Kolor i jasność gorących obiektów zależą od ich temperatury. Światło termiczne Świecenie gorących obiektów Kolor i jasność gorących obiektów zależą od ich temperatury.

Promieniowanie cieplne ciał. n Promieniowanie cieplne ciał. Każde ciało o temperaturze większej od zera bezwzględnego (T > 0 K) emituje energię w postaci fali elektromagnetycznej. n Strumień energii DRl emitowanej w przedziale długości fal od l do l+Dl z elementarnej powierzchni ciała DS, charakteryzujemy poprzez spektralną zdolność emisyjną ciała rl. n Stopień absorpcji fali elektromagnetycznej charakteryzujemy spektralną zdolnością absorpcyjną al, : zdefiniowaną jako stosunek strumienia energii DFl absorbowanej w zakresie spektralnym od l do l+ Dl do strumienia energii DF0l padającej na daną powierzchnię w tym samym zakresie spektralnym, czyli al.= DFl/ DF0l

Ciało czarne (doskonale) Ciało czarne (CC) emituje widmo ciągłe, którego kształt zależy od temperatury CC emituje światło na każdej długości fali l. Ciało czarne w wyższej temperaturze emituje większą całkowitą energię od ciała w niższej temperaturze Widmo CC w wyższej temperaturze posiada maksimum na krótszej l niż widmo CC w temperaturze niższej

Co wiedziano w okresie przed powstaniem mechaniki kwantowej? Prawo Stefana-Boltzmana : Stefan - eksperyment (1879) Boltzmann, klasyczna termodynamika (1884) W(T) całkowita moc promieniowania na jednostkę powierzchni na wszystkich długościach fali s = 5.67 x 10-8 W m-2 K-4 2. Prawo przesunięć Wiena experyment (1883) lmax(T) to długość fali dla której występuje maksimum świecenia 3. Widmo ciała doskonale czarnego eksperyment teoria klasyczna zawodzi! At the beginning of the 19th century, Young repeated some experiments which had been performed by Grimaldi around 1665 namely interference using Young's holes or slits. He showed that the superposition of two beams does not necessarily imply an increase in the optical power which means that light could be either summed or subtracted. Young had the idea to explain his result using a wave picture for light. This was formalised a few years later by Fresnel who introduced a scalar theory of light. Experiments performed with polarisation led to the introduction of vectorial waves necessary to describe all experimental data. Finally at the middle of the 19th century Maxwell and Faraday were able to interpret light as a wave of the form with. All was for the best in the best of worlds except for some unaccounted for results lmax T = 2.8978 x 10-3 m·K visible

Pozostały jednak problemy rozkład spektralny świecenia ciała doskonale czarnego nie jest zrozumiały : dlaczego maleje dla wysokich częstotliwości ? Klasycznie prawo Rayleigha-Jeansa The first problem came from black body radiation, that is the radiation of a body at a given temperature. Classical thermodynamics predicted an increase of the power density with the frequency, leading eventually to a divergence. This was contradicted by numerous experimental results. It was also well known that spectral emission and absorption lines of atoms obeyed regular laws : Rydberg had shown that the position of the hydrogen lines were regularly spaced but no theoretical explanation was yet found.

Obsadzenie poziomów energetycznych w zależności od temperatury Rozkład Boltzmana

Widmo ciała czarnego: równanie Rayleigha-Jeansa Gęstość energii gdzie Eave = średnia energia “modu” = kT z rozkładu Boltzmanna n(l) = liczba drgajacych modów wnęki Raleigh- Jeans równanie dobre dla dużych l (niskie energie). ALE, rośnie do nieskończoności dla małych l (wysokich energii).  katastrofa w UV! Rayleigh-Jeans experiment

Promieniowanie ciała doskonale czarnego Max Planck (1900) korpuskularna natura światła, ciało czarne absorbuje, jak również emituje, wszystkie długości fal, obserwowane widmo promieniowania CDC nie odpowiada teorii klasycznej (Rayleigh-Jeans law)  katastrofa w UV

Ciało czarne (doskonale), do wyjaśnienia emisji CC potrzebna jest emisja wymuszona E1, N1 E2, N2 Stimulated Emission

Widmo ciała czarnego: prawo Plancka gdzie Eave jest opisane rozkładem Boseg-Einsteina: E = hc/l prawo Plancka początkowo okreslono empirycznie (próby i błędy!) wyprowadzone z zał: skwantowania promieniowania, i.e. istnienia fotonów ! małe l  0. duże l  Raleigh-Jeans. Rayleigh-Jeans Planck’s Law

Widmo ciała czarnego: prawo Plancka Max Planck wyjaśnił krzywe emisji zakładając, że energia fotonów jest skwantowana E = hn h=6.626 X 10-34 Joule sec

Promieniowanie ciała doskonale czarnego Ciało doskonale czarne – ciało, które absorbuje całe padające na nie promieniowanie bez względu na częstotliwość. Rozkład Plancka określa energię du promieniowania na jednostkę objętości w zakresie długości fal od  do +d Gdzie: T – temperatura, k – stała Boltzmanna (1,3810-23 J/K), c – prędkość światła, h – stała Plancka (6,6310-34 J  s),

Promieniowanie ciała doskonale czarnego Gęstość energii T = 1000K  max T = 800K T = 600K Widmo promieniowania ciała doskonale czarnego o różnych temperaturach.

Prawa emisji termicznej Prawo przesunięć Wiena Prawo Stefana-Boltzmana Prawo Plancka

Prawa emisji termicznej

Promieniowanie ciała doskonale czarnego T1 T2 Prawo Wiena:

Żarówka wolframowa: Hot is Good! x y 3000 K 20 Lumens /Watt lpeak=1.22 mm x = .4357 y = .4032 z = .1610 3400 K uwaga: (3400/3000)4=1.64) 34 Lumens / Watt uwaga: 20X1.64=33 lpeak=1.09 mm x = .4112 y = .3935 z = .1953

Prawo przesunięć Wiena

Prawo Stefana – Boltzmanna Josef Stefan w 1879 i Ludwig Boltzmann w 1884 F=T4 =5.6705x10-5 erg/cm2/s/K4

Termowizja, pomiar temperatury obiektów Gejzer Linda Hermans-Killam, outreach@ipac.caltech.edu

Detektor kłamstwa I don’t really buy this, but I thought you’d enjoy it…

The military uses IR to see objects it considers relevant.

Jet engines emit infrared light from 3 to 5.5 µm This light is easily distinguished from the ambient infrared, which peaks near 10mm and is relatively weak in this range

The Infrared Space Observatory Stars that are just forming emit light mainly in the IR.

Detekcja i śledzenie celów długość fali = 3.6 to 4.2 mm Tactical High Energy Laser (THEL) Program   The fixed-site version Advanced Concept Technology Demonstration (ACTD) Tactical High Energy Laser (THEL) THEL, was developed by TRW Inc. under a $89 million contract. During several tests in the USA, the system has shot down 25 Katyusha rockets, but has not been deployed. The system has not progressed much since the end of the demonstration program, since the lack of mobility and the fixed base limitations of the system made in insufficient to counter long range rockets currently employed by Hezbulla at the Israeli northern border with Lebanon. While Katyusha rockets had a range of 20 kilometers, and could hit only a few urban targets, the long range rockets have a range of 70 kilometers and can hit strategic facilities and large urban areas in the Haifa bay. A laser-based defense against such weapons must rely on more systems, which could be rapidly mobilized to protect a much larger area. Similar threats could face US contingencies in other parts of the world. This requirement is driving the need for an air-mobile version of the beam weapon. A study completed in 2001 concluded that the rocket interceptor has "lots of promise" and further development should be pursued, primarily in enabling system's mobility. Mobility considerations for the future mobile systems include system mobility (road and off road capabilities) and air transportability, including the type of transport aircraft it should fit on (C-130, C-17 or C-5). Conclusions of these studies will define the necessary size- reduction technologies required for the future version. Further studies of the system include the use of such laser beam weapons to provide "hard kill" defenses against artillery projectiles, UAVs and cruise missiles. The Tactical High Energy Laser uses a high-energy, deuterium fluoride chemical laser to protect against attack by short range unguided (ballistic flying) rockets. In a typical engagement scenario, a rocket is launched toward the defended area. Upon detection by the THEL fire control radar (image on right), the radar establishes trajectory information about the incoming rocket, then "hands off" the target to the pointer-tracker subsystem, which includes the beam director (top of page above). The PTS tracks the target optically, then begins a "fine tracking" process for THEL's beam director, which then places THEL's high-energy laser on target. The energy of the laser causes intense heating of the target, which causes its warhead to explode. The debris from the target falls quickly to the ground, far short of the defended area. Above: Sequence of a rocket intercept demonstration by e THEL laser, September 2000. In these photos, THEL/ACTD laser spot focus on the warhead (top) of the 5 inch diameter rocket, and detonate it (center), thus effectively "neutralizing" the rocket. The gases emitted by the explosion create excessive drag which tears the fragmentation casing into several parts which continue on their ballistic trajectory. (bottom of image series) Below: THEL Radar and fire control system The Tactical High Energy Laser uses a high-energy, deuterium fluoride chemical laser to shoot down short range unguided (ballistic flying) rockets. Thanks to Michael Gura for this reference!

Źródła promieniowania podczerwonego i mikrofalowego w astronomii 30GHz 300GHz 3THz 30THz 300THz mm m m

KONIEC