काला शरीर विकिरण: परिभाषा, विशेषताएँ और अनुप्रयोग

एक काला शरीर एक आदर्शीकृत वस्तु के रूप में परिभाषित किया जाता है जो उस पर पड़ने वाली सभी विद्युत-चुम्बकीय विकिरण को अवशोषित करता है और एक निरंतर स्पेक्ट्रम वाला विकिरण उत्सर्जित करता है, जो केवल इसके तापमान पर निर्भर करता है। काले शरीर का विकिरण एक काले शरीर द्वारा थर्मोडायनामिक संतुलन में अपने आसपास के साथ उत्सर्जित थर्मल विकिरण है। काले शरीर के विकिरण की भौतिकी, खगोल विज्ञान, इंजीनियरिंग और अन्य क्षेत्रों में कई अनुप्रयोग हैं।

काला शरीर क्या है?

काला शरीर एक सैद्धांतिक अवधारणा है जो विकिरण के एक आदर्श अवशोषक और उत्सर्जक का प्रतिनिधित्व करता है।

कोई वास्तविक वस्तु एक पूर्ण काला शरीर नहीं होती, लेकिन कुछ वस्तुएं निश्चित स्थितियों में इसका अनुमान लगा सकती हैं। उदाहरण के लिए, एक छोटे से छेद वाला गुहा एक काले शरीर की तरह कार्य कर सकता है, क्योंकि छेद में प्रवेश करने वाला कोई भी विकिरण छेद में फंस जाता है और बहुत बार परावर्तित होता है जब तक कि यह गुहा की दीवारों द्वारा अवशोषित नहीं हो जाता। छेद द्वारा उत्सर्जित विकिरण तब काले शरीर की विशेषताओं का होता है।

काला शरीर किसी भी विकिरण को परावर्तित या प्रवर्तित नहीं करता; यह केवल विकिरण को अवशोषित और उत्सर्जित करता है। इसलिए, जब काला शरीर ठंडा होता है और कोई दृश्य रूप से प्रकाश उत्सर्जित नहीं करता, तो यह काला दिखाई देता है। हालांकि, जैसे-जैसे काले शरीर का तापमान बढ़ता है, यह अधिक विकिरण उत्सर्जित करता है और इसका स्पेक्ट्रम छोटे तरंगदैर्घ्य की ओर स्थानांतरित होता है। उच्च तापमान पर, काला शरीर दृश्य प्रकाश उत्सर्जित कर सकता है और इसका रंग तापमान पर निर्भर करता हुआ लाल, नारंगी, पीला, सफेद या नीला दिखाई दे सकता है।

काले शरीर के विकिरण की विशेषताएं

काले शरीर के विकिरण का स्पेक्ट्रम निरंतर होता है और केवल काले शरीर के तापमान पर निर्भर करता है। स्पेक्ट्रम को दो महत्वपूर्ण नियमों से वर्णित किया जा सकता है: वीन का विस्थापन नियम और स्टेफन-बोल्ट्जमन नियम।

वीन का विस्थापन नियम

वीन का विस्थापन नियम बताता है कि काले शरीर के विकिरण की तीव्रता का अधिकतम मान वाला तरंगदैर्घ्य, काले शरीर के तापमान के व्युत्क्रमानुपाती होता है। गणितीय रूप से, इसे निम्नलिखित रूप में व्यक्त किया जा सकता है:

जहां λmax अधिकतम तरंगदैर्घ्य है, T काले शरीर का निरपेक्ष तापमान है, और b वीन का विस्थापन स्थिरांक है, जिसका मान 2.898×10−3 m K है।

वीन का विस्थापन नियम यह समझाता है कि काले शरीर का रंग तापमान के साथ बदलता है।

जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, अधिकतम तरंगदैर्घ्य कम होता है, और स्पेक्ट्रम छोटे तरंगदैर्घ्य की ओर स्थानांतरित होता है। उदाहरण के लिए, कमरे के तापमान (लगभग 300 K) पर, काला शरीर लगभग 10 μm के अधिकतम तरंगदैर्घ्य के साथ अधिकतर इन्फ्रारेड विकिरण उत्सर्जित करता है। 1000 K पर, काला शरीर लगभग 3 μm के अधिकतम तरंगदैर्घ्य के साथ अधिकतर लाल प्रकाश उत्सर्जित करता है। 6000 K पर, काला शरीर लगभग 0.5 μm के अधिकतम तरंगदैर्घ्य के साथ अधिकतर सफेद प्रकाश उत्सर्जित करता है।

स्टेफन-बोल्ट्जमन नियम

स्टेफन-बोल्ट्जमन नियम बताता है कि काले शरीर द्वारा इकाई क्षेत्रफल पर उत्सर्जित कुल शक्ति, इसके निरपेक्ष तापमान के चौथे घात के अनुक्रमानुपाती होती है।

गणितीय रूप से, इसे निम्नलिखित रूप में व्यक्त किया जा सकता है:

जहां Me इकाई क्षेत्रफल पर कुल शक्ति (जिसे उत्सर्जित शक्ति या रेडिएंट एग्जिटेंस भी कहा जाता है), T काले शरीर का निरपेक्ष तापमान है, और σ स्टेफन-बोल्ट्जमन स्थिरांक है, जिसका मान 5.670×10−8 W m$^{-2}K^{-4}$ है।

स्टेफन-बोल्ट्जमन नियम यह समझाता है कि काला शरीर अपने तापमान के साथ बढ़ते हुए अधिक विकिरण उत्सर्जित करता है। उदाहरण के लिए, यदि काले शरीर का तापमान दोगुना हो जाता है, तो इसकी उत्सर्जित शक्ति 16 गुना बढ़ जाती है।

काले शरीर के विकिरण के अनुप्रयोग

काले शरीर के विकिरण का विज्ञान और प्रौद्योगिकी के विभिन्न क्षेत्रों में कई अनुप्रयोग हैं। कुछ उदाहरण इस प्रकार हैं:

• खगोल विज्ञान में, तारे काले शरीर के रूप में अनुमानित किए जा सकते हैं, और उनके तापमान को उनके स्पेक्