Nigra Korpo Radiado: Difino Karakteristikoj kaj Aplikoj

Nigra korpo estas difinita kiel idealigita objekto, kiu absorbas ĉiujn elektromagnetajn radiadojn, kiuj falas sur ĝin, kaj emetas radiadon kun kontinua spektraĵo, kiu dependas nur de ĝia temperaturo. Nigra korpa radiado estas la termalradiado, eldonita de nigra korpo en termodinamika ekvilibro kun siaj ĉirkaŭaĵoj. Nigra korpa radiado havas multajn aplikojn en fiziko, astronomio, inĝenierarto, kaj aliaj fakoj.

Kio estas nigra korpo?

Nigra korpo estas teoria koncepto, kiu reprezentas idealan absorbon kaj emitan de radiado.

Neniu reala objekto estas perfekta nigra korpo, sed iuj objektoj povas proksimiĝi al ĝi sub certaj kondiĉoj. Ekzemple, kaveto kun malgranda truo povas agi kiel nigra korpo, ĉar ĉiu radiado, kiu eniras la truon, estas trapasigita interne kaj reflektata multfoje ĝis ĝi estas absorbita de la muroj de la kaveto. La radiado, eldonita per la truo, tiam karakterizas nigran korpon.

Nigra korpo ne reflektas aŭ transdonas iun radiadon; ĝi nur absorbadas kaj emitas radiadon. Tial, nigra korpo ŝajnas nigra, kiam ĝi estas malvarma kaj ne eldonas vidan lumon. Tamen, kiam la temperaturo de nigra korpo pligrandigas, ĝi emitas pli da radiado kaj ĝia spektraĵo ŝanĝiĝas al pli mallongaj ondolongoj. Je alta temperaturo, nigra korpo povas emiti vidan lumon kaj ŝajni ruĝa, oranĝa, flava, blanka, aŭ blua, depende de ĝia temperaturo.

Carakteristiko de nigra korpa radiado

La spektraĵo de nigra korpa radiado estas kontinua kaj dependas nur de la temperaturo de la nigra korpo. La spektraĵo povas esti priskribita per du gravaj leĝoj: Wien’sa dislokiglea leĝo kaj Stefan-Boltzmann’ leĝo.

Wien’sa dislokiglea leĝo

Wien’sa dislokiglea leĝo statas, ke la ondolongo, je kiu la intensitivo de nigra korpa radiado estas maksimuma, estas inverse proporcia al la temperaturo de la nigra korpo. Matematike, ĉi tio povas esti esprimita kiel:

kie λmax estas la maksimuma ondolongo, T estas la absoluta temperaturo de la nigra korpo, kaj b estas konstanto, sciata kiel Wien’sa dislokiglea konstanto, kies valoro estas 2.898×10−3 m K.

Wien’sa dislokiglea leĝo klarigas, kial la koloro de nigra korpo ŝanĝiĝas kun la temperaturo.

Kiam la temperaturo pligrandigas, la maksimuma ondolongo malgrandiĝas, kaj la spektraĵo ŝanĝiĝas al pli mallongaj ondolongoj. Ekzemple, je ĉambrotemperaturo (ĉirkaŭ 300 K), nigra korpo emitas plejparte infraranĝan radiadon kun maksimuma ondolongo de ĉirkaŭ 10 μm. Je 1000 K, nigra korpo emitas plejparte ruĝan lumon kun maksimuma ondolongo de ĉirkaŭ 3 μm. Je 6000 K, nigra korpo emitas plejparte blankan lumon kun maksimuma ondolongo de ĉirkaŭ 0.5 μm.

Stefan-Boltzmann’ leĝo

Stefan-Boltzmann’ leĝo statas, ke la totala potenco, eldonita per unuareo de nigra korpo, estas proporcia al la kvara potenco de ĝia absoluta temperaturo.

Matematike, ĉi tio povas esti esprimita kiel:

kie Me estas la totala potenco per unuareo (ankaŭ sciata kiel emisa potenco aŭ radianta eliro), T estas la absoluta temperaturo de la nigra korpo, kaj σ estas konstanto, sciata kiel Stefan-Boltzmann’ konstanto, kies valoro estas 5.670×10−8 W m$^{-2}K^{-4}$.

Stefan-Boltzmann’ leĝo klarigas, kial nigra korpo emitas pli da radiado, kiam ĝia temperaturo pligrandigas. Ekzemple, se la temperaturo de nigra korpo duobliĝas, ĝia emisa potenco pligrandigas 16-oble.

Aplikoj de nigra korpa radiado

Nigra korpa radiado havas multajn aplikojn en diversaj fakoj de scienco kaj teknologio. Iuj ekzemploj estas:

• En astronomio, steloj povas esti aproksimataj kiel nigraj korpoj, kaj iliaj temperaturoj povas esti taksitaj el iliaj spektraĵoj uzante Wien’san dislokiglean leĝon.

   

• Ekzemple, la suno havas efektivan surfacan temperaturon de ĉirkaŭ 5800 K kaj emitas plejparte vidan lumon kun maksimuma ondolongo de ĉirkaŭ 0.5 μm.

• En inĝenierarto, termalbildaj aparatoj uzas infraranĝajn kamerojn por detekti la varmon, eldonitan de objektoj, bazitajn sur iliaj temperaturoj uzante Stefan-Boltzmann’ leĝon.

   

• Termalbildado povas esti uzata por sekureco, sorveilo, pompiro, medicina diagnozo, kaj aliaj celoj.

• En fiziko, nigra korpa radiado estis unu el la fenomenoj, kiuj kondukis al la evoluigo de kvantuma teorio en la frua 20-a jarcento.

   

• Klasika fiziko ne povis klarigi, kial la spektraĵo de nigra korpa radiado devias de la Rayleigh-Jeans’ leĝo je alta frekvenco kaj produktas senfinan energion, sciatan kiel ultraviola katastrofo. Max Planck proponis, ke energio estas kvantigita kaj emitas diskretajn unuojn, sciatajn kiel kvantoj aŭ fotonoj, por solvi ĉi tiun problemon. Planck’ leĝo priskribas la spektraĵon de nigra korpa radiado uzante kvantuman teorion.

Résumé

• Nigra korpo estas idealigita objekto, kiu absorbas ĉiujn incidentajn radiadojn kaj emitas radiadon kun kontinua spektraĵo, kiu dependas nur de ĝia temperaturo.

• Nigra korpa radiado estas la termalradiado, eldonita de nigra korpo en termodinamika ekvilibro kun siaj ĉirkaŭaĵoj.

• Wien’sa dislokiglea leĝo statas, ke la maksimuma ondolongo de nigra korpa radiado estas inverse proporcia al ĝia temperaturo.

• Stefan-Boltzmann’ leĝo statas, ke la totala potenco, eldonita per unuareo de nigra korpo, estas proporcia al la kvara potenco de ĝia temperaturo.

• Nigra korpa radiado havas multajn aplikojn en fiziko, astronomio, inĝenierarto, kaj aliaj fakoj.