Άσπρο Σώμα: Ορισμός, Χαρακτηριστικά και Εφαρμογές

Ένα μαύρο σώμα ορίζεται ως ένα εικαστικό αντικείμενο που απορροφά όλη την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που πέφτει πάνω του και εκλύει ακτινοβολία με συνεχή φάσμα που εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία του. Η ακτινοβολία του μαύρου σώματος είναι η θερμική ακτινοβολία που εκλύεται από ένα μαύρο σώμα σε θερμοδυναμική ισορροπία με το περιβάλλον του. Η ακτινοβολία του μαύρου σώματος έχει πολλές εφαρμογές στη φυσική, την αστρονομία, τη μηχανική και άλλους τομείς.

Τι είναι ένα Μαύρο Σώμα

Ένα μαύρο σώμα είναι ένα θεωρητικό concept που αντιπροσωπεύει ένα ιδανικό απορροφητή και εκλυτή ακτινοβολίας.

Κανένα πραγματικό αντικείμενο δεν είναι ένα τέλειο μαύρο σώμα, αλλά κάποια αντικείμενα μπορούν να προσεγγίσουν αυτό το concept υπό συγκεκριμένες συνθήκες. Για παράδειγμα, μια κατακόλυμμα με ένα μικρό τρύπαμα μπορεί να λειτουργήσει ως μαύρο σώμα, επειδή οποιαδήποτε ακτινοβολία που εισέρχεται στο τρύπαμα παγιδεύεται μέσα και αντανακλάται πολλές φορές μέχρι να απορροφηθεί από τους τοίχους της κατακόλυμμα. Η ακτινοβολία που εκλύεται από το τρύπαμα είναι τότε χαρακτηριστική ενός μαύρου σώματος.

Ένα μαύρο σώμα δεν αντανακλά ή μεταφέρει καμία ακτινοβολία, αλλά μόνο απορροφά και εκλύει ακτινοβολία. Συνεπώς, ένα μαύρο σώμα φαίνεται μαύρο όταν είναι κρύο και δεν εκλύει ορατή ακτινοβολία. Ωστόσο, καθώς η θερμοκρασία ενός μαύρου σώματος αυξάνεται, εκλύει περισσότερη ακτινοβολία και το φάσμα του μετατοπίζεται προς μικρότερες μήκη. Σε υψηλές θερμοκρασίες, ένα μαύρο σώμα μπορεί να εκλύει ορατή ακτινοβολία και να φαίνεται κόκκινο, πορτοκαλί, κίτρινο, λευκό ή μπλε, ανάλογα με τη θερμοκρασία του.

Χαρακτηριστικά της Ακτινοβολίας του Μαύρου Σώματος

Το φάσμα της ακτινοβολίας του μαύρου σώματος είναι συνεχές και εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία του μαύρου σώματος. Το φάσμα μπορεί να περιγραφεί από δύο σημαντικές νόμους: τον νόμο της μετατόπισης του Wien και τον νόμο του Stefan-Boltzmann.

Νόμος της Μετατόπισης του Wien

Ο νόμος της μετατόπισης του Wien αναφέρει ότι η μήκος κύμα στο οποίο η ένταση της ακτινοβολίας του μαύρου σώματος είναι μέγιστη είναι αντιστρόφως ανάλογη με τη θερμοκρασία του μαύρου σώματος. Μαθηματικά, αυτό μπορεί να εκφραστεί ως:

όπου λmax είναι το μέγιστο μήκος κύμα, T είναι η απόλυτη θερμοκρασία του μαύρου σώματος, και b είναι μια σταθερά γνωστή ως σταθερά μετατόπισης του Wien, η οποία έχει τιμή 2.898×10−3 m K.

Ο νόμος της μετατόπισης του Wien εξηγεί γιατί η χρώμα ενός μαύρου σώματος αλλάζει με τη θερμοκρασία.

Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, το μέγιστο μήκος κύμα μειώνεται, και το φάσμα μετατοπίζεται προς μικρότερα μήκη. Για παράδειγμα, σε δωματιακή θερμοκρασία (περίπου 300 K), ένα μαύρο σώμα εκλύει κυρίως υπέρθερμη ακτινοβολία με μέγιστο μήκος κύμα περίπου 10 μm. Σε 1000 K, ένα μαύρο σώμα εκλύει κυρίως κόκκινη φωτεινή ακτινοβολία με μέγιστο μήκος κύμα περίπου 3 μm. Σε 6000 K, ένα μαύρο σώμα εκλύει κυρίως λευκή φωτεινή ακτινοβολία με μέγιστο μήκος κύμα περίπου 0.5 μm.

Νόμος του Stefan-Boltzmann

Ο νόμος του Stefan-Boltzmann αναφέρει ότι η συνολική ισχύς που εκλύεται ανά μονάδα επιφάνειας από ένα μαύρο σώμα είναι ανάλογη με την τέταρτη δύναμη της απόλυτης θερμοκρασίας του.

Μαθηματικά, αυτό μπορεί να εκφραστεί ως:

όπου Me είναι η συνολική ισχύς ανά μονάδα επιφάνειας (επίσης γνωστή ως εκλυτική ισχύς ή ακτινοβολία εξόδου), T είναι η απόλυτη θερμοκρασία του μαύρου σώματος, και σ είναι μια σταθερά γνωστή ως σταθερά του Stefan-Boltzmann, η οποία έχει τιμή 5.670×10−8 W m$^{-2}K^{-4}$.

Ο νόμος του Stefan-Boltzmann εξηγεί γιατί ένα μαύρο σώμα εκλύει περισσότερη ακτινοβολία όσο αυξάνεται η θερμοκρασία του. Για παράδειγμα, αν η θερμοκρασία ενός μαύρου σώματος διπλασιαστεί, η εκλυτική ισχύς του αυξάνεται 16 φορές.

Εφαρμογές της Ακτινοβολίας του Μαύρου Σώματος

Η ακτινοβολία του μαύρου σώματος έχει πολλές εφαρμογές σε διάφορους τομείς της επιστήμης και της τεχνολογίας. Κάποια παραδείγματα είναι:

• Στην αστρονομία, οι αστέρες μπορούν να προσεγγίσουν ως μαύρα σώματα, και οι θερμοκρασίες τους μπορούν να εκτιμη