באדיבות וויקיפדיה
המושג קרינת חום קשור לאנרגיה וטמפרטורה. עקרונות המפתח התגלו בשנת 1898 על ידי הפיזיקאי הגרמני וילהלם ויין (Wilhelm Wien). ויין גילה שכל הגופים מפיקים קרינת חום. קרינת חום מתרכזת תמיד באורכי גל מסוימים; ניתן לראות את השיא של ספקטרום השמש בצבע צהוב. וויין מצא כי הספקטרום של קרינת חום אינו תלוי בחומר ממנו הגוף עשוי. הוא ערך ניסויים בגופים העשויים מחומרים שונים ובטמפרטורות שונות והסיק את העקרונות הבאים, הידועים כחוק ויין.
- כל הגופים פולטים קרינת חום המשתרעת על טווח רחב של אורכי גל.
- עוצמת הקרינה ואורכי הגל שלה תלויים בטמפרטורת הגוף, אך לא בהרכבו.
- ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך הקרינה נפלטת היא בעלת אורכי גל קצרים יותר הנושאים את מרבית אנרגיית הקרינה.
אטומים ומולקולות נמצאים בתנועה מתמדת. הדבר נכון לגבי כל החומרים ובכל מצבי החומר. במצב מוצק, התנועות הן תנודות אטומים בלבד. בנוזל או בגז, התנועות כוללות גם התנגשויות של חלקיקים הנעים באופן חופשי. כפי שלמדנו, הטמפרטורה היא מדד לאנרגיה קינטית של חלקיקים בחומר; תנועתם מפסיקה רק באפס מוחלט. אטומים ומולקולות פולטים קרינה כתוצאה מהתנועה שלהם. וויין גילה כיצד קרינה זו תלויה בטמפרטורת החומר.
באדיבות וויקיפדיה
הצורה המתמטית של חוק ויין מזהה את אורך הגל, או הצבע, של האור המגיעים מגוף בטמפרטורה נתונה. זהו חוק מפתיע בפשטותו. נניח שאנחנו מציינים את הטמפרטורה של הגוף ב- T, במעלות קלווין. אורך הגל שבו כמות הקרינה הנפלטת בעלת העוצמה הגדולה ביותר הוא λ, נתון במטרים. ניתן לבטא את חוק ווין באמצעות המשתנים T ו- λ, כך:
λ = 0.0029 / T
המספר 0.0029 הוא קבוע, והוא זהה בכל היישומים של החוק, כל עוד T ניתנת קלווין ו- λ במטרים. החוק מבטא תוצאה ניסויית של יחס הפוך בין אורך הגל והטמפרטורה. כך שככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך אורך הגל של הקרינה המקסימלית הקצר יותר. ככל שהטמפרטורה נמוכה יותר, אורך הגל של קרינת החום גדול יותר. עבור קרינה בתחום הנראה, גופים חמים פולטים אור בהיר יותר מגופים קרים.
לדוגמה, אם לשמש יש טמפרטורת פני השטח של 57000K, מהו אורך הגל בעל עוצמת קרינה מקסימלית של קרינת השמש? אם אנחנו מציבים 57000K עבור T, נקבל λ = 0.0029 / 5700, או 5.1×10-7 מטרים. בידיעה כי לאור סגול יש אורך גל של 4.0×10-7 מטרים, לאור צהוב 5.6×10-7 מטרים, ולאדום 6.6×10-7 מטרים, מה ניתן לומר על הצבע של קרינת השיא של ספקטרום השמש? אורך גל השיא של קרינת השמש הוא באורך גל קצר במקצת מהצבע הצהוב, ולכן הוא צהוב מעט ירקרק. כדי לראות את הגוון הירקרק הזה בשמש, תצטרכו להביט בה מהחלל. מתברר כי האטמוספירה של כדור הארץ מפזרת את הגלים הקצרים של אור השמש יותר מאשר את הגלים הארוכים. לכן, אורך הגל של השיא נקלט בעינינו כצבע צהוב טהור.
קרינת חום תמיד משתרעת על טווח רחב של אורכי גל; הצורה המתמטית של חוק ויין מציינת את אורך הגל היחיד שהוא שיא הספקטרום. לכן, למרות שהשמש נראית צהובה-לבנה, כאשר אתם מפזרים אור שמש באמצעות מנסרה, אתם רואים קרינה בכל צבעי הקשת. צהוב מייצג רק את אורך הגל ממוצע של הקרינה הנפלטת מהשמש.
באדיבות וויקיפדיה
מהי הקרינה התרמית מגוף הרבה יותר קריר מהשמש? לדוגמה, מהו אורך הגל וסוג הקרינה הדומיננטי שפולט גוף אנושי? כידוע הטמפרטורה ה"נורמלית" של הגוף היא 36 מעלות צלסיוס. תחילה יש להמיר את ה- T לקלווין. מכיוון שקלווין הוא הסולם המדעי. יש להוסיף 273 מעלות, נקבל T בערך 310 קלווין. העור שלך עשוי להיות קצת יותר קריר, נניח 305 קלווין. בעזרת המשוואה עבור חוק ויין, מקבלים λ = .0029 / 305 = 9.5 × 10-6 מטר. אורכי הגל האדומים, הארוכים ביותר של אור הנראה, הם סביב 7×10-7 מטרים, כלומר קרינת החום של גופך היא מעבר לקצה האדום של הספקטרום הנראה. הגוף האנושי פולט קרינת חום באורכי גל, שהם ארוכים מכדי שהעין האנושית תקלוט אותם.
כל גוף בטמפרטורה של אלפי מעלות פולט קרינת חום בתחום הנראה וכל גוף שהטמפרטורה שלו כמה מאות מעלות פולט קרינת חום בתחום האינפרא אדום, שאינה נראית. דוגמה נוספת לחוק ויין היא פיתוח טכנולוגי הנקרא "משקפי לילה" או "ראייה אינפרא-אדומה". התקנים אלה קולטים אור אינפרא אדום וממירים אותו לתחום האור הנראה. בדרך זו אנו יכולים "לראות" את קרינת החום בתחום אינפרא אדום של גופים קרים.
נניח שלכוכב מסוים יש צבע אדום בולט שניתן להבחין בו בעין בלתי מצוידת. בהתחשב בכך שלאור אדום יש אורך גל סביב 700 ננומטר, מה הטמפרטורה היא הכוכב? (ננומטר הוא 10-9 מטרים.) נשווה את התשובה לטמפרטורה 57000K זוהי טמפרטורת פני השמש, שהוזכרה קודם לכן. אם אורך הגל של קרינת השיא, λ, הוא בערך 700 ננומטר, או 7×10-7 מטר, אז לפי חוק ויין נקבל
7×10-7 = 0.0029 / T. הפתרון עבור T, הוא T = 4140 קלווין. כלומר, טמפרטורת הכוכב האדום היא סביב 16000K, קרירה בהשוואה לטמפרטורת פני השמש.
Author: Chris Impey