Stefan-Bolsman qonuni

Mutlaq qora jismning yorqinligi, uning haroratining to‘rtinchi darajasiga teng.

Qizigan jismlar turli to‘lqin uzunliklariga ega bo‘lgan elektromagnit nurlanishlar taratadi. Biz biror jism haqida «qip-qizarib qizib ketibdi» deganimizda, shu narsa oydinlashadiki, mazkur jismning harorati, uning issiqlik nurlanishi spektrning ko‘zga ko‘rinadigan qismida sodir bo‘ladigan darajada baland ekan. Jarayonga atomlar miqyosida nazar tashlasak, nurlanish bu — qo‘zg‘atilgan atomlar tomonidan fotonlarning uchirib chiqarilishi natijasi ekanligini ko‘rgamiz. Issiqlik nurlanishi energiyasining jism harorati bilan bog‘liqligini ifodalovchi fizika qonuni avvaliga amaliy tajriba natijalari asosida, Avstriyalik fizik Yozef Stefan tomonidan qayd qilingan bo‘lib, ushbu ilmiy qonunning nazariy asoslanishini esa, Stefanning yurtdoshi va shogirdlaridan biri — Lyudvig Bolsman tomonidan amalga oshirilgan.

Ushbu qonunning amalda qanday bajarilishini tasavvur qilish uchun, shunday narsani faraz qilamiz: Quyoshning qa’rida nur taratayotgan atomni tasavvur qiling. Uning taratgan nurini boshqa bir atom yutadi va u ham o‘z navbatida qayta nurlantiradi. Shu tarzda nur atomdan atomga uzatilib, zanjir tarzida tarqatiladi va shu sababli ham butun yalpi sistema umumiy energetik muvozanatni saqlab turadi. Muvozanat holatida, muayyan bir aniq chastotadagi yorug‘lik nurini bir atom biror joyda yutsa, huddi shu chastotadagi aynan shunday yorug‘lik nurini boshqa bir atom boshqa bir joyda nurlatadi. Natijada, spektrning har bir to‘lqin uzunligiga tegishli yorug‘lik nurlari intensivligi o‘zgarmasdan saqlanadi.
Quyosh ichakrisidagi harorat, uning markazidan uzoqlashgan sari pastlab boradi. Shu sababli ham, Quyosh sirtiga tomon harakatlanar ekan, yorug‘lik nurlanishining spektri atrof muhit haroratiga nisbatan balandroq haroratga ega darajalarga intilib-muvofiqlashib boradi. Natijada, Stefan-Bolsman qonuniga binoan, endilikda Quyosh sirtiga kelib qolgan yorug‘lik nurlanishi, nisbatan past energiya hamda, chastotlarda chiqa boshlaydi. Lekin, ayni damda, energiyaning saqlanish qonuniga muvofiq, ushbu yorug‘lik nurlanishi ko‘p sondagi fotonlarning uchib chiqishiga xizmat qila boshlaydi. Shu tarzda, mazkur fotonlarning Quyosh sirtiga yetib kelgan paytidagi spektral taqsimoti, Quyosh qa’ri markazining haroratiga (≈15000000 K) emas, balki, Quyosh sirtining haroratiga (taxminan ≈5800 K yoki, ≈6000 °C) muvofiq keladi.

Quyosh sirtiga kelib tushgan energiya (yoki, istalgan qizigan obyektning sirtiga yetib kelgan energiya) undan nurlanish ko‘rinishida chiqib ketadi. Stefan-Bolsman qonuni esa, aynan ushbu nurlatilgan energiyaning qiymati qandayligini aniqlab beradi. Ushbu zakon quyidagi ixcham formula orqali ifodalanadi:

E=kT⁴

Bunda: T — harorat (kelvinda); k — Bolsman doimiysi.

Formuladan yaqqol ko‘rinib turibdiki, jismning harorati ortishi bilan, uning nur taratish yorqinligi shunchaki ortib bormasdan, balki nihoyatda jadal ko‘rsatkich bilan ortar ekan. Aytaylik, biror jism haroratini ikki karra orttirsangiz, uning nur taratish yorqinligi 16 barobar ortadi!

Ushbu qonunga ko‘ra xulosa qiladigan bo‘lsak, demak, mutlaq nol haroratdan balandroq haroratga ega bo‘lgan istalgan jism o‘zidan energiya chiqaradi (nurlatadi). Agar hamma jism o‘zidan energiya chiqarsa, demak, jismlarning energiya zahirasi allaqachon tugashi va o‘sha jism mutlaq nol haroratgacha sovishi kerak edi. Nimaga tabiatda bunday bo‘lmayapti? Nima sababdan, inson tanasiga xos bo‘lgan haroratga (36.6 °C yoki, boshqacha aytganda ≈300 K dan sal balandroq) muvofiq bo‘lgan infarqizil nurlanish taratuvchi bizning tanamiz, ushbu nurlanishni doimo tarata-tarata oxiri sovib qolmaydi?

Mazkur savolning javobi mohiyatan ikki qismda iborat bo‘ladi: Birinchidan, biz vaqti-vqati bilan ovqatlanish orqali tashqaridan energiya qabul qilamiz. Ovqatlarning organizmdagi metabolik o‘zlashtirilishi natijasida, undagi kaloriyalar organizmimizga qo‘shimcha issiqlik energiya sifatida kirib keladi va Stefan-Bolsman qonuniga muvofiq, tanadagi energiya sarfi o‘rnini to‘ldiradi. Jonsiz issiqqon hayvonlarning tanasi tezda atrof muhit haroratigacha sovib qoladi. Chunki, bunda tananing tashqi energiya ta’minoti to‘xtatiladi.

Bundan ham muhimi shuki, Stefan-Bolsman qonuni, harorati mutlaq nol darajadan balandroq bo‘lgan istalgan jism uchun o‘rinlidir. Shu sababli ham, o‘z issiqlik energiyasini tashqi muhitga berayotgan odam haqida so‘z yuritishda yana shuni e’tibordan chiqarmaslik kerakki, uni o‘rab turgan muhit, masalan, uydagi mebellar, devor, hattoki havo ham issiqlik energiya nurlatadi va ularning energiyasidan siz ham «bahramand» bo‘lasiz. Agar atrof muhit harorati, odam tanasi haroratida pastroq bo‘lsa, unda muhitning issiqlik nurlanishi odam tanasining issiqlik energiyasi sarfini faqat qisman to‘ldiradi xolos va bu holatda, tana sarflayotgan energiyaning o‘rnini ichik resusrslar evaziga qoplashga o‘ta boshlaydi. Agar, atrof-muhit harorati organizm haroratiga yaqin, teng yoki undan balandroq bo‘lsa, unda odam o‘z organizmidagi metabolizm jarayonlari natijasida ajralib chiqayotgan energiyaning ortiqcha miqdoridan, tana issiqligini nurlatish yo‘li bilan qutilish qiyinlashadi. Shu lahzada ikkinchi mexanizm ishga tushadi: tana terlay boshlaydi. Teridan ajralib chiqayotgan ter tomchilari timsolida, badandagi ortiqcha issiqlik miqdori chiqib ketadi.

Stefan-Bolsman qonuning yuqorida qayd etilgan ta’rifi, o‘z sirtiga kelib tushayotgan barcha nurlanishlarni yutadigan jism — mutalq qora jism uchun o‘rinlidir. Ma’lumingizkim, mutlaq qora jism tabiatda mavjud emas. Haqiqiy jismlar esa, nurlanish energiyasining faqat muayyan qisminigina yutadi xolos. Nurlanishning qolgan qismini esa jismlar o‘zidan akslantiradi. Biroq, ayni holatda ham, jismning sirtidan chiquvchi nurlanishning solishtirma quvvatining T ⁴ ga proporsionalligi baribir saqlanadi. Lekin, bu holatda Bolsman doimiysining qiymatini, real fizik jismlarning xossasini namoyon qiluvchi boshqa bir koeffitsient bilan almashtirishga to‘g‘ri keladi. Bunday qiymatlar esa, odatda eksperimental usul bilan aniqlanadi.