1.        

 

2.        

 

3.        

 

4.        

 

 

گزینه ««  3  »»

 

 

 

" تمرین

در یك لامپ روشنایی تابش ماكزیمم مربوط به طول موج 0.5μ است اگر تابش ماكزیمم یك اتوی داغ با دمای 127°C مربوط به طول موج 4 μ   باشد دمای لامپ چند كلوین است ؟

سراسری تجربی - 69

1.      400

2.      2400

3.      3200

4.      1600

 

گزینه ««  3 »»

 

 

 

 " تمرین

 ماكزیمم انرژی تابشی یك تابش كننده مربوط به نور سبز است .اگر دمای مطلق تابش كننده دو برابر شود ماكزیمم تابش آن كدام پرتو خواهد بود .

آزاد پزشكی - 69

1.      زرد

2.      فرا بنفش

3.      قرمز

4.      فرو سرخ

 

گزینه ««  2  »»

 

فقط طول موج  فرا بنفش  از طول موج نور سبز  كم تر است و سه گزینه ی دیگر طول موجشان از طول موج نور سبز بیش تر است

 

 " تمرین

 l _max  انرژی تابشی یك تابش كننده با دمای مطلق چه رابطه ای دارد؟

 

آزاد پزشكی  -  71

 

1.      وارون

2.      مستقیم

3.      مستقیم با جذر آن

4.      وارون با جذر آن

 

گزینه ««  1  »