Sort Krop Stråling: Definition, Karakteristika og Anvendelser

En sort hul defineres som et idealiseret objekt, der absorberer al elektromagnetisk stråling, der falder på det, og udsender stråling med en kontinuerlig spektrum, der kun afhænger af dets temperatur. Sort huls stråling er den termiske stråling, der udsendes af en sort hul i termodynamisk ligevægt med dens omgivelser. Sort huls stråling har mange anvendelser inden for fysik, astronomi, ingeniørvidenskab og andre fagområder.

Hvad er en sort hul?

En sort hul er et teoretisk koncept, der repræsenterer en ideal absorber og emitter af stråling.

Ingen reelle objekter er perfekte sorte huller, men nogle objekter kan approksimere det under bestemte forhold. For eksempel kan en kavitet med et lille hul agere som en sort hul, fordi enhver stråling, der går ind i hullet, bliver fanget inde og reflekteret mange gange, indtil den absorbères af kavitetsvæggene. Den stråling, der udsendes af hullet, er så karakteristisk for en sort hul.

En sort hul reflekterer eller transmitterer ingen stråling; den absorberer og emitterer kun stråling. Derfor ser en sort hul sort ud, når den er kold og udsender ingen synligt lys. Når temperaturen på en sort hul stiger, udsender den mere stråling, og dens spektrum skifter til kortere bølgelængder. Ved høje temperaturer kan en sort hul udsende synligt lys og se rød, orange, gul, hvid eller blå ud, afhængigt af dens temperatur.

Egenskaber ved sort huls stråling

Spektrummet af sort huls stråling er kontinuerligt og afhænger kun af temperaturen på den sorte hul. Spektrummet kan beskrives ved hjælp af to vigtige love: Wien’s placeringssætning og Stefan-Boltzmanns lov.

Wien’s placeringssætning

Wien’s placeringssætning siger, at bølgelængden, hvor intensiteten af sort huls stråling er maksimal, er omvendt proportional med temperaturen på den sorte hul. Matematisk kan dette udtrykkes som:

hvor λmax er topbølgelængden, T er den absolutte temperatur på den sorte hul, og b er en konstant kendt som Wien’s placeringkonstant, som har en værdi på 2,898×10−3 m K.

Wien’s placeringssætning forklarer, hvorfor farven på en sort hul ændrer sig med temperaturen.

Når temperaturen stiger, falder topbølgelængden, og spektrummet skifter til kortere bølgelængder. For eksempel udsender en sort hul ved rumtemperatur (ca. 300 K) mest infrarød stråling med en topbølgelængde på ca. 10 μm. Ved 1000 K udsender en sort hul mest rødt lys med en topbølgelængde på ca. 3 μm. Ved 6000 K udsender en sort hul mest hvidt lys med en topbølgelængde på ca. 0,5 μm.

Stefan-Boltzmanns lov

Stefan-Boltzmanns lov siger, at den totale effekt, der udsendes pr. arealenhed af en sort hul, er proportional med den fjerde potens af dens absolutte temperatur.

Matematisk kan dette udtrykkes som:

hvor Me er den totale effekt pr. arealenhed (også kendt som emittiv effekt eller stråleexitance), T er den absolutte temperatur på den sorte hul, og σ er en konstant kendt som Stefan-Boltzmann-konstant, som har en værdi på 5,670×10−8 W m$^{-2}K^{-4}$.

Stefan-Boltzmanns lov forklarer, hvorfor en sort hul udsender mere stråling, når dens temperatur stiger. For eksempel, hvis temperaturen på en sort hul fordobles, øges dens emittive effekt med 16 gange.

Anvendelser af sort huls stråling

Sort huls stråling har mange anvendelser inden for forskellige fagområder inden for videnskab og teknologi. Nogle eksempler er:

• Inden for astronomi kan stjerner approksimeres som sorte huller, og deres temperaturer kan estimeres fra deres spektra ved hjælp af Wien’s placeringssætning.

   

• Solens effektive overfladetemperatur er for eksempel ca. 5800 K, og den udsender mest synligt lys med en topbølgelængde på ca. 0,5 μm.

• Inden for ingeniørvidenskab bruger termiske billedenheder infrarøde kameraer til at opdage varme, der udsendes af objekter baseret på deres temperaturer ved hjælp af Stefan-Boltzmanns lov.

   

• Termiske billedenheder kan bruges til sikkerhed, overvågning, brandbekämpelse, medicinsk diagnose og andre formål.

• Inden for fysik var sort huls stråling et af de fænomener, der førte til udviklingen af kvanteteori i begyndelsen af 1900-tallet.

   

• Klassisk fysik kunne ikke forklare, hvorfor spektrummet af sort huls stråling afvigede fra Rayleigh-Jeans' lov ved høje frekvenser og producerede en uendelig energi kendt som ultraviolet katastrofen. Max Planck foreslog, at energi var kvantificeret og udsendt i diskrete enheder kaldet kvanta eller fotoner for at løse dette problem. Plancks lov beskriver spektrummet af sort huls stråling ved hjælp af kvanteteori.

Sammenfatning

• En sort hul er et idealiseret objekt, der absorberer al incident stråling og udsender stråling med et kontinuerligt spektrum, der kun afhænger af dets temperatur.

• Sort huls stråling er den termiske stråling, der udsendes af en sort hul i termodynamisk ligevægt med dens omgivelser.

• Wien’s placeringssætning siger, at topbølgelængden af sort huls stråling er omvendt proportional med dens temperatur.

• Stefan-Boltzmanns lov siger, at den totale effekt, der udsendes pr. arealenhed af en sort hul, er proportional med den fjerde potens af dens temperatur.

• Sort huls stråling har mange anvendelser inden for fysik, astronomi, ingeniørvidenskab og andre fagområder.

Erklæring: Respektér det originale,