Soojuskiirgus ja soojusliikumine

Simulatsioon osakeste soojusliikumisest gaasides.

Ava uuesti simulatsioon, kus näidatakse aineosakeste soojusliikumist gaasides. Jälgi mõnd konkreetset osakest. Kas paned tähele, et soojusliikumises võib osakeste kiirus  olla väga erinev? Ka osakeste põrked toimuvad erinevatel kiirustel.

Kui elektrilaenguga osakese kiirus muutub, siis tekib alati ka elektromagnetkiirgus. Nii tekib näiteks röntgenkiirgus metallplaadi pommitamisel kiiresti liikuvate elektronidega – elektronid aeglustuvad metallplaadini jõudes. Kui kiiruse muutus on väiksem, siis on tekkiva kiirguse lainepikkus suurem (ja valguskvandi energia väiksem). Osakeste soojusliikumisega kaasnevates põrgetes tekib infrapunakiirgus, ehk soojuskiirgus.

Üks võimalikest lämmastiku molekuli elektronpilve kujudest kahe aatomituuma ümber. Nii punase kui ka sinisega on tähistatud piirkond, kus on elektroni leidmise tõenäosus kõige suurem. Selliseid kujutisi saadi eksperimendis esmakordselt 2004. aastal.

Aga aines põrkuvad osakesed on ju neutraalsed?

Oleme jõudnud kohta, kus lihtne põrkavate kuulikeste analoogia gaasi kirjeldamisel enam ei tööta. Näiteks aineosakesed ju ei ole tegelikult ümmargused – võtkem kasvõi õhus kõige rohkem esinev gaas lämmastik, mille molekuli elektronpilv on kahe aatomituuma ümber välja venitatud. Soojuskiirguse seletamiseks peaksime tähele panema, et gaasi molekulid ei ole ümmargused ja ei ole ka iga nurga alt neutraalsed. Aga ka sellest ei piisa.

Soojuskiirgusega seotud päris keerulisel (mikromaailma) füüsikal on üks suurepärane järeldus. Nimelt selgub, et ükskõik milline on gaasi, vedeliku või tahkise sisemine struktuur, selle kiiratud soojuskiirguse spekter on alati ühesugune. Füüsikud nimetavad sellise spektriga kiirgust absoluutselt musta keha kiirguseks, meie jaoks on see edaspidi musta keha kiirgus.

Musta keha kiirgus on selline:

Musta keha kiirguse spekter

Samal ajal jääb ka kehtima aineosakeste soojusliikumise pildist saadud vihje, et suurem temperatuur ja soojusliikumise energia võiks tähendada suurema energiaga footoneid (väiksemat lainepikkust) – kõrgematel temperatuuridel on musta keha spektri maksimum nihkunud lühemate lainepikkuste poole.

Igapäevaelus ette tulevatel temperatuuridel on soojuskiirgus infravalgus, mida me silmaga ei näe. Kui temperatuur läheneb 1000 kraadile, siis hakkab ese hõõguma, st soojuskiirgus muutub silmale nähtavaks. Kui temperatuuri veek tõsta, läheb kiirgus järjest sinisemaks. Niimoodi määratakse tähtede temperatuure.

Musta keha värvus temperatuuridel 800 K kuni 12200 K. Selline värvuste vahemik vastab ka sellele, missuguseid tähti öötaevas vaadelda ja pildistada saab.

Musta keha kiirgust kirjeldab Plancki valem:

Kliki sellel valemil ja proovi, kuidas selle funktsiooni kuju muutub temperatuuri muutudes!