Dərslik respublikanın universitetlərinin fizika fakültələrinin tələbələri üçün "Atom fizikası"
Download 18.1 Mb. Pdf ko'rish
|
Шякил 8.1. λ
ε(λ)
−
Ae P =
(8.1) burada A normallaşdırıcı vuruqdur və bütün P n ərin cəminin vahid lması -l
şərtinə əsasən tapılır. Doğrudan da ∑ ∞ = gös
Deməli, 0
n P cəmi osilyatorun enerjisinin mümkün olan qiymətlərdən birini alması ehtimalını tərir ki, bu ehtimal da vahidə bərabərdir. ∑ ∑ ∞ ∞ − = = 1 kT E n e A P .
(8.2) = =
0 n n n Buradan
∑ ∞ = − = 0 1 n kT E n e A
(8.3) (8.3) ifadəsini (8.1)-də yerinə yazsaq və Plankın ideyasına görə E n =nE 0 olduğunu nəzərə alsaq ∑ ∞ = − − 0 kT nE e = 0 0 n kT nE n e P
(8.4) olar.
Fərz edək ki, biz hər hansı bir üsulla osilyatorun enerjisini ölçə bilirik. Bərabər ∆t zaman fasilələrindən sonra N sayda belə ölçmələr apa ün tlərin cəmini ölçmələrin N sayına bölməklə biz enerjinin zamana görə raq. Enerji üç alınan qiymə E orta qiymətini tapa bilərik. Ölçmələrin N sayının çox böyük qiymətində eyni bir E n qiyməti verən ölçmələrin ı NP
oldu-ğundan N n say
∑ ∑ ∑ ∞ = ∞ = ∞ = = = = 0 0 0 1 1
n n n n n n n n E P E NP N E N N E
(8.5) alarıq. Beləliklə, harmonik osilyatorun enerjisinin orta qiyməti üçün aşağıdakı ifadəni tapmış oluruq: = = = ∑ ∑ ∞ = − ∞ = 0 0 n kT E n n n n n e E A E P E
∑ ∑ ∑ ∑ ∞ = − ∞ − ∞ − 0
kT nE ne e nE = ∞ = − = = = 0 1 0 0 0 0 0 n n n kT nE n e E e .
(8.6) nx kT E x 0 =
işarə edilmişdir. (8.6) ifadəsində məxrəcdəki cəm, məlumdur ki, aşağıdakı kimi təyin olunur: (8.7)
− ∞ = − − = ∑ 1 1 0 .
(8.8) görə diferensiallayaraq (8.6) ifadəsində kəsrin surətini tapa bilərik: (8.8) ifadəsini x-ə 2 0
) 1 ( x x nx nx e ne e d − ∞ − ∞ − − = − = ∑ ∑ (8. n n e dx − = = − 9) (8.8) və (8.9) ifadələrini (8.6)-da nəzərə alsaq 1 1 0 0 0 − = = E E E
(8.10) −
E x e e olar. (8.10) ifadəsini (7.8)-də nəzərə alaraq temperaturun verilmiş qiymətində şüalanmanın həcmi sıxlığı üçün 1 ) , ( 0 0 2 2 2 − ⋅ = kT E e E c T u π ω ω
(8.11) ifadəsini alırıq. Onda (4.10) düsturuna əsasən mütləq qara cismin şüalandırma qabiliyyəti üçün 1
) , ( 0 0 2 2 2 − ⋅ =
E e E c T π ω ω ε
(8.12)
34
düsturunu yaza bilərik. (8.10) ifadəsində E 0 →0 olduqda kT E e kT E 0 1 0 + ≈ olduğunu nəzərə alsaq osilyatorun orta enerjisi üçün kT E = alırıq ki, bu da klassik fizikadan məlum olan nəticədir. E 0 →0
limit halında (8.11)-(8.12) ifadələrindən uyğun olaraq, (7.8) və ya (7.9) Reley-Cins düsturu alınır. Bu, belə də olmalıdır. Çünki E 0 →0 ş
yıdış deməkdir və bu təsəvvürlərə görə osilyatorun enerjisi diskret olmayıb, ətlər məsələni başqa cür qoydu: E 0 →0 limit keçidini etməyib E 0
Vin Bu məqsə
ərti klassik təsəvvürlərə qa kəsilməz qiym almalıdır. Lakin Plank kəmiyyətini elə seçək ki, (8.12) ifad düsturunun şərtlərini ödəsin. dlə (8.12) və (6.1) ifadələrini bərabərləşdirərək ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = − ⋅ T F kT E e E c ω ω π 1 1 0 0 3 2
(8.13) şərtini alırıq. Lakin, bildiyimiz kimi, E 0
xarakteristikasıdır və ona görə də maddənin və şüalanmanın halını təyin edən və makroskopik parametr olan T temperaturundan asılı ola bilməz. E 0
yalnız ω məxsusi tezliyindən asılı ola bilər. Ona görə də (8.13) ifadəsinin sol tərəfinin yalnız T ω arqumentindən asılı funksiya olması üçün E 0 =h ω
(8.14) şərti ödənməlidir. Burada h – sabitdir. ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ T F ω funksiyası T ω arqumentinin universal funksiyası olduğu üçün deyirlər ki, h sabiti də universal sabitdir. Sonralar h - Plank sabiti adlandı lmışdır. Qeyd edək ki, əslində Plank sabiti E =h ν
əmsalın deyilir və Plankın özü məhz bu sabitdən rı 0
istifadə etmişdir. h ilə h arasında π 2 h = h münasibəti vardır. ar mü
Plank sabitinin ədədi qiyməti sonral xtəlif üsullarla yüksək dəqiqliklə təyin olunmuşdur:
⋅10
-34 C ⋅
34 10 054588 , 1 2 − ⋅ = = π h h C ⋅ san. umdur ki, mexanika Məl da ölçü vahidi "enerji × zaman" olan kəmiyyət təsir adlanır. Mə əsini (8.11) və (8.12)-də yerinə yazmaqla mütləq qara cismin şüalandırdığı enerji sıxlığı, u( ω ,T), və deməli dırma qabiliyyətini ifadə edən f( ω ,T)= ε ( ω ,T) universal funksiyası üçün Plank düsturunu almış oluruq: hz buna görə də Plank sabitini çox zaman təsir kvantı da adlandırırlar. Göründüyü kimi, Plank sabitinin ölçü vahidi həm də impuls momentinin vahidi ilə eynidir. (8.14) ifad , mütləq qara cismin şüalan
35 1 1 ) , ( 3 2 3 − ⋅ =
e c T u ω π ω ω h h
(8.14) 1 1 4 ) , ( ) , ( 2 2 3 − ⋅ = ≡
e c T T f ω π ω ω ε ω h h (8.15) Bir daha qeyd edək ki, (8.14) və (8.15) ifadələrinin əvəzinə u( ν
ν
( λ
f( λ
düsturundan istifadə etməklə bu funksiyaların ifadələrini yazaq: ) və ya u o a görə də (4.3) 1 1 8 ) , ( 3 3 − ⋅ =
h e c h T u ν ν π ν
(8.16) 1 1
) , ( 2 3 − ⋅ =
h e c h T f ν ν π ν
(8.17) 1 1
) , ( 5 − ⋅ = kT hc e hc T u λ λ π λ
(8.18) 1 1
) , ( 5 2 − ⋅ =
hc e hc T f λ λ π λ
(8.19) Kirxhofun universal f( ω ,T) funksiyası, yəni mü əq qara cism ırma qabiliyyəti üçün Plankın müəyyən etdiyi (8.15) ifadəsi bütün tezlik və t da ən ciddi təcrübələrin nəticələri ilə tam uyğun gəlir. Beləliklə, Plank mütləq qara cismin şüalanması nəzəriyyəsi ilə əlaqədar olan problemi müvəffəqiyyətlə həll etmiş oldu. Bu zaman Plankın irəli sürdüyü və əsaslandığı enerji kvantlar ı üasir
fizikanın nəzəri əsasını təşkil edən kvant fizikasının yaranmasının başlanğıcını qoydu. Qey
tl in şüaland emperaturlar ı haqq nda ideya m d edək ki, mütləq qara cismin şüalanması probleminin nəzəri həllində Plankın təcrübəçi fiziklərlə daim sıx əlaqədə olması da az rol oynamamışdır. Plank düsturunun yuxarıda şərh olunan çıxarışı bu düsturun ədəbiyyatda mövcud olan çoxlu sayda çıxarış üsullarından biridir. Lakin bütün hallarda əsas fikir klassik fizika təsəvvürlərinə zidd olan enerji kvantları haqqında ideyaya əsaslanmaqdan ibarətdir. Plank düsturunun digər sadə və ibrətamiz çıxarışı Eynşteyn tərəfindən verilmişdir ki, növbəti paraqrafda bu barədə bəhs ediləcəkdir. Plank düsturunun təcrübi faktlarla çox yaxşı uyğun gəlməsi göstərir ki, o, ümumidir və digər şüalanma qanunları bu düsturdan alınmalıdır. Doğrudan da, indi görəcəyimiz kimi, Stefan-Bolsman, Vin və Reley-Cins qanunları Plank düsturu vasitəsilə asanlıqla alınır. Bu zaman diqqətəlayiq cəhət ondan ibarətdir ki, həmin qanunlar təkcə formaca alınmır, həm də bu qanunlara daxil olan sabitlər ( σ və b) universal sabitlər olan h, k və c ilə ifadə olunur. bu isə o deməkdir ki, σ və b sabitlərinin təcrübədən tapılmış qiymətlərinə əsasən h və k sabitlərini hesablamaq olar. Plank sabitinin ədədi qiyməti ilk dəfə məhz bu yolla tapılmışdır. Sonralar isə müxtəlif fiziki hadisələrə əsaslanaraq Plank sabitini təyin etmək üçün çoxlu sayda üsullar müəyyən edilmişdir və bütün hallarda eyni nəticə alınmışdır. Bundan başqa k Bolsman sabitini bilərək Avaqadro ədədini ) (
R N A = və 36
elementar yükü ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = A N F e böyük dəqiqliklə tapmaq olar. Burada R – universal qaz sabiti, F – Faradey ədədidir. Əvvəlcə (8.14) Plank düsturuna əsasən Stefan-Bolsman qanununun çıxarılışına baxaq. Şüalanmanın inteqral (bütün tezliklər üçün) sıxlığı ∫ ∫ ∞ ∞ − 0 0 3 3 2 1 kT e d c ω ω ω π h h olar. Burada = =
, ( ) ( d T u T u ω ω (8.20) kT x ω h = adsız dəyişənə keçək və dx kT d h = ω olduğunu nəzərə alaq: ∫ −
− = 0 3 3 2 1 ) ( x e c T u h π .
(8.21) (8.21) inteqralını elementar üsullarla hesablamaq mümkün deyildir və o, Rimanın daxil ksiya ilə i ndə −
4 4
dx e x T k
e − − 1 1 funksiyasını sıraya ayıra etdiyi zeta fun fadə olunur. (8.21) ifadəsi raq inteqrallama aparsaq e e e x x x x
∫ ∞ − − − = ⋅⋅ ⋅ + + + 0 2 3 ) 1 ( dx 5 , 6 90 6 ) 3 1 2 1 1 ( 6 4 4 4 4 ≈ ⋅ = ⋅⋅ ⋅ + + + = π π (8.22) olar. Burada 15 = ∫ ∞ + − = 0 1 !
ax n a n dx e x
(8.23) olduğu və mötərizədəki sıranın 90 4
ədədinə yığıldığı nəzərə alın (8.22)-ni (8.21)-də nəzərə alsaq mışdır. 4 3 3 h 4 5 4 3 3 4 2 15 8 15 ) ( T c k T c k T u ⋅ = ⋅ = π π h
(8.24) olar ki, bu da (5.8) Stefan-Bolsman düsturudur. Göründüyü kimi, (5.8) düsturundakı tləri v
s dən, yəni (5.9) Ste adə etmək əlverişlidir. (4.10), (5.9) və (8.24) düsturlarına əsasən σ Stefan-Bolsman sabiti üçün c, h və k sabitləri vasitəsilə aşağıdakı ifadəni yazaraq onun ədədi qiymətini nəzəri hesablaya bilərik: const sabit vuruğu c, h və k sabi asitəsilə ifadə olunur. Lakin praktikada mütləq qara ci min inteqral şüalandırma qabiliyyətin fan-Bolsman düsturundan istif 4 2
3 2 4 5 3 2 4 2
10 67032
, 5 15 2 60
m Vt h c k c k − ⋅ = = = π π σ h
(8.25) Göründüyü kimi, Stefan-Bolsman sabiti σ üçün nəzəri olaraq tapılmış (8.25) qiyməti onun (5.10) təcrübi qiyməti ilə eynidir. İndi isə Vinin (6.12) yerdəyişmə qanununun Plank düsturuna əsasən alınmasına
37
baxaq. Bunun üçün verilmiş T temperaturunda (8.19) funksiyasının maksimumuna uyğun gələn
λ = λ maks kəmiyyətini tapmaq lazımdır. Sadəlik naminə (8.19) funksiyasını kT hc x λ = adsız dəyişəni vasitəsilə ifadə edək: 1 − e c h (8.26)-dan görünür ki, f(x,T) funksiyasının maksimumu 2 )
( 5 5 5 ⋅ = x T k T x f π
(8.26) 3 4
5 ) 1 ( x e x − funksiyasının qiymətinə uyğun gəlir. Ona görə də sıfra bərabər etməklə aşağıdakı tənliyi al minimum bu funksiyanın x-ə görə birinci tərtib törəməsini ırıq:
xe x –5(e x –1)=0 (8.27) tənliyini ardıcıl yaxınlaşma üsulu ilə həll etmək olar. Belə ki, ğunu nəzə
x x ≈ azaraq ≈ tapı
zılır və x
(8.27) e 5 >>1 oldu rə alaraq birinci yaxınlaşmada (8.27) tənliyini xe –5e 0 kimi y x 5 olduğunu rıq. İkinci yaxınlaşmada (8.27) tənliyi xe 5 –5(e 5 –1) ≈0 kimi ya tapılır və s. Bu qayda ilə (8.27) tənliyinin kökü 965 ,
= =
x
(8.28) maks kT λ olur. Buradan isə b k hc T maks = = 965 , 4 λ
(8.29) alınır ki, bu da Vinin (6.12) yerdəyişmə qanunudur. c, h və k sabitlərinin məlum qiymətlərini nəzərə alaraq b=2,898 ⋅10
-3 m ⋅
crübi
qiymətinə tam uyğun gəlir.
ω tezliyindən istifadə etsək, onda (6.12) və ya (8.29) Vin qanunu bitinin (6.13) tə Əgər λ
const T maks = ω
(8.30) kimi yazılmalıdır. Buruda ω
kəmiyyəti (8.15) düsturu ilə təyin olunan f( ω ,T) funksiyasının maksimum qiymətinə uyğun gələn dairəvi tezlikdir. (8.15) ifadəsində kT kT λ = adsı dəyişəninə keçərək hc x ω = h z 1 4 ) , ( 3 2 2 2 3 3 − ⋅ = x e x c T k T x f h π
tənliyini alırıq əki dəyişəndir. (8.32) tənliyinin kökü x ∗ =2,821
olur. Deməli, f( ω ,T) funksiyasının maksimumuna uyğun gələn dalğa uzunluğu (8.31) funksiyasının maksimum olması şərtindən xe x – 3(e x – 1) = 0
(8.32) . Burada x (8.27) tənliyind ∗ ∗
kx hc Т maks λ
ω ,T) funksiyasının ω -dan asılılıq qrafikində (8.33) tənliyi ilə müəyyən olunur. Beləliklə, f(
38
maksimum f( λ ,T) funksiyasının ikind i mak uma
uzun λ -dan asılılıq qraf ək sim
nisbətən dalğalı oblast tərəfə sürüşmüş olur və özü də bu zaman 76 ,
821 , 2 965 , 4 ≈ = = ∗ х maks λ
(8. ∗
λ 34) şərti ödənir. Bu isə təcrübədən tapılmış (6.35) şərti ilə eynidir. undur. Deməli, h→0 şərti kvant təsəvvürlərindən klassik fizika təsəvvürlərinə keçidə uyğundur və bu şərt ödəndikdə enerjinin diskretliyi onun kəsilməzliyi ilə əvəz olunur. (8.14) və ya (8.15) Plank düsturundan Reley-Cins qanunu asanlıqla alınır. Belə ki, Yuxarıda qeyd etdik ki, E 0 →0 olduqda (8.11) və (8.12) ifadələrindən, uyğun olaraq, (7.8) və (7.9) Reley-Cins düsturu alınır. Plankın enerji kvantları haqqındakı hipotezinə görə E 0 =h
olduğundan E 0 →0 şərti h→0 şərtinə uyğ 1 << ω h (yüksək temperatur və kiçik tezlik, yəni böyük dalğa uzunluğu) şərti ödəndikdə kT kT e kT ω ω h h + ≈ 1 olduğunu nəzərə alsaq, (7.8) və (7.9) Reley-Cins düsturunu verir. Digər limit halında, yəni 1 >> ω h olduqda (aşağı temperatur və böyük tezlik, yəni kT k dalğa uzunluğu) (8.15) düsturundan kiçi
ω ω h h − 3 4 i, bu da Vinin 1896-cı ildə təklif etdiyi (6.21) ifadəsinə tam uyğund π ω ε = 2 2 ) , ( (8.35) düsturu alınır k ur.
"ultr səb
tmək ola əni yazdıqda bu inteqral dağılır. Reley-Cins ə görə bərabər paylanması haqqında teoremə əsaslanır. (7.8) Reley-Cins düsturunu (8.14) Plank düsturu ilə mü rürük ki, müxtəlif tezlikli durğun dalğalar üçün hər bir sərbə tl dərəc Göründüyü kimi, Plank düsturu abənövşəyi fəlakət"i aradan qaldırır. Bunun əbini aşağıdakı kimi izah e r. (7.16) inteqralında u( ω ,T) kəmiyyəti üçün (7.8) Reley-Cins düsturu ilə təyin olunan ifad düsturu isə enerjinin sərbəstlik dərəcələrin qayisə etdikdə gö s ik
əsinə düşən orta enerji eyni deyildir və 1 −
kT e E ω ω h h
(8.36) ifadəsi ilə təyin olunur. (8.36) düsturundan görünür ki, ω artdıqca E sürətlə azalır və məhz buna görə də ∫ ∞ .36) düsturu ilə təyin olunması, Eynşteynin göstərdiyi kimi, istilik tutumunun klassik nəzəriyyəsind olan ciddi çə adan qaldırmağa imkan verir. Plank düsturunun doğru olması faktı göstərir ki, hər bir sərbəstlik dərəcəsinə orta 0 ) , ( ω ω d T u inteqralı yığılır. Qeyd edək ki, hər bir sərbəstlik dərəcəsinə düşən orta enerjinin (8 ə tinlikləri də ar 2 hesabla kT qədər enerji düşməsini təsbit edən enerjinin sərbəstlik dərəcələrinə görə bərabər paylanması ha m yalnız klassik fizikada özünü doğruldur. Belə ki, bu qqında teore teorem klassik mexanika təsəvvürlərinə əsaslanmış statistik mexanikadan alınan nəticədir.
39
Beləliklə, enerji kvantları haqqında fərziyyənin irəli sürüldüyü 1900-cu il yeni əsrin ilk ili olmaqdan başqa, həm də nəzəri fizikanın inkişafında yeni bir eranın başlanğıcı oldu. Mütləq qara cismin (8.19), (8.24) və (8.29) şüalanma qanunlarının mühüm praktik əhə
urlar məcburi şüalanma anlayışından istifadə etdi ki, bu da Lazer adlanan şüalanma mənbələrinin iş prinsipinin əsasını təşkil edir. ərz edək ki, divarların ır. Aydındır ki, bu divarlar Plank hipotezinə g lankın təklif etdiyi enerji kvantlarını Eynşteyn fotonlar adland n və ya ümumiyyətlə, hər hansı bir atom
miyyəti həm də ondan ibarətdir ki, bu qanunlara əsaslanaraq çox yüksək temperat
a qədər qızmış cisimlərin temperaturunu təyin etmək olar. Əgər şüalanan cisim mütləq qara cisimdirsə və ya mütləq qara cisimdən az fərqlənirsə, onda bu cismin temperaturunu mütləq qara cismin şüalanma qanunlarından hər hansı birinə əsasən təyin etmək olar. Şüalanan cisim boz cisimdirsə, onda ~2000 °S-dən yuxarı temperaturların termoelementlər, bolometrlər və s. ilə ölçülməsi zamanı alınan nəticələr o qədər də etibarlı olmur. Belə yüksək temperatur oblastında cisimlərin temperaturunun dəqiq ölçülməsi üçün yalnız mütləq qara cismin şüalanması qanunlarına əsaslanmış üsullardan istifadə edilməsi əlverişlidir. Bu üsullar temperaturun ölçülməsinin optik üsulları və ya pirometrik üsullar, bu məqsədlə istifadə olunan cihazlar isə optik pirometrlər adlanır. Optik pirometrlər əsasən üç qrupa bölünür: 1) radiasiya, 2) parlaqlıq və 3) rəng pirometrləri. Pirometrlərdən istifadə edilməsi qızmış cisim müşahidəçidən çox uzaqda yerləşdikdə (məsələn, Günəş və ulduzlar) onun temperaturunu bu cisimdən gələn istilik şüalanmasına əsasən təyin etməyə imkan verir.
Download 18.1 Mb. Do'stlaringiz bilan baham: |
ma'muriyatiga murojaat qiling