Rozpalone do czerwoności czy do białości?

Wiadomym jest, że wiele materiałów jarzy się, wtedy gdy są podgrzewane np. żarzące się wolframowe włókno żarówki, emitując promieniowanie zbliżone do białego, osiąga temperaturę około 3000ºC. Dawniej, gdy nie było przyrządów pomiarowych, temperaturę stali określano na podstawie jej barwy. Było to możliwe dzięki zaobserwowaniu zjawiska, że w ciemnym otoczeniu wszystkie ciała nagrzane do jednakowej temperatury żarząc się emitują promieniowanie o jednakowej barwie.

Czyli inaczej mówiąc, że przy zmianie temperatury zmienia się również barwa żarzenia. W ciemności stal zaczyna świecić przy temperaturze około 600ºC i jarzy się najpierw na czerwono, potem na żółto, a następnie aż oślepiająco biało. Podobnie jak roztopiona stal żarzy się np. lawa wulkaniczna.

XIX wieczni fizycy byli zdziwieni, że barwa światła emitowanego przez materiały które były podgrzewane wyglądała podobnie, niezależnie od rodzaju i kształtu badanej substancji. Zaobserwowali też, że wraz ze wzrostem temperatury badane materiały jarzą się najpierw na czerwono, potem na żółto i ostatecznie na biało, dlatego że wraz ze wzrostem temperatury rośnie intensywność emisji światła o barwie niebieskiej. W wyniku tego światło wygląda na białe, ponieważ do istniejącego w niższych temperaturach czerwonego i żółtego dodane zostaje dodane światło o barwie niebieskiej.

Tenrozkład kolorów wykreślonych przez nich dla ciał o różnej temperaturze został nazwany widoczną na rysunku krzywą rozkładu widmowego promieniowania ciała czarnego. Z krzywej tej wynika między innymi to, że tylko ciała o bardzo wysokich temperaturach emitują fale z zakresu widzialnego zaznaczonego na rysunku tęczą barw. Na podstawie tych krzywych zauważono także, że maksimum intensywności promieniowania ciała o określonej temperaturze przypada zawsze dla jednej długości fali. Gdy podnoszono temperaturę, ta maksymalna długość fali ulegała zawsze przesuwaniu się w stronę fal krótszych czyli tych o barwie niebieskiej.

Pomimo, że fizycy wykreślili krzywe rozkładu widmowego ciała czarnego, nie potrafili oni wytłumaczyć dlaczego maksimum intensywności promieniowania przypada dla określonej barwy o. Czołowi fizycy tamtych czasów tacy jak Wilhelm Wien, John Rayleigh i James Jeans opracowali, w oparciu o teorię pola elektromagnetycznego, zależności matematyczne, które tylko częściowe opisywały zaobserwowane zjawiska fizyczne.

Jednak dopiero Max Planck wprowadzając pojęcie oscylatora elektromagnetycznego opracował teorię ciała czarnego łączącą fale świetlne z prawdopodobieństwem podziału energii elektromagnetycznej pomiędzy wiele oscylatorów emitujących energię w sposób kwantowany tj. nieciągły. Sam Planck uważał tą teorię jedynie za konstrukcję matematyczną umożliwiającą jedynie opisanie zmierzonych krzywych i nie mającą odniesienia w tym, że takie oscylatory istnieją w rzeczywistości. Jednak życie pokazało, że to jego sformułowanie obecnie jest fundamentem jednego z ważniejszych obszarów fizyki współczesnej tj. teorii kwantowej.

Irena Fryc


Zdjęcia pochodzą z Wikimedia Commons