Ke Kumumanaʻo o ke Kino ʻEleʻele
He hanana koʻikoʻi ka radiation kino ʻeleʻele i ka mōʻaukala o ke kinoea hou. Mai kahi nīnau maʻalahi—pehea e hoʻopuka ai kahi mea i ka mālamalama ke hoʻomehana ʻia—ua kū mai kahi loli nui i ka manaʻo: ua hōʻoia ka physics kuʻuna ʻaʻole hiki ke wehewehe i kekahi mau hanana, a mai kēlā hāʻule ʻana, ua puka mai ka physics quantum. ʻAʻole wale ka wehewehe ʻana o ke kumumanaʻo o ka radiation kino ʻeleʻele i ka spectrum o ka mālamalama i hoʻopuka ʻia e nā mea wela, akā ua hoʻokumu pū i ke kumu no ko mākou ʻike ʻana i ka ikehu, ka mahana, a me nā waiwai kumu o ka mea.
He aha ke Kino ʻEleʻele?
ʻO ka huaʻōlelo "kino ʻeleʻele" e pili ana i kahi mea kūpono e omo i nā radiation electromagnetic āpau me ka ʻole o ka hoʻomālamalama ʻana i kekahi. No ka mea, omo ia i nā mālamalama āpau, e ʻike ʻia kēlā mea he ʻeleʻele i nā mahana haʻahaʻa (e.g., ka mahana o ka lumi). Eia naʻe, i ka wā e hoʻomehana ʻia ai, e hoʻopuka kahi kino ʻeleʻele i ka radiation thermal ikaika—mai ka infrared a i ka mālamalama ʻike ʻia—ma muli o kona mahana.
I ka hana maoli, ʻaʻohe kino ʻeleʻele kūpono, akā hiki i nā mea he nui ke hoʻohālikelike iā ia. ʻO kahi laʻana kaulana he "lua" me kahi lua liʻiliʻi. ʻO ka radiation e komo ana i ka lua e lele a puni ka lua i nā manawa he nui a kokoke e omo ʻia e nā paia, no laila hana ka lua ma ke ʻano he mea omo kokoke i ka hemolele. ʻO ka radiation e puka ana i waho o ka lua he mau ʻano kokoke loa i ke kino ʻeleʻele kūpono.
Ka Pāhawewe Wela a me ka Spectrum
Ke hoʻomehana ʻia kahi mea, e haʻalulu kona mau ʻātoma a me nā molekala a lilo i mea uila, e hoʻolalelale ana, e hoʻopuka ana i nā nalu electromagnetic. ʻAʻole like ka hoʻolaha ʻana o kēia ikehu radiant no nā nalu āpau. Inā mākou e hoʻolālā i ka ikaika o ka radiation e kūʻē i ka nalu (a i ʻole ke alapine), loaʻa iā mākou ka spectrum radiation blackbody.
ʻO nā ʻano nui o ka spectrum blackbody:
1. Aia ka ikaika kiʻekiʻe ma kahi nalu i koho ʻia.
2. Hoʻololi ka piko i nā nalu pōkole i ka piʻi ʻana o ka mahana (lilo ka mea i ʻoi aku ka "ʻulaʻula-keʻokeʻo").
3. Piʻi nui ka ikehu kukuna holoʻokoʻa i ka piʻi ʻana o ka mahana.
ʻIke maopopo ʻia kēia hanana i ka metala i hoʻomehana ʻia: ʻo ka mua he ʻulaʻula palupalu, a laila ʻulaʻula ʻōlinolino, melemele, a kokoke i ke keʻokeʻo.
ʻO ka pilikia nui o ka physics kahiko: ʻO ka "ultraviolet catastrophe"
I ka hopena o ke kenekulia 19, ua hoʻāʻo nā kānaka ʻepekema physicists e wehewehe i ka spectrum kino ʻeleʻele me ka hoʻohana ʻana i ke kumumanaʻo kuʻuna, ʻoiai hoʻi ka electromagnetism a Maxwell a me nā mechanics helu kuʻuna. Ua kū mai ʻelua mau ʻano koʻikoʻi:
1. Ke wānana nei ke kānāwai Rayleigh-Jeans (no nā alapine haʻahaʻa / nā nalu lōʻihi) e piʻi ana ka ikaika o ka radiation e like me ka huinahā o ke alapine:
– Ma ke ʻano maikaʻi, kūpono kēia kumumanaʻo no nā nalu lōʻihi (infrared mamao).
– Eia nō naʻe, ma nā alapine kiʻekiʻe (ultraviolet), wānana kēia kānāwai i ka ikehu pau ʻole—he hopena lapuwale i ʻike ʻia ʻo ka pōʻino ultraviolet.
2. Maikaʻi loa ke kānāwai o Wien (no nā alapine kiʻekiʻe / nā nalu pōkole) ma ka ʻāpana ultraviolet, akā hāʻule i nā alapine haʻahaʻa.
ʻO ke ʻano kēia, ʻaʻole hiki i ka physics kuʻuna ke hana i hoʻokahi ʻano hana e kūpono i ka spectrum holoʻokoʻa. ʻAʻole kēia he hemahema liʻiliʻi wale nō, akā he hōʻailona ia ʻaʻole i maopopo kahi mea nui.
Ka Hoʻokahuli Aupuni o Planck: Ikehu i Hoʻohālikelike ʻia
I ka makahiki 1900, ua ʻike ʻo Max Planck i kahi ala e hoʻohālikelike ai i ka ʻikepili spectral o ke kino ʻeleʻele me ka pololei loa. Ua hāpai ʻo ia i kahi manaʻo radical: ʻaʻole i hoʻokuʻu ʻia a hoʻopili ʻia paha ka ikehu, akā ma nā "packets" discrete i kapa ʻia ʻo quanta. Ua ʻōlelo ʻo Planck hiki i kahi oscillator (he kumu hoʻohālike o nā haʻalulu ma nā paia o kahi lua) ke loaʻa wale ka ikehu:
\[
E = nhf
\]
me:
– \(E\) = ikehu,
– \(n\) = helu holoʻokoʻa (0, 1, 2, …),
– \(h\) = ke kūpaʻa o Planck,
– \(f\) = alapine (frequency) o ka pāhawewe.
Ua uhaʻi kēia manaʻo i ke kuhiakau kuʻuna o ka hoʻomau ʻana o ka ikehu. Me kēia kuhiakau o ka helu ʻana o ka ikehu, ua loaʻa iā Planck ke Kānāwai o Planck no ka spectrum o ka radiation kino ʻeleʻele, kahi e kūlike me nā hopena hoʻokolohua no nā nalu āpau.
Ma ke ʻano manaʻo, ʻōlelo ke kānāwai o Planck ma nā alapine kiʻekiʻe, hāʻule nui ka hiki ke loaʻa i kahi oscillator ka ikehu lawa, e pale ana i ka ikaika ultraviolet mai ka "pahū" a hiki i ka palena ʻole. He hopena nani kēia e hoʻopau ai i ka pōʻino ultraviolet.
Nā Hopena: ʻElua Kānāwai Koʻikoʻi o ka Pāhawewe ʻEleʻele
Mai ke kumumanaʻo o ka radiation kino ʻeleʻele, ua puka mai kekahi mau kānāwai i loaʻa pono loa, ʻelua o ia mau mea kaulana loa:
1. Ke Kānāwai Hoʻoneʻe ʻana o Wien
Ke ʻōlelo nei kēia kānāwai ua like ka lōʻihi o ka nalu kiʻekiʻe (\(\lambda_{\text{max}}\)) me ka mahana \(T\):
\[
\lambda_{\text{max}} T = b
\]
kahi ʻo \(b\) ka paʻa o Wien. ʻO ke ʻano kēia, ʻo ke kiʻekiʻe o ka mahana o kahi mea, neʻe ka piko o ka spectrum i nā nalu pōkole. ʻOiai ua pili nā nalu pōkole me ke kukui polū/violet, ʻike ʻia nā mea wela loa he polū.
ʻIke ʻia kahi laʻana o kēia ma nā hōkū: ʻo nā hōkū wela (e like me nā hōkū polū) he kiʻekiʻe ko lākou radiation ma nā nalu pōkole ma mua o nā hōkū ʻulaʻula anuanu.
2. Kānāwai Stefan-Boltzmann
Ua ʻōlelo kēia kānāwai ua like ka nui o ka mana radiation ma kēlā me kēia ʻāpana o ka ʻili o ke kino ʻeleʻele me ka mana ʻehā o ka mahana:
\[
j = \sigma T^4
\]
me:
– \(j\) = ka nui o ka mana o ka radiation (ka ikehu no kēlā me kēia manawa no kēlā me kēia wahi),
– \(\sigma\) = Kūlana paʻa o Stefan–Boltzmann.
ʻO ka mana ʻehā ka mea e hoʻoikaika loa ai i ka hopena o ka mahana: ʻo ka piʻi iki ʻana o ka mahana e hopena i ka piʻi nui ʻana o ka radiation holoʻokoʻa. ʻO kēia ke kumu e hoʻopuka ai nā mea wela loa i ka nui o ka ikehu.
Mai ke Kino ʻEleʻele a i ke Kino Kuantum
ʻO ke kaʻina hana a Planck i hōʻailona ai i ka hoʻomaka ʻana o ke kumumanaʻo quantum. Ma hope koke iho, ua hoʻohana ʻo Einstein i ka manaʻo o quanta e wehewehe i ka hopena photoelectric (1905), e hoʻolauna ana i ke kumumanaʻo o ka photon. Ua alakaʻi kēia i ka hoʻomohala ʻana o ke kumumanaʻo atomika a Bohr, ka mechanics quantum, a me ka physics hou loa, ka mea e kākoʻo ana i ka ʻenehana o kēia wā—mai nā semiconductors a i nā lasers.
Pili loa nō hoʻi ka radiation kino ʻeleʻele i ke kumumanaʻo o ke kaulike wela. He spectrum honua ka Planck spectrum: hilinaʻi wale ia i ka mahana, ʻaʻole i ka mea i hana ʻia ai. ʻO kēia kekahi kumu e lilo ai ka radiation kino ʻeleʻele i kumuhana koʻikoʻi o ke aʻo ʻana i ka thermodynamics a me nā helu helu.
Nā noi ma ka ʻEpekema a me ka ʻenehana
ʻAʻole i noho wale ke kumumanaʻo o ka radiation kino ʻeleʻele he kumumanaʻo abstract. Hoʻohana nui ʻia, no ka laʻana:
– Astrophysics: No ke kuhi ʻana i ka mahana o kahi hōkū mai kona ʻano kukui. Hoʻokokoke nā hōkū he nui i ke ʻano o ke kino ʻeleʻele.
– Nā kāmela wela a me ka infrared: E hilinaʻi i ka radiation wela i hoʻopuka ʻia e nā mea, a laila e hoʻololi iā ia i kiʻi mahana.
– ʻEpekema aniau: Hoʻopuka ka Honua i ka radiation infrared ma ke ʻano he kino wela me kahi mahana awelika; he mea nui kēia manaʻo i ke kumu hoʻohālike o ka hopena ʻōmaʻomaʻo.
– ʻOihana: Ke ana ʻana o ka mahana ʻaʻohe pili (pyrometer) me ka hoʻohana ʻana i ke kumumanaʻo o ka radiation kino ʻeleʻele.
Pani
Ua hōʻike ke kumumanaʻo kino o ka radiation kino ʻeleʻele pehea e hiki ai i nā nānā hoʻokolohua akahele ke hoʻoluliluli i nā kumu o nā kumumanaʻo i hoʻokumu ʻia. ʻO ka hiki ʻole o ka physics kuʻuna e wehewehe i ka spectrum radiation i hoʻomākaukau i ke ala no Max Planck e hoʻolauna i ka quantization ikehu - kahi manaʻo i like me ka hoʻopunipuni makemakika i ka wā mua, akā ua huli aʻe e wehewehe i ka ʻoiaʻiʻo o ke ʻano ma ka pae microscopic. Ua hānau kēia i ka physics quantum.
ʻAʻole wale ka radiation kino ʻeleʻele he "mālamalama mai kahi mea wela," akā he puka makani i ka hoʻomaopopo ʻana i ka pilina ma waena o ka ikehu, ka mahana, a me ke ʻano o ke ao holoʻokoʻa. Ma ke aʻo ʻana iā ia, ʻike mākou pehea e hui pū ai ke kumumanaʻo, ka hoʻokolohua, a me ka makemakika e hōʻike i nā kānāwai kumu loa o ke kūlohelohe.
