Plancken legea

Wikipedia, Entziklopedia askea

Planck-en legeak gorputz beltz batek oreka termikoan eta T tenperatura jakin batean isurtzen duen erradiazio elektromagnetikoaren dentsitate espektrala deskribatzen du, gorputzaren eta bere ingurunearen artean materia edo energia fluxu sarerik ez dagoenean.[1]

XIX. mendearen amaieran, gorputz beltzaren erradiazio espektroa ezaguna zen arren, garai hartako teoriek iragartzen zutenetik nabarmen aldentzen zen lortutako emaitza esperimentala. Horregatik, fisikariek ezin zuten gorputz beltzaren erradiazio hori ondo azaldu eta teoria desberdin baten bila hasi ziren, gertaera horiek ondo azal zitzakeena.

1900ean Max Planck fisikari eta matematikariak heuristikoki erradiazio espektro hori adierazten duen formula bat lortu zuen. Honek, gorputz beltzaren erradiazioa ondo azaltzen zuen, fisika klasikoak iragarritako arazoa konponduz, katastrofe ultramorea izenekoa.

Teoria hau fisika modernoaren aitzindaria kontsideratzen da eta garrantzia handia du teoria kuantikoan.

Legea[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Gorputz fisiko orok berezkoa eta jarraitua den erradiazio elektromagnetikoa igortzen du. Gorputz baten erradiazio espektralak edo erradiantziak, gorputz horrek azalera eta angelu solido unitateko maiztasun jakin baterako duen emisio espektralaren potentzia adierazten du. Planck-en legeak jarraian aurki dezakegun erradiantziaren adierazpena ematen digu. Honek tenperatura igotzean erradiazioen energia totala handitu eta uhin-luzera[2] maximoa (potentzia maximoa lortzen deneko uhin-luzera) txikitu egiten direla erakusten du. Planck-en legearen arabera, maiztasuna eta tenperatura dituen gorputz baten erradiazio espektrala honako adierazpenak ematen du:

non Boltzmannen konstantea, Planck-en konstantea eta argiaren abiadura hutsean diren.[3][4][5]

Erradiazioa maiztasunaren funtzioan eman beharrean, beste aldagai batzuren menpe ere eman daiteke, haien artean uhin-luzera gisa adierazten dena. Aldagai aldaketa hori egiteko, ez da nahikoa maiztasuna uhin-luzeraren funtzioan jarriz adierazpenean ordezkatzea. Erradiazio espektralaren adierazpena uhin-luzeraren menpe emateko, honako integrala hartu behar da abiapuntutzat:

Bigarren integralean, -etik -era integratu dugu adierazpena eta ez alderantziz, uhin-luzera maiztasunaren alderantziz proportzionala delako. Hau da, maiztasuna igo ahala uhin-luzera gero eta txikiagoa izango da. Horregatik, bada, izango da. Beraz, honakoa da bien artean dugun lotura:

betetzen denez, honakoa izango da gorputz baten erradiazio espektrala uhin-luzeraren eta tenteraturaren menpe:[6]

Planck-en legeak gorputz beltzaren erradiazioa azaltzen du. Irudi honetan tenperatura desberdinen kasuan izango ditugun kurbak ikus daitezke. Kurba klasikoa (beltza) behatutako intentsitatearekiko dibergentea da maiztasuna handia denean (uhin-luzera txikia).

Azken adierazpen honen arabera, uhin-luzera gero eta txikiagoetan tenperaturaren menpe igorritako energia orduan eta azkarrago handiagotzen da. Planck-en legea beste magnitude batzuren menpe adieraztea ere posible da, baina bi horiek dira ohikoenak eta orokorrean erabilgarrienak.

Planck-en legeak gorputz beltzaren erradiazioa azaltzen du. Irudi honetan tenperatura desberdinen kasuan izango ditugun kurbak ikus daitezke. Kurba klasikoa (beltza) behatutako intentsitatearekiko dibergentea da maiztasuna handia denean (uhin-luzera txikia).

Aldagai desberdinen menpeko erradiazio espektralak unitate desberdinak izan behar ditu, hau da, haren unitateak ez dira berdinak izango aldagai desberdinen funtzioan kalkulatzean. Sistema internazionalean erradiazio espektralak honako unitateak ditu maiztasunaren menpekoa denean, ···. Uhin-luzeraren menpekoa denean berriz, · · da.

Maiztasun baxuenen limitean edo uhin-luzera handienetan Planck-en legeak Rayleigh-Jeans-en legearen berdina izango da. Maiztasun altu edo uhin-luzera txikien limitean berriz Wien-en hurbilketarantz[7] joko du.

Max Planck zientzialariak 1900. urtean garatu zuen lege hau, soilik modu enpirikoan determinatutako konstanteen arabera. Ondoren, oreka termodinamikoan dagoen gorputz baten erradiazioaren energia banaketa adierazteko aukera egonkor bakarra zela frogatu zuen.[1]

Legearen forma ezberdinak[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Aurreko atalean aipatu dugun bezala, Planck-en legea modu ezberdinetan adierazi daiteke, hau da, aldagai ugariren menpe eman daiteke erradiantziaren adierazpena. Ondorengo taulan erradiazio espektralaren adierazpen ugari ageri dira.

Planck-en legea aldagai ezberdinen menpe[8][9][10]
erabiliz erabiliz
Aldagaia Banaketa Aldagaia Banaketa
Maiztasuna

Maiztasun angeluarra

Uhin-luzera

Uhin-luzera angeluarra

Uhin zenbakia

Uhin zenbaki angeluarra

Taularen ezkerraldeko formulak esperimentalki lan egitean erabili ohi dira. Eskuinaldekoak berriz, aldagai angeluarren menpekoak direnak, teorikoki lan egitean izaten dira erabilgarriak.

Adierazpen horiek, gorputz beltzen erradiazioaren potentzia ematen dute, gorputzaren gainazalaren azalera unitateko, angelu solido unitateko eta unitate espektraleko (maiztasuna, uhin-luzera, uhin zenbakia…).

Adierazpen horien arteko erlazioa[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Planck-en legea aldagai desberdinen menpe adierazi daitekela ikusi dugu. Adierazpen horietako batetik bestera pasatzeko ez da nahikoa aldagai hori beste batengatik ordezkatzea, aldagai desberdinen menpeko potentziek unitate desberdinak dituztelako. Hala ere elkarren artean lotuta daude ekuazio horiek, magnitude fisiko berdina adierazten dutelako.

Adierazpen horien artean aldagai aldaketa egin nahi izanez gero, abiapuntutzat haien integralak hartu behar dira (aurreko atalean uhin-luzeraren eta maiztasunaren artean egin den bezala). Beraz, bi adierazpen lotzeko aldagaien diferentzialak erabili beharko dira. Gainera, batzuetan zeinu negatiboak beharrezkoak izango dira, aldagai horiek elkarren alderantziz proportzionalak izanez gero. Maiztasunaren eta uhin-luzeraren arteko adierazpenek honako berdintza betetzen dute:

eta ondorioz,

Gainera, denez, izango da,[11][12]honakoa lortuz,

Bestalde, erradiazio maximoaren kokapena ez da berdina izango adierazpen guztien kasurako, hautatutako aldagaiaren araberakoa da. Hala ere, azken adierazpenak banaketa horren forma tenperaturaren independentea dela adierazten du.

Energia dentsitate espektrala[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Planck-en legea erradiazioaren baitan adierazi beharrean, energia dentsitatearen menpe adierazi daiteke. Honako formularen bidez erlazionatzen dira biak:[13]

Adierazpen honek, igorritako energia ematen du bolumen unitateko hautatutako aldagaiaren arabera (maiztasuna, uhin-luzera...).

Propietateak[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Gailurra[aldatu | aldatu iturburu kodea]

eta banaketen fotoien energien gailurra honakoa da:[14]

non W, Lanbert W funtzioa eta e Eulerren zenbakia diren.  eta banaketen energien gailurrak ordea, ezberdinak dira[15]:

Hau gertatzen da ezin delako (adibidez) -tik -ra aldatu soilik ordezkatuz. Aldaketa egokia izateko, emaitzari

biderkatu behar zaio. faktoreak banaketaren gailurra energia altuagoetara eramaten du.

Bestalde, gorputz beltz baten fotoiaren batezbesteko energia honako hau da:

non Riemman zeta funtzioa den. Adierazpen  hau biderkadurarekin zatituz gailurraren uhin-luzera lor daiteke. Gailur honen erradiazio espektroa hau da:

Hurbilketak[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Maiztasun baxuen kasuan, Planck-en legea eta Rayleigh-Jeans-ren legeak berdinak dira,[16][17][18]

eta lortuz.

Erradiaizoa maiztasunaren erro karratuarekin batera handituz doa, katastrofe ultramorea erakutsiz. Maiztasun altuen limitean, berriz, Planck-en legea Wien-en hurbilketaratz doa:[19][20][21]

eta

Bi hurbilketa hauek ezagunak ziren Planck-ek bere legea garatu aurretik, beraz legeak hurbilketa hauek betetzen dituela ziurtatu zuen.

Gorputz beltzaren erradiazioa[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Gorputz beltz ideala, jasotzen duen erradiazio elektromagnetiko osoa xurgatzen duen gorputza da, batere islatu barik, erradiazioaren maiztasuna edozein izanik. Hala ere, gorputz guztiek berezko erradiazioa igortzen dute. Planck-ek bere legea lehen aldiz gorputz beltzak igorritako erradiazioa azaldu ahal izateko proposatu zuen. Erradiazio hori termikoa dela esaten da, tenperaturaren menpekoa delako. Gainera, gorputzaren materialaren independentea da. Gorputz beltzaren erradiantzia handiagoa da tenperatura ere handiagoa denean. Stefan eta Boltzmann-en legeak lotzen ditu tenperatura eta erradiantzia.

Stefan eta Boltzmann-en legeak, gorputz beltz baten erradiantzia ematen digu gorputzaren tenperaturaren menpe. Honako integrala eginez lortzen da erradiantzia horren adierazpena:

Beraz, honakoa da azken emaitza:

non Stefan eta Boltzmann-en konstantea den.[22]

Erradiazio horrek intentsitate maximo bat lortzen du uhin-luzera zehatz batean eta uhin-luzera hori tenperaturaren menpekoa da. Tenperatura handiagotu ahala, intentsitatea maximoa deneko uhin-luzeraren balioa txikituz doa, bien arteko biderkadura konstantea baita. Hau, Wien-en legeak azaltzen du, potentzia maximoa lortzen deneko uhin-luzeraren () eta tenperaturaren () arteko erlazioa ematen baitu:

Historia[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Planck-en iritzia bere legea baino lehen[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Planck-ek 1897. urtean jarri zuen arreta gorputz beltzaren erradiazioaren arazoan lehen aldiz[23]. Aurrerapen enpiriko eta fisikoei esker, 1899an Lummer eta Pringsheim zientzialariek eskuragarri zeuden ebidentzia esperimentalak gutxi gorabehera intentsitatearen lege espezifikoarekin bat zetozela ikusi zuten. Honakoa lortu zen:    , C eta c enpirikoki kalkulatu daitezkeen konstanteak, λ uhin-luzera eta T tenperatura izanik[24][25]. Planck-ek ordura arteko jakintzak kontuan hartuz formulazio hau onartzea erabaki zuen.

Lege enpirikoen bila[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Max Planck-ek 1900eko urriaren 19an[26] [27]argitaratu zuen bere legea, Wien-en hurbilketaren hobekuntza gisa. Hurbilketa hau datu esperimentalei egokitzen zaie uhin-luzera txikia denean, baina ez uhin-luzera handien kasuan[28]. 1900. urteko ekainean Rayleigh-ek honakoa proposatu zuen: Stewart-Kirchhoff-en formula unibertsala  formakoa izan ziteekela[29].  1900eko urriaren 7an, Rubens-ek adierazi zuen, uhin-luzera handietarako (eta soilik haietarako)  Rayleigh-en 1900. urteko formula egokia zela[30].

Formula horrek uhin-luzera handietarako, energia tenperaturarekiko propotzionala zela adierazten zuen, . [31][30][23]. da, beraz uhin-luzera handietarako ekuazio hau betetzen da t./Uλ2 . Bestalde, uhin-luzera txikietarako Wien-en formularen arabera . eta ondorioz, betetzen da. Beraz Planck-ek bi formula heuristiko hauek batu zituen uhin-luzerara txikia zein handia denean egokia den adierazpen bat lortzeko[32][30]:

[26]

non den.

Planck-ek lortutako emaitzak Rubensi bidali zizkion, eta honek berak eta Kurlbaum-ek burututako behaketen emaitzekin konparatu zituen[33], horrela, adierazpena edozein uhin-luzera guztietarako egokia zela ikusiz. Geroago, Rubens eta Kurlumb-ek txosten osatuago bat egin zuten Planck-en legea baieztatzen zuena.

Legeari azalpen teorikoa bilatzen[aldatu | aldatu iturburu kodea]

Planck-ek behin enpirikoki egokia zen funtzioa lortuta, legearen eratorpen fisikoa eraiki zuen. Horretarako, horma islatzaileko barrunbe bat osziladorez osatuta dagoela onartu zuen, eta oziladore hauetan energia elektromagnetikoa banatzeko era posible guztiak aztertu zituen. Boltzmann-ek ez bezala[34], Planck-ek osziladore bakoitzak ondoko energia zuela suposatu zuen:

Gerora, adierazpen horretatik abiatuta, kuantizazioaren kontzeptua proposatu zen, ideia hau garatuz.

Erreferentziak[aldatu | aldatu iturburu kodea]

  1. a b Planck, Max; Masius, Morton. ([c1914]). The theory of heat radiation. Philadelphia, P. Blakiston's Son & Co, 42 or. (Noiz kontsultatua: 2021-05-11).
  2. (Ingelesez) «Improved oxidation resistance of high emissivity coatings on fibrous ceramic for reusable space systems» Corrosion Science 146: 233–246. 2019-01-01 doi:10.1016/j.corsci.2018.11.006. ISSN 0010-938X. (Noiz kontsultatua: 2021-05-11).
  3. Planck, Max; Masius, Morton. ([c1914]). The theory of heat radiation. Philadelphia, P. Blakiston's Son & Co, 6-168 or. (Noiz kontsultatua: 2021-05-11).
  4. Chandrasekhar, S. (Subrahmanyan). (1960). Radiative transfer. New York : Dover Publications, 8 or. (Noiz kontsultatua: 2021-05-11).
  5. (Ingelesez) Loudon, Rodney. (2000-09-07). The Quantum Theory of Light. OUP Oxford, 22 or. ISBN 978-0-19-158978-2. (Noiz kontsultatua: 2021-05-11).
  6. Andrews, David. (2000). An Introduction to Atmospheric Physics. Cambridge University Press, 54 or..
  7. (Ingelesez) Wien approximation. 2021-02-01 (Noiz kontsultatua: 2021-05-07).
  8. (Ingelesez) Caniou, J.. (1999-06-30). Passive Infrared Detection: Theory and Applications. Springer Science & Business Media, 117 or. ISBN 978-0-7923-8532-5. (Noiz kontsultatua: 2021-05-11).
  9. (Ingelesez) Calcutta Mathematical Society. 2021-04-28, 10 or. (Noiz kontsultatua: 2021-05-11).
  10. Sharkov, Eugene A.. (2003). Passive microwave remote sensing of the Earth : physical foundations. Springer ISBN 3-540-43946-3. PMC 52520217. (Noiz kontsultatua: 2021-05-12).
  11. (Ingelesez) Atmospheric Radiation: Theoretical Basis (2nd ed.). Oxford University Press, 16 or..
  12. Sharkov, Eugene A.. (2003). Passive microwave remote sensing of the Earth : physical foundations. Springer ISBN 3-540-43946-3. PMC 52520217. (Noiz kontsultatua: 2021-05-12).
  13. «nanoHUB.org - Wiki: Derivation of Planck's Law» nanohub.org (Noiz kontsultatua: 2021-05-11).
  14. Kittel, Charles. (1980). Thermal physics. (2d ed. argitaraldia) W.H. Freeman ISBN 0-7167-1088-9. PMC 5171399. (Noiz kontsultatua: 2021-05-12).
  15. Kittel, Charles. (1980). Thermal physics. (2d ed. argitaraldia) W.H. Freeman ISBN 0-7167-1088-9. PMC 5171399. (Noiz kontsultatua: 2021-05-12).
  16. (Ingelesez) Jeans, J.H.. (1905-07-XX). «XI. On the partition of energy between matter and Æther» The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science 10 (55): 91–98. doi:10.1080/14786440509463348. ISSN 1941-5982. (Noiz kontsultatua: 2021-05-12).
  17. Rybicki, George B.. (1979). Radiative processes in astrophysics. Wiley ISBN 0-471-04815-1. PMC 5101517. (Noiz kontsultatua: 2021-05-12).
  18. (Ingelesez) Rayleigh. (1905-05-XX). «The Dynamical Theory of Gases and of Radiation» Nature 72 (1855): 54–55. doi:10.1038/072054c0. ISSN 0028-0836. (Noiz kontsultatua: 2021-05-12).
  19. Rybicki, George B.. (1979). Radiative processes in astrophysics. Wiley ISBN 0-471-04815-1. PMC 5101517. (Noiz kontsultatua: 2021-05-12).
  20. (Alemanez) Wien, Willy. (1896). «Ueber die Energievertheilung im Emissionsspectrum eines schwarzen Körpers» Annalen der Physik und Chemie 294 (8): 662–669. doi:10.1002/andp.18962940803. (Noiz kontsultatua: 2021-05-12).
  21. Planck, M.; Barth, J.; Brunetti, R.. (1914-12). «Libri nuovi» Il Nuovo Cimento 8 (1): 156–156. doi:10.1007/bf02959321. ISSN 0029-6341. (Noiz kontsultatua: 2021-05-12).
  22. Rybicki, George B.. (1979). Radiative processes in astrophysics. Wiley ISBN 0-471-04815-1. PMC 5101517. (Noiz kontsultatua: 2021-05-12).
  23. a b (Ingelesez) Klein, Martin J.. (1961-10-XX). «Max Planck and the beginnings of the quantum theory» Archive for History of Exact Sciences 1 (5): 459–479. doi:10.1007/BF00327765. ISSN 0003-9519. (Noiz kontsultatua: 2021-05-11).
  24. Lummer, O.; Pringsheim, E. (1899). "1. Die Vertheilung der Energie in Spectrum des schwarzen Körpers und des blanken Platins; 2. Temperaturbestimmung fester glühender Körper". Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. 1: 215–235.
  25. Kangro, Hans. (1976). Early history of Planck's radiation law. Taylor and Francis ISBN 0-85066-063-7. PMC 2652452. (Noiz kontsultatua: 2021-05-11).
  26. a b Planck, M. (1900a). "Über eine Verbesserung der Wien'schen Spectralgleichung". Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. 2: 202–204.
  27. Planck, M. (1900b). "Zur Theorie des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspectrum". Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. 2:237–245.
  28. (Alemanez) Wien, Willy. (1896). «Ueber die Energievertheilung im Emissionsspectrum eines schwarzen Körpers» Annalen der Physik und Chemie 294 (8): 662–669. doi:10.1002/andp.18962940803. (Noiz kontsultatua: 2021-05-11).
  29. (Ingelesez) Rayleigh, Lord. (1900-06-XX). «LIII. Remarks upon the law of complete radiation» The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science 49 (301): 539–540. doi:10.1080/14786440009463878. ISSN 1941-5982. (Noiz kontsultatua: 2021-05-11).
  30. a b c Dougal, R C. (1976-09-01). «The presentation of the Planck radiation formula (tutorial)» Physics Education 11 (6): 438–443. doi:10.1088/0031-9120/11/6/008. (Noiz kontsultatua: 2021-05-11).
  31. (Alemanez) Planck, Max. (1943-04-XX). «Zur Geschichte der Auffindung des physikalischen Wirkungsquantums» Die Naturwissenschaften 31 (14-15): 153–159. doi:10.1007/BF01475738. ISSN 0028-1042. (Noiz kontsultatua: 2021-05-11).
  32. (Alemanez) Hettner, G.. (1922-12-XX). «Die Bedeutung von Rubens Arbeiten für die Plancksche Strahlungsformel» Die Naturwissenschaften 10 (48): 1033–1038. doi:10.1007/BF01565205. ISSN 0028-1042. (Noiz kontsultatua: 2021-05-11).
  33. Rubens, H.; Kurlbaum, F. (1900a). "Über die Emission langer Wellen durch den schwarzen Körper".
  34. Hermann, Armin. (1971). The genesis of quantum theory (1899-1913). MIT Press ISBN 0-262-08047-8. PMC 257720. (Noiz kontsultatua: 2021-05-11).

Kanpo estekak[aldatu | aldatu iturburu kodea]