Почему при нагреве металл светится
Обновлено: 17.05.2024
Стекло (лучше взять тугоплавкий кварц), нагретое, например, до 900°С, почти не светится или светится очень слабо, а достаточно тугоплавкий металл, например, железо, при той же температуре будет светиться очень ярко. Почему?
При нагревании тела светятся тем лучше, чем ближе они к абсолютно чёрному телу. Поэтому даже металлы светятся неодинаково. Расплавленый алюминий (около 700 градусов) остаётся зеркальным, а вот железо уже при 600 светится красным цветом. То есть чем меньше света тело поглощает - тем меньше оно и испускает при нагревании.
Стекло - прозрачное. То есть довольно далеко от приближения "абсолютно чёрного тела". Поэтому и не светится.
Это, так сказать, "феноменологиче ское" объяснение. Оно очевидно. А вот каков механизм этого явления? Кстати, поверхность расплавленного алюминия будет зеркальной, наверное, в атмосфере инертного газа? Потому что если расплавить на газовой конфорке конец алюминиевой проволоки, расплав будет очень "серым" из-за оксидной пленки (алюминий - очень активный металл, с водой реагирует, если нет защитного слоя оксида). — 6 лет назад
Механизм свечения нагретых тел вообще тёмна вода в облацех, и фундаментальное его объяснение даётся с привлечением концепции физического вакуума, выходящей за рамки моего понимания. — 6 лет назад
Я как химик аналитик далек от теории твердого тела и квантовой оптики, но догадываюсь, что при нагревании стекла запрещённая зона сужается и в конце концов исчезает. Тогда стекло и начинает светится. В металле запрещённая зона отсутствует, и температура его свечения определяется законом Планка. — 6 лет назад
Видимо, именно так: свет-то испускают не ядра, а электроны, и то не всякие, а только внешние (иначе это будет не свет, а рентген). Именно эти электроны легче всего термически возбуждаются в металлах. Интересно, а химик-аналитик Ю.А.Золотов как ответил бы на этот вопрос? :) — 6 лет назад
Кто такой Золотов, я не знаю.(((( Валентные электроны есть и в диэлектриках, и в проводниках, а вот электроны проводимости - только в проводниках. Они и дают свечение при высокой температуре.
Нашёл Ю.А.Золотова в Википедии. Думаю, что спрашивать нужно всё-таки физиков, а не химиков-аналитиков, даже владеющих в совершенстве спектральными методами анализа. — 6 лет назад
Золотов - академик, заведующий кафедрой аналитической химии, главный редактор “Журнала аналитической химии”. А по поводу электронов - верно: валентные электроны, например, кремния в силикатах трудно возбудить, а в металлах электроны перевести на более высокий уровень намного легче. — 6 лет назад
Вероятно, ответ такой. Все нагретые до достаточно высокой температуры тела излучают видимый свет (а инфракрасный свет и свет с большими длинами волн излучают и холодные тела). Излучение видимого света происходит в результате "прыжка" электрона с энергетически более высокого уровня на уровень с меньшей энергией. А "забрасывает" электроны на высокие энергетические уровни энергия столкновения атомов друг с другом, и эта энергия повышается с увеличением температуры. Легче всего возбуждаются внешние электроны металлов, поэтому металлы и начинают светиться обычно при более низких температурах. В стекле (кварце) электроны атомов кремния, кислорода и ИОНОВ металлов возбуждаются значительно труднее, поэтому нужны более высокие температуры, чтобы такие вещества начали испускать свет.
Почему раскаленный металл светится, что именно за процессы заставляеют испускает кванты света из кристаллической решетки
Можно пояснить с позиций термодинамики -- в равновесии кинетическая энергия движения молекул распределяется равномерно по всем степеням свободы, по 0.5kT на каждую. Забудем на секунду квантмех, тогда электрон может болтаться в атоме как на пружинке, и становится ясно, что на эту колебательную степень свободы электрона в равновесии так же приходится 0.5kT. Просто потому, что она может приходиться от случайных столкновений с другими молекулами -- столкновений так много, что они неизбежно приводят к равномерному распределению энергии по всем возможным направлениям и способам движения. Как известно, движение заряда с ускорением (а колебательное движение именно таково) вызывает излучение -- вот, собственно, всё. Электрон "толкают", он начинает колебаться, излучает, успокаивается, его снова "толкают" и т. п. . То же справедливо для нормальных условий, в них кусок металла (да и чего угодно) тоже светится, но в инфракрасном диапазоне, и совсем немного в видимом.
Теперь ещё добавляем ступенчатость энергии в квантмехе и вот этот вопрос дяди Мити, и получаем полную картину :-)
А вот и нет. Переход с уровня на уровень даёт дискретный спектр, межд тем как спектр свечения нагретого тела - сплошной.
Прямо уж-таки сплошной? Это вот Ваше заявление противоречит основам эмиссионного спектрального анализа, например. Я на эти спектры каждый день смотрю - есть такой прибор, стилоскоп называется - там спектр видимой области прямо глазами видно визуально в виде линий)
Потому, что при нагревании металл получает дополнительную энергию. Эту энергию он и испускаетв виде фотонов (квантов) электромагнитного излучения. А глаз человека принимает это излучение как свет. За открытие процессов квантования М. Планк в 1924 г получил Нобелевку. Так, что когда включаете лампочку, то вспоминайте Макса Планка добрым словом.
А конкретней нельзя я это и так знаю.
Мне хотелось бы знать на какие процессы конкретно тратится энергия
полученная от нагревания.
Броня крепка! Просветленный (24849) Вам действительно хочется знать на какие процессы конкретно тратится энергия полученная от нагревания? Тогда надо читать серьезные книги по квантовой физике. А если и задавать здесь на эту тему вопросы, то задавать их на правильном русском языке и писать без ошибок!
Для простоты возьмем атом водорода. Если сильно его разогреть, то атом поглощает часть энергии. При этом электрон скачком переходит с нижней стационарной орбиты на более высокие стационарные орбиты ). Такой "возбужденный" атом не может долго существовать и электрон возвращается ("падает") на более низкую орбиту, выделяя при этом строго определенную порцию (квант) световой энергии. То же самое происходит и с атомами других элементов.
Почему ж тогда у Солнца (сплошь водород и гелий) спектр свечения сплошной, а не линейчатый, как у водорода? Линии Фраунгофера не в счёт - это линии ПОГЛОЩЕНИЯ, а не испускания.
Treasure Hunter Просветленный (23308) А причем тут водород и гелий? Непрерывные (или сплошные) спектры дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы. Для получения непрерывного спектра нужно всего лишь нагреть тело до высокой температуры. Характер непрерывного спектра и сам факт его существования не только определяются свойствами отдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом. Непрерывный спектр дает также высокотемпературная плазма. Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновениях электронов с ионами.
Почему раскаленные металлы светятся, а стекло при той же температуре нет?
Тепловое излучение: что это такое, причины, свойства, спектр, формулы
Тепловое излучение – это электромагнитные волны, испускаемые электрически заряженными частицами в результате их теплового движения в веществе.
Металлические стержни, нагретые в плавильной печи, светятся ярким светом. Это тепловое излучение. Испускают ли тепловое излучение только тела с очень высокой температурой? Оказывается, любое тело с температурой выше абсолютного нуля является источником этого излучения. Почему же мы не видим этого излучения, исходящего от окружающих нас объектов? Ответ вы найдете в этой статье.
Причины возникновения теплового излучения и его свойства
Все тела состоят из атомов или молекул, которые находятся в вечном беспорядочном движении. Даже молекулы твердых тел, “запертые” в кристаллической решетке, совершают хаотические колебания. Это хаотичное движение атомов и молекул называется тепловым движением. Из-за столкновений и межмолекулярных взаимодействий энергия отдельных молекул постоянно меняется. Они испытывают ускорения и колебания. Атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Когда заряженная частица движется с ускорением, она излучает электромагнитную волну.
Все тела с температурой выше абсолютного нуля ( -273,15 ℃, 0К ) испускают тепловое излучение. Электромагнитные волны, падающие на тело, могут быть поглощены им. Чем больше энергии поглощает тело при постоянной температуре, тем больше энергии оно излучает. Отношение поглощенного и испущенного излучения не зависит от природы тела – для всех тел это одна и та же функция температуры и длины волны.
Почему мы видим тепловое излучение только для сильно нагретых тел, таких как металлический стержень в плавильной печи?
Свет – это электромагнитная волна. Каждому цвету света соответствует своя длина волны. Красный свет имеет наибольшую длину волны, синий и фиолетовый – наименьшую. Белый свет – это смесь всех цветов, которые проявляются в радуге, образующейся при расщеплении белого света на капельках воды в атмосфере (рис. 1.).
Рис. 1. Радуга. Каждому цвету света соответствует своя длина волны, от самой высокой для красного света до самой низкой для фиолетового
Когда вы нагреваете металлический стержень, например, над газовой горелкой, примерно до 500°C, вы заметите, что он начинает светиться красным светом. По мере увеличения температуры стержня цвет света меняется на оранжевый, желтый и затем белый. Повышение температуры вызывает излучение электромагнитных волн со все более короткой длиной волны. Одновременно с повышением температуры стержень светит все интенсивнее – мы говорим, что увеличивается облученность, т.е. энергия излучения, выделяемая в течение 1 секунды на 1 м 2 поверхности тела.
Все горячие тела светятся. Оказывается, низкотемпературные тела, которые не светятся видимым светом, также испускают излучение, но в диапазоне длин волн больше, чем видимый свет. Это излучение называется инфракрасным излучением. Он невидим для наших глаз, но несет в себе тепловую энергию. Инфракрасное излучение используется, например, для нагревания тела с помощью специальной инфракрасной лампы (рис. 2.). Мы видим, что лампа светит довольно слабым красным светом, но гораздо более интенсивным является ее излучение в инфракрасном диапазоне, невидимом для нас. Мы можем ощущать его воздействие только в виде нагрева тела.
Рис. 2. Инфракрасная лечебная лампа испускает тепловое излучение в основном в более длинноволновом диапазоне, чем видимый свет.
Этот пример показывает, что тепловое излучение не ограничивается узким диапазоном длин волн. Тела испускают излучение любой длины волны в очень широком диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного, но максимум этого излучения приходится на определенный диапазон длин волн, зависящий от температуры.
Так, в инфракрасной лампе максимум излучения приходится на диапазон длин волн, соответствующий инфракрасному излучению, а в других диапазонах излучение намного слабее. Когда металлический стержень нагревается до красного цвета, в дополнение к красному свету, который мы видим, также испускается инфракрасное излучение, которое ощущается как ощущение тепла. Дальнейшее повышение температуры приводит к увеличению доли коротких длин волн, в результате чего цвет стержня меняется на желтый, а затем на белый. Стержень по-прежнему излучает красный свет и инфракрасное излучение, но их доля в общем излучении меньше.
Солнечный свет, излучаемый поверхностью Солнца при температуре около 6000 К, содержит видимый свет во всем диапазоне длин волн, а также невидимое для нас ультрафиолетовое излучение (УФ) с длинами волн короче, чем у видимого света. Именно благодаря этому излучению мы загораем.
В чем причина того, что преобладающая длина волны теплового излучения уменьшается с повышением температуры? Повышение температуры означает увеличение средней кинетической энергии молекул и, следовательно, увеличение средней энергии излучения, испускаемого частицами. Чем больше энергия излучения, тем короче длина волны.
Спектр теплового излучения
Изображения, полученные с помощью космического телескопа “Хаббл”, показывают нам необычные, динамичные события во Вселенной. Одна из них показывает столкновение двух галактик, которые представляют собой огромные скопления многих миллиардов звезд, газа и межзвездной пыли. Столкновение вызвало взрывное образование новых звезд. Но как мы можем узнать, какие звезды являются молодыми, недавно сформировавшимися, а какие – старыми? Мы получаем эту информацию, анализируя спектры теплового излучения звезд.
Рис. 3. Столкновение двух галактик запечатлено телескопом Хаббл. Источник фото – ESA
Из опыта мы знаем, что тела при очень высоких температурах, такие как жидкий металл или фотосфера Солнца, светятся белым светом. Если пропустить этот свет через призму, он расщепляется на разные цвета (рис. 4). Каждый цвет соответствует своей длине электромагнитной волны, от 400 нм для фиолетового света до 700 нм для красного. Разделив белый свет на отдельные цвета, мы получим спектр белого света (рис. 5).
Рис. 4. Свет расщепляется в призме на отдельные цвета, создавая спектр белого света Рис. 5. Спектр белого света
Спектр излучения – это записанное изображение излучения, распределенного по различным длинам волн.
Расщепление белого света показывает, из каких цветов состоит свет, но не дает информации о том, какова мощность излучения во всех последовательных местах цветового спектра. Для более тщательного изучения спектра излучения необходимо перемещать датчик, например, фотоэлемент, вдоль спектра для измерения мощности для каждой длины волны. Измеренное количество энергии излучения в определенных диапазонах длин волн света позволяет построить кривую спектрального распределения (рис. 6.).
Рис. 6. Кривая спектрального распределения показывает измеренную энергию излучения в определенных спектральных диапазонах
На рис. 7 показана кривая спектрального распределения солнечного излучения. На вертикальной оси отмечена энергия излучения в интервале длин волн (λ, λ + Δλ), испускаемая в единицу времени, на горизонтальной оси отмечена длина волны излучения λ с диапазоном длин волн видимого света. Излучение Солнца выходит далеко за пределы этого диапазона. Оно содержит ультрафиолетовое излучение с длиной волны короче, чем у видимого света, и инфракрасное излучение с длиной волны больше, чем у видимого света. В солнечном излучении содержатся все длины волн видимого света, поэтому мы воспринимаем солнечный свет как белый.
Рис. 7. Кривая спектрального распределения солнечного излучения – зависимость интенсивности излучения от длины волны
Максимум графика находится на длине волны около 500 нм, что соответствует зеленому цвету.
Положение максимума излучения определяется температурой тела, испускающего излучение. Чем выше температура, тем меньше длина волны максимума излучения (рис. 8.). По этой причине, когда нагретое тело начинает светиться, оно сначала светится красным светом, а по мере повышения температуры цвет меняется на желтый и, наконец, на белый, поскольку увеличивается доля света более коротких длин волн.
Рис. 8. Кривые спектрального распределения теплового излучения для различных температур излучающего тела
Излучение, испускаемое людьми и большинством окружающих нас предметов, не видно, поскольку максимум излучения лежит в инфракрасном диапазоне. Наши глаза не могут воспринимать такое излучение, но его можно обнаружить с помощью тепловизионной камеры, которая регистрирует инфракрасное излучение.
Кривые спектрального распределения теплового излучения для более высоких температур выше, чем для более низких. Это означает, что с увеличением температуры тела общая энергия излучения увеличивается. Область под графиком (см. рисунок 7) – это мера общей энергии, излучаемой единицей площади тела. Энергия, излучаемая единичной поверхностью, сильно зависит от температуры. Вот почему тела с очень высокой температурой светятся намного ярче, чем тела с более низкой температурой.
Формулы, которые отражают зависимость теплового излучения от температуры
Итак, максимум кривой спектрального распределения излучения смещается в сторону более коротких длин волн с увеличением температуры. Длина волны λmax, соответствующая максимуму излучения, обратно пропорциональна абсолютной температуре тела: λmax = b / T, где b = 2,898 * 10 -3 м·К – коэффициент пропорциональности (постоянная Вина). Эта формула называется законом смещения Вина.
Анализ графиков на рис. 8 позволяет сделать еще один вывод. Мы видим, что кривые для более высоких температур лежат все выше и выше. Это означает, что с повышением температуры тела общая энергия излучения увеличивается. Эти отношения очень прочные. Энергия излучения прямо пропорциональна T 4 . Зависимость энергии излучения от температуры, называемая законом Стефана – Больцмана, имеет следующий вид: E = σ * T 4 , где
где E – энергия, излучаемая с единицы площади тела и в единицу времени, T – температура по шкале Кельвина, и σ – постоянная Стефана — Больцмана, которая равна: σ = 5,67 – 10 -8 Вт / (м 2 · К 4 ).
Знание кривой спектрального распределения позволяет определить температуру далекого светящегося объекта. Если мы определим длину волны, соответствующую максимуму кривой, затем, после преобразования формулы Вина, получаем значение температуры объекта: T = b / λmax .
Таким образом, не покидая Земли, определяется температура Солнца и других звезд. Оказывается, наше Солнце излучает так, что кривая спектрального распределения соответствует температуре около 5800 К – средней температуре поверхности Солнца.
Если мы знаем расстояние до звезды, мы можем вычислить ее диаметр на основе анализа теплового излучения. Интенсивность излучения уменьшается с расстоянием, но, зная расстояние, мы можем рассчитать полную энергию, излучаемую звездой. Теперь достаточно разделить общую энергию на энергию, излучаемую на единицу площади, полученную из закона Стефана-Больцмана, чтобы получить площадь диска звезды, с которой излучение достигает нас.
Почему любое нагретое тело светится?
Вопрос попался на зачёте по физике. Вроде вопрос простой и гугл выдаёт информацию, но преподаватель сказал что неправильно (инфа из гугла).
Кому лень гуглить в кратце перескажу: все мы состоим из элементарных частиц, которые колеблются, и при увеличении температуры кинетическая энергия этих самых элементарных частиц увеличивается (быстрее начинают колебаться). Чем быстрее они колеблются, тем больше частота их электромагнитного излучения. Так получается частота инфракрасного, красного и так далее.
Может вы знаете? Напишите пожалуйста в коментариях вашу версию.
Там что то с магией связано но не помню точно с какой
советую посмотреть, еси че нынчо даже дети знают))))))
Если мне память не изменяет, там что-то с длинной волны. Вроде как даже при н.у. окружающие нас предметы имеют излучение, просто с повышением температуры у него увеличивается длинна волны и интенсивность
p.s. хотя может я просто неправильно в свое время понял превода
Может быть из-за хаотического движения атомы сталкиваются и переходят в нестабильное состояние при возвращении из этого состояния испускаются фотоны
Копни в сторону квантовой теории. Вроде как возбужденный излишком энергии атом, выбрасывает ее в виде квантов. Как-то так. Покопайся в законах Кирхгофа и Стефана-Больцмана, там про тепловое излучение, если память мне не изменяет. Может нароешь что-нибудь.
Смешариков нужно смотреть! На днях с дочкой смотрели серию в которой как раз раскрывали эту тему)
а почему не светится допустим горяченная керамика? или что то типа того
Как известно, движение заряда с ускорением (а колебательное движение именно таково) вызывает излучение -- вот, собственно, всё. Электрон "толкают", он начинает колебаться, излучает, успокаивается, его снова "толкают"
да, светится но в другом диапазоне - в инфракрасном.
Причиной того, что вещество излучает электромагнитные волны, является устройство атомов и молекул из заряженных частиц, из-за чего вещество пронизано электромагнитными полями. В частности, при столкновениях атомов и молекул происходит их ударное возбуждение с последующим высвечиванием.
на английской вики написано примерно то же, что и у тебя
Thermal energy consists of the kinetic energy of random movements of atoms and molecules in matter. All matter with a temperature by definition is composed of particles which have kinetic energy, and which interact with each other. These atoms and molecules are composed of charged particles, i.e., protons and electrons, and kinetic interactions among matter particles result in charge-acceleration and dipole-oscillation. This results in the electrodynamic generation of coupled electric and magnetic fields, resulting in the emission of photons, radiating energy away from the body through its surface boundary.
ну нагревается, бла бла бла и полетели фотончики
Откуда берётся отражение?
Из лекции А.Чирцова:
Откуда берётся изображение девушки в зеркале когда она смотрится в зеркало? Это сложный вопрос. Нет, ну конечно лучи света отражаются, но мы же знаем, что никаких лучей света нет, это выдумка. А есть электромагнитные волны. Мы конечно будем рассматривать не пакет волн которые бегут от девушки во все стороны, а всего лишь одну плоскую монохроматическую волну.
И вот это зеркало. Представим себе, что бежит плоская монохроматическая волна. Я её нарисую по школьному в виде косинусоиды. Вот она дошла до зеркала. И что дальше? За зеркалом есть свет? Нет. Поэтому вроде бы волна должна на зеркале оборваться. Чушь. На зеркале волна оборваться не может. Потому что зеркало состоит из атомов, а атом состоит из ядра. А если мы увеличим ядро до такого размера (показывает примерно 2 см), то электрон надо будет нарисовать где-то в районе Невского проспекта. А между ними пусто. Поэтому зеркало это практически вакуум. И поэтому волна от девушки пройдёт сквозь зеркало как через вакуум. Это и есть вакуум.
Всё дело в том, что в зеркале есть слой металла, в котором могут бегать свободные электроны.И вот тогда под действием этого меняющегося поля электроны в каждой точке зеркала начинают бегать взад вперёд. И каждый электрон излучает вот это ломающееся поле которое мы рисовали и излучает электромагнитные волны вот так - в разные стороны. И все эти волны, которые излучают электроны сюда, складываются в волну, которая идёт точно в противофазе от падающей волны. И в результате по ту сторону зеркала мы наблюдаем темноту. Не из-за того что свет туда не прошёл, а из-за того что электроны сгенерировали ещё одну волну, которая полностью погасила исходную. За зеркалом распространяется больше света, чем падает на него. Только эти два излучения друг друга гасят. Из симметрии понятно, что электроны излучают не только сюда. И в обратную сторону. И бежит ещё одна волна симметричная этой, но в другую сторону. И вот теперь смотрите, здесь исходная и гасящая волны бегут в одну сторону и в сумме дают ноль. А здесь падающая бежит сюда. а эта бежит в другую сторону и нуля не получается. Так формируется отражённая волна.
Поэтому дорогие девушки, когда вы смотритесь в зеркало, знайте, что там находитесь вовсе не вы. Вы видите вторичные электромагнитные поля, которые генерируются электронами, которые раскачены отражённым от вас светом. Вы нужны только для того чтобы раскачать электроны.
Если убрать вас от зеркала за время меньшее чем 10 в минус десятой степени секунды, электроны ещё некоторое время будут качаться и ваше изображение будет жить в зеркале. А если вас убрать, а электроны как-нибудь заставить качаться как они качались при вас, то ваше изображение заморозится в зеркале. Такие технологии существуют. Это называется голография.
Кстати, свет не проходит сквозь кирпичную стенку только потому что электроны стенки раскачиваются и генерируют гасящую волну. Но в течение примерно 10 в минус 10 степени секунды электроны стенки не успевают раскачаться и поначалу свет проходит сквозь стенку. Другое дело, что лампочка разгорается медленно, она разгорается одну десятую секунды. Пока она разгорается стенки теряют прозрачность. Современные лазерные импульсы имеют фронт порядка 10 в минус 16 степени секунды, что примерно на 3-4 порядка меньше, чем время раскачивания атомов и поэтому короткие и сверхкороткие импульсы проходят сквозь стенку. Это хорошая идея лазерной томографии.
Читайте также: