Fekete test sugárzása: Definíció jellemzők és alkalmazások
A feketetest definiálva van egy idealizált objektumként, amely minden elektromágneses sugárzást elnyeli, és egy folytonos spektrummal, amely csak a hőmérsékletétől függ. A feketetest sugárzás a feketetest által kibocsátott hőmérsékleti sugárzás, amely termodinamikai egyensúlyban áll a környezetével. A feketetest sugárzásnak számos alkalmazása van a fizikában, csillagászatban, mérnöki tudományokban és más területeken.
Mi az a feketetest?
A feketetest egy elméleti fogalom, amely egy ideális abszorber és sugarázó jellemzőit képviseli.
Nincs valós objektum, ami tökéletes feketetest lenne, de néhány objektum közelítheti meg ezt bizonyos feltételek mellett. Például, egy lyukas üreg úgy viselkedhet, mint egy feketetest, mert bármilyen sugárzás, ami a lyukon keresztül belép, beleszakad, sokszor visszaverődik, és végül elnyeli az üreg falai. A lyukon keresztül kibocsátott sugárzás a feketetest jellemzői szerint alakul.
A feketetest nem tükrözi vagy nem továbbítja a sugárzást; csak elnyeli és kibocsátja. Így, ha a feketetest hideg, akkor feketén látszik, mivel nem kibocsát láttható fényt. Azonban, ahogy a feketetest hőmérséklete növekszik, annál több sugárzást kibocsát, és a spektruma rövidebb hullámhosszakra tolódik. Magas hőmérsékleten a feketetest látható fényt is kibocsát, és piros, narancssárga, sárga, fehér vagy kék színű lehet, attól függően, hogy mekkora a hőmérséklete.
A feketetest sugárzásának jellemzői
A feketetest sugárzásának spektruma folytonos, és csak a feketetest hőmérsékletétől függ. A spektrumot két fontos törvény írja le: a Wien-diszplacéri törvény és a Stefan-Boltzmann törvény.
Wien-diszplacéri törvény
A Wien-diszplacéri törvény szerint a feketetest sugárzásának intenzitásának maximuma olyan hullámhossznál jelenik meg, ami fordítottan arányos a feketetest hőmérsékletével. Matematikailag ez a következőképpen fejezhető ki:
ahol λmax a maximális intenzitású hullámhossz, T a feketetest abszolut hőmérséklete, és b a Wien-diszplacéri konstans, aminek értéke 2.898×10−3 m K.
A Wien-diszplacéri törvény magyarázza, miért változik a feketetest színe a hőmérséklettel.
Ahogy a hőmérséklet növekszik, a maximális intenzitású hullámhossz csökken, és a spektrum rövidebb hullámhosszakra tolódik. Például, szobahőmérsékleten (kb. 300 K) a feketetest főleg infravörös sugárzást bocsát ki, ahol a maximális intenzitású hullámhossz kb. 10 μm. 1000 K-nél a feketetest főleg piros fényt bocsát ki, ahol a maximális intenzitású hullámhossz kb. 3 μm. 6000 K-nél a feketetest főleg fehér fényt bocsát ki, ahol a maximális intenzitású hullámhossz kb. 0.5 μm.
Stefan-Boltzmann törvény
A Stefan-Boltzmann törvény szerint a feketetest által egységfelületenként kibocsátott teljes teljesítmény arányos a hőmérsékletének negyedik hatványával.
Matematikailag ez a következőképpen fejezhető ki:
ahol Me az egységfelületenként kibocsátott teljesítmény (emissív teljesítmény vagy sugarázó kimenet), T a feketetest abszolut hőmérséklete, és σ a Stefan-Boltzmann konstans, aminek értéke 5.670×10−8 W m$^{-2}K^{-4}$.
A Stefan-Boltzmann törvény magyarázza, miért emelkedik a feketetest által kibocsátott sugárzás a hőmérséklet növekedésével. Például, ha a feketetest hőmérséklete duplázódik, az emissív teljesítmény 16-szerese lesz.
A feketetest sugárzás alkalmazásai
A feketetest sugárzásnak számos alkalmazása van a tudomány és technológia különböző területein. Néhány példa:
A csillagászatban a csillagokat feketetestekkel közelíthetjük, és hőmérsékletüket spektrumukból becslhetjük a Wien-diszplacéri törvény segítségével.
A Nap például hatékony felületi hőmérséklete kb. 5800 K, és főleg látványos fényt bocsát ki, ahol a maximális intenzitású hullámhossz kb. 0.5 μm.
A mérnöki tudományokban a hőképek infravörös kamerákat használnak, hogy az objektumok által kibocsátott hőt detektálják a hőmérsékletüktől függően a Stefan-Boltzmann törvény alapján.
A hőképek használhatók biztonsági, ellenőrzési, tűzoltói, orvosi diagnosztikai és más célokra.
A fizikában a feketetest sugárzás volt az egyik jelenség, ami a 20. század elején a kvantumelmélet kifejlesztéséhez vezetett.
A klasszikus fizika nem tudta megmagyarázni, hogy miért tér el a feketetest sugárzás spektruma a Rayleigh-Jeans törvénytől magas frekvenciák esetén, és miért eredményez végtelen energiát, amit ultravilágos katasztrófának neveztek. Max Planck javasolta, hogy az energia kvantizált, és diszkrét egységekben, kvantumokban vagy fotonokban bocsát ki. A Planck törvény leírja a feketetest sugárzás spektrumát a kvantumelmélet alapján.
Összegzés
A feketetest egy idealizált objektum, amely minden befutó sugárzást elnyeli, és egy folytonos spektrummal sugaráz, amely csak a hőmérsékletétől függ.
