Црно телесно зрачење: Дефиниција карактеристики и применливи области
Чрна тело е дефинирано како идеализиран објект кој ги апсорбира сите електромагнетни зраци што падаат на него и испушта зрачење со непрекинат спектрум што зависи само од неговата температура. Зрачењето на чрното тело е термалното зрачење испуштено од чрното тело во термодинамичка равновесие со неговата околина. Зрачењето на чрното тело има многу применени во физиката, астрономијата, инженерството и други полиња.
Што е чрно тело?
Чрното тело е теоретски концепт кој претставува идеален апсорбер и издавач на зрачење.
Ниту еден реален објект не е савшен чрно тело, но некои објекти можат да го приближат под одредени услови. На пример, кавитет со мала дупка може да функционира како чрно тело, бидејќи секое зрачење што влезе во дупката е запленето внатре и многу пати се рефлектира додека не биде апсорбирано од стените на кавитетот. Зрачењето испуштено од дупката тогаш е карактеристично за чрно тело.
Чрното тело не рефлектира или пропуснува никакво зрачење; тоа само го апсорбира и испушта зрачење. Затоа, чрното тело изгледа црно кога е холодно и не испуштува видливо светло. Меѓутоа, кога температурата на чрното тело се зголемува, тоа испуштува повеќе зрачење и неговиот спектрум се преместува кон пократки таласни должини. При високи температури, чрното тело може да испуштува видливо светло и да изгледа црвено, поранжево, жолто, бело или сино, во зависност од неговата температура.
Кarakтеристики на зрачењето на чрното тело
Спектрот на зрачењето на чрното тело е непрекинат и зависи само од температурата на чрното тело. Спектрот може да се опише со две важни закони: Виенов закон за преместување и Стафан-Болцманов закон.
Виенов закон за преместување
Виенов закон за преместување вели дека таласната должина на која интензитетот на зрачењето на чрното тело е максимален е обратно пропорционална на температурата на чрното тело. Математички, ова може да се изрази како:
каде λmax е врвната таласна должина, T е абсолютната температура на чрното тело, а b е константа позната како Виенова константа за преместување, која има вредност 2.898×10−3 m K.
Виенов закон за преместување објаснува зошто бојата на чрното тело се менува со температурата.
Како температурата се зголемува, врвната таласна должина се намалува, и спектрот се преместува кон пократки таласни должини. На пример, при собна температура (око 300 K), чрното тело најпрево испуштува инфрацрвено зрачење со врвна таласна должина околу 10 μm. При 1000 K, чрното тело најпрево испуштува црвено светло со врвна таласна должина околу 3 μm. При 6000 K, чрното тело најпрево испуштува бело светло со врвна таласна должина околу 0.5 μm.
Стефан-Болцманов закон
Стефан-Болцманов закон вели дека целосната моќ испуштена по единица површина од страна на чрното тело е пропорционална на четвртата степен на неговата абсолютна температура.
Математички, ова може да се изрази како:
каде Me е целосната моќ по единица површина (позната и како емисивна моќ или радијантна излегување), T е абсолютната температура на чрното тело, а σ е константа позната како Стефан-Болцманова константа, која има вредност 5.670×10−8 W m$^{-2}K^{-4}$.
Стефан-Болцмановиот закон објаснува зошто чрното тело испуштува повеќе зрачење како што неговата температура се зголемува. На пример, ако температурата на чрното тело се удвоструи, неговата емисивна моќ се зголемува 16 пати.
Применувања на зрачењето на чрното тело
Зрачењето на чрното тело има многу применени во различни полиња на науката и технологијата. Неколку примери се:
Во астрономијата, звездите можат да се приближат како чрни тела, и нивните температури можат да се проценат од нивните спектри користејќи Виенов закон за преместување.
На пример, Сонцето има ефективна површинска температура околу 5800 K и најпрево испуштува видливо светло со врвна таласна должина околу 0.5 μm.
Во инженерството, термалните уреди за сликање користат инфрацрвени камери за детектирање на топлината испуштена од објекти во зависност од нивните температури користејќи Стефан-Болцмановиот закон.
Термалното сликање може да се користи за безбедност, надзор, гашење на пожари, медицинска дијагностика и други цели.
Во физиката, зрачењето на чрното тело беше едно од феномените што доведе до развојот на квантната теорија во почетокот на 20 век.
Класичната физика не можеше да објасни зошто спектрот на зрачењето на чрното тело се одлакува од Релеј-Џинсовиот закон при високи фреквенции и произведува бесконечна енергија позната како ултравиолетна катастрофа. Макс Планк предложи дека енергијата е квантизирана и испуштена во дискретни единици познати како квантуми или фотони за да се реши овој проблем. Планковиот закон опишува спектрот на зрачењето на чрното тело користејќи квантна теорија.
Сума
