غاز الفوتون وإشعاع الجسم الأسود
الإشعاع الحراري هو غاز من الفوتونات يتبع إحصائيات بوز-أينشتاين، ومعاملته على هذا النحو ينتج عنه قانون بلانك، وقانون ستيفان-بولتزمان، وقانون فين للإزاحة.
Definition
غاز الفوتون هو النموذج الميكانيكي الإحصائي للإشعاع الكهرومغناطيسي في حالة توازن حراري كغاز من الفوتونات يتبع إحصائيات بوز-أينشتاين بكمون كيميائي صفري، وتوزيعه الطيفي هو قانون بلانك لإشعاع الجسم الأسود.
Scope
يغطي هذا الموضوع الفوتون كبوزون عديم الكتلة ذي كمون كيميائي صفري، وكثافة الأنماط الكهرومغناطيسية في تجويف، وتوزيع بلانك لكثافة الطاقة الطيفية، والنتائج المتكاملة – قانون ستيفان-بولتزمان للطاقة الكلية المشعة وقانون فين للإزاحة للطول الموجي الأقصى. كما يتضمن الحل التاريخي لكارثة الأشعة فوق البنفسجية وضغط الإشعاع لغاز الفوتون.
Core questions
- لماذا يمتلك غاز الفوتون كمونًا كيميائيًا صفريًا؟
- كيف يؤدي عد أنماط التجويف بإحصائيات بوز-أينشتاين إلى قانون بلانك؟
- كيف يتبع قانونا ستيفان-بولتزمان وفين من توزيع بلانك؟
- كيف حلت صورة الفوتون كارثة الأشعة فوق البنفسجية في النظرية الكلاسيكية؟
Key concepts
- الفوتونات كبوزونات عديمة الكتلة ذات كمون كيميائي صفري
- كثافة الأنماط الكهرومغناطيسية
- توزيع بلانك وكثافة الطاقة الطيفية
- قانونا ستيفان-بولتزمان وفين للإزاحة
- ضغط الإشعاع لغاز الفوتون
Key theories
- قانون بلانك للإشعاع
- إن تكميم طاقة أنماط إشعاع التجويف وتطبيق إحصائيات بوز-أينشتاين يعطي كثافة الطاقة الطيفية لإشعاع الجسم الأسود، مما يزيل التباعد الذي أنتجه التوزيع المتساوي الكلاسيكي عند الأطوال الموجية القصيرة.
Clinical relevance
تكمن نظرية إشعاع الجسم الأسود وراء قياس الحرارة (pyrometry) والتصوير الحراري، وتوازن طاقة النجوم والكواكب، والخلفية الكونية للموجات الدقيقة، ومعايرة مصادر الإشعاع، وقد مثلت الميلاد التاريخي للنظرية الكمومية.
History
أطلقت اشتقاقات بلانك لطيف الجسم الأسود في 1900-1901، والتي قدمت تكميم الطاقة لمطابقة المنحنى المرصود، النظرية الكمومية؛ واستعادت الميكانيكا الإحصائية لاحقًا نفس القانون بوضوح من خلال التعامل مع الإشعاع كغاز فوتوني يتبع إحصائيات بوز-أينشتاين.
Key figures
- Max Planck
- Wilhelm Wien
- Josef Stefan
Related topics
Seminal works
- planck1901
- pathria2011
Frequently asked questions
- لماذا الكمون الكيميائي للفوتون صفر؟
- تُنشأ الفوتونات وتُمتص بحرية بواسطة جدران التجويف، لذا فإن عددها غير محفوظ؛ وتقليل الطاقة الحرة بالنسبة لعدد الفوتونات يجبر الكمون الكيميائي على أن يصبح صفرًا.