קרינת גוף שחור: הגדרה, מאפיינים ומשתמעויות
גוף שחור מוגדר כחפץ אידיאלי שמקבל את כל הקרינה האלקטרומגנטית שנופלת עליו ומפליט קרינה עם ספקטרום רציף שמתבסס רק על הטמפרטורה שלו. קרינת גוף שחור היא הקרינה התרמית שמופלטת מגוף שחור הנמצא בשווי משקל תרמודינמי עם סביבתו. לקרינת גוף שחור יש יישומים רבים בפיזיקה, אסטרונומיה, הנדסה ובתחומים אחרים.
מהו גוף שחור
גוף שחור הוא מושג תאורטי המייצג מפצל ופולט אידיאלי של קרינה.
אין חפץ אמיתי שהוא גוף שחור מושלם, אך חלק מהחפצים יכולים להתקרב אליו בתנאים מסוימים. למשל, חלל עם חור קטן יכול לשמש כגוף שחור, כי כל הקרינה שנכנסת לחור נתקעת בתוך החלל ונשזרת פעמים רבות עד שהיא נבלעת על ידי קירות החלל. הקרינה המופלטת מהחור היא אז מאפיינת גוף שחור.
גוף שחור אינו משקף או מעביר כל קרינה; הוא רק מקבל ומפליט קרינה. לכן, גוף שחור נראה שחור כאשר הוא קר ולא מפליט אור נראה. עם זאת, כשהטמפרטורה של גוף שחור עולה, הוא מפליט יותר קרינה והספקטרום שלו מזוז לגלים קצרים יותר. בטמפרטורות גבוהות, גוף שחור יכול להפליט אור נראה ולהראות אדום, כתום, צהוב, לבן או כחול בהתאם לטמפרטורתו.
מאפייני קרינת גוף שחור
הספקטרום של קרינת גוף שחור הוא רציף תלוי רק בטמפרטורה של גוף השחור. הספקטרום ניתן לתיאור על ידי שני חוקים חשובים: חוק הזזה של וין וחוק סטפן-בולצמן.
חוק הזזה של וין
חוק הזזה של וין קובע שהגל understated בה צפיפות הקרינה מגיעה לשיא היא הפוכה לטמפרטורה של גוף השחור. מתמטית, ניתן לבטא זאת כך:
כאשר λmax הוא גל understated בשיא, T היא הטמפרטורה המוחלטת של גוף השחור, ו-b הוא קבוע ידוע כקבוע הזזה של וין, שערך שלו הוא 2.898×10−3 מ'K.
חוק הזזה של וין מסביר מדוע הצבע של גוף שחור משתנה עם הטמפרטורה.
כשהטמפרטורה עולה, גל understated בשיא יורד, והספקטרום מזוז לגלים קצרים יותר. למשל, בטמפרטורת החדר (כ-300 K), גוף שחור מפליט בעיקר קרינת אינפרא אדום עם גל understated בשיא של כ-10 μm. בטמפרטורה של 1000 K, גוף שחור מפליט בעיקר אור אדום עם גל understated בשיא של כ-3 μm. בטמפרטורה של 6000 K, גוף שחור מפליט בעיקר אור לבן עם גל understated בשיא של כ-0.5 μm.
חוק סטפן-בולצמן
חוק סטפן-בולצמן קובע שהכוח הכולל המופלט לשטח יחידה על ידי גוף שחור פרופורציוני לארבעת חזקות הטמפרטורה המוחלטת שלו.
מתמטית, ניתן לבטא זאת כך:
כאשר Me הוא הכוח הכולל לשטח יחידה (ידוע גם ככח פליטה או יציאת קרינה), T היא הטמפרטורה המוחלטת של גוף השחור, ו-σ הוא קבוע ידוע כקבוע סטפן-בולצמן, שערך שלו הוא 5.670×10−8 W m$^{-2}K^{-4}$.
חוק סטפן-בולצמן מסביר מדוע גוף שחור מפליט יותר קרינה ככל שהטמפרטורה שלו עולה. למשל, אם הטמפרטורה של גוף שחור מכפילה, כח הפליטה שלו עולך פי 16.
יישומי קרינת גוף שחור
קרינת גוף שחור יש לה יישומים רבים בתחומים שונים של מדע וטכנולוגיה. כמה דוגמאות הן:
באסטרונומיה, כוכבים יכולים להיות מוחזרים כגופים שחורים, וטמפרטורתם יכולה להוערך מהספקטרום שלהם באמצעות חוק הזזה של וין.
השמש, למשל, יש לה טמפרטורת פני שטח אפקטיבית של כ-5800 K ומפליטה בעיקר אור נראה עם גל understated בשיא של כ-0.5 μm.
בהנדסה, מכשירי הדמיה תרמית משתמשים במצלמות אינפרא אדום כדי לזהות את החום המופלט על ידי חפצים בהתאם לטמפרטורתם באמצעות חוק סטפן-בולצמן.
הדמיה תרמית יכולה לשמש לביטחון, פיקוח, כיבוי אש, אבחון רפואי ותכליסים אחרים.
בפיזיקה, קרינת גוף שחור הייתה אחד מהתופעה שהובילו לפיתוח התיאוריה הקוונטית בתחילת המאה ה-20.
פיזיקה קלאסית לא הצליחה להסביר מדוע הספקטרום של קרינת גוף שחור סוטה מחוק ריילי-ג'ינס בתדרים גבוהים ומייצר אנרגיה אינסופית הידועה כקטסטרופה אולטרה סגול. מקס פלאנק הציע שהאנרגיה היא קוונטית ומופלטת ביחידות בדידות הידועות כקוואנטים או פוטונים כדי לפתור בעיה זו. חוק פלאנק מתאר את הספקטרום של קרינת גוף שחור באמצעות תיאוריה קוונטית.
סיכום
גוף שחור הוא חפץ אידיאלי שמקבל את כל הקרינה הנופלת עליו ומפליט קרינה עם ספקטרום רציף שמתבסס רק על הטמפרטורה שלו.
קרינת גוף שחור היא הקרינה התרמית שמופלטת מגוף שחור הנמצא בשווי משקל תרמודינמי עם סביבתו.
חוק הזזה של וין קובע שהגל understated בשיא של קרינת גוף שחור הוא הפוך לטמפרטורה שלו.
חוק סטפן-בולצמן קובע שהכוח הכולל המופלט לשטח יחידה על ידי גוף שחור פרופורציוני לארבעת חזקות הטמפרטורה שלו.
קרינת גוף שחור יש לה יישומים רבים בפיזיקה, אסטרונומיה, הנדסה ובתחומים אחרים.
הצהרה: כבוד למקור, מאמרים טובים שראויים לחלוק, במידה ויש הפרת זכויות יוצרים אנא צור קשר לנמחוק.
