Номер 71.23, страница 247 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 71. Строение атома. Основы квантовой теории. Глава 10. Квантовые явления - номер 71.23, страница 247.

71.23 [н] Почему при нагревании железа (например, гвоздя) в пламени горелки наблюдается постепенное изменение свечения от красного до белого каления?

71.23 [н]

Решение

Наблюдаемое явление объясняется законами теплового излучения. Любое тело, температура которого выше абсолютного нуля, испускает электромагнитное излучение, характеристики которого (спектр и интенсивность) напрямую зависят от температуры.

При комнатной температуре железный гвоздь излучает энергию преимущественно в инфракрасном диапазоне, который невидим для человеческого глаза. По мере нагревания гвоздя в пламени горелки его температура растет, и, согласно закону смещения Вина, пик спектра излучения смещается в сторону более коротких длин волн. Закон смещения Вина описывается формулой:

$ \lambda_{max} = \frac{b}{T} $

где $\lambda_{max}$ — это длина волны, на которую приходится максимум интенсивности излучения, $T$ — абсолютная температура тела, а $b$ — постоянная Вина.

Когда температура достигает примерно 500–600 °C, пик излучения сдвигается к длинноволновой (красной) границе видимого спектра. Гвоздь начинает светиться тускло-красным цветом — это стадия красного каления. С дальнейшим ростом температуры до 900–1100 °C в спектре излучения возрастает доля оранжевого и желтого света, а само свечение становится значительно ярче, что соответствует закону Стефана–Больцмана (полная мощность излучения пропорциональна четвертой степени температуры, $P \sim T^4$).

При температурах выше 1200 °C (стадия белого каления) гвоздь излучает достаточно интенсивно во всех частях видимого диапазона — от красного до фиолетового. Комбинация всех цветов видимого спектра воспринимается человеческим глазом как белый свет. Таким образом, изменение цвета свечения является прямым визуальным проявлением увеличения температуры тела и смещения спектра его теплового излучения.

Ответ: Изменение цвета свечения от красного до белого при нагревании железа происходит из-за увеличения его температуры. Согласно закону смещения Вина, с ростом температуры максимум спектра теплового излучения тела смещается от длинных волн (инфракрасных, затем красных) к более коротким. При достаточно высокой температуре тело начинает интенсивно излучать во всем видимом диапазоне, и сумма всех цветов спектра воспринимается глазом как белый цвет.