Sort stråling: Definisjon karakteristika og anvendelser

En svart kropp defineres som et idealisert objekt som absorberer all elektromagnetisk stråling som treffer den og utstråler stråling med en kontinuerlig spekter som bare avhenger av dens temperatur. Svart kropp stråling er den termiske strålingen som utstråles av en svart kropp i termodynamisk likevekt med omgivelsene. Svart kropp stråling har mange anvendelser innen fysikk, astronomi, teknikk og andre felt.

Hva er en svart kropp?

En svart kropp er et teoretisk konsept som representerer en ideal absorberer og utstråler av stråling.

Ingen reelt objekt er en perfekt svart kropp, men noen objekter kan tilnærme det under visse forhold. For eksempel kan en hule med et lite hull fungere som en svart kropp, fordi all stråling som går inn gjennom hullet blir fanget inne og reflektert mange ganger før den blir absorbert av hulens vegger. Strålingen som utstråles av hullet er da karakteristisk for en svart kropp.

En svart kropp reflekterer eller transmitterer ikke noen stråling; den absorberer og utstråler kun stråling. Derfor ser en svart kropp svart ut når den er kald og ikke utstråler synlig lys. Når temperaturen på en svart kropp øker, utstråler den mer stråling, og dens spekter flytter seg mot kortere bølgelengder. Ved høy temperatur kan en svart kropp utstråle synlig lys og se rød, oransje, gul, hvit eller blå ut, avhengig av dens temperatur.

Egenskaper ved svart kropp stråling

Spekteret for svart kropp stråling er kontinuerlig og avhenger bare av temperaturen på svart kroppen. Spekteret kan beskrives ved to viktige lover: Wien’s forskyvningslov og Stefan-Boltzmanns lov.

Wien’s forskyvningslov

Wien’s forskyvningslov sier at bølgelengden der intensiteten av svart kropp stråling er maksimal, er invers proporsjonal med temperaturen på svart kroppen. Matematisk kan dette uttrykkes som:

der λmax er toppbølgelengde, T er absolutttemperaturen til svart kroppen, og b er en konstant kjent som Wien’s forskyvningkonstant, som har en verdi på 2,898×10−3 m K.

Wien’s forskyvningslov forklarer hvorfor fargen på en svart kropp endrer seg med temperaturen.

Når temperaturen øker, minsker toppbølgelengden, og spekteret flytter seg mot kortere bølgelengder. For eksempel ved romtemperatur (omkring 300 K), utstråler en svart kropp hovedsakelig infrarødt lys med en toppbølgelengde på omtrent 10 μm. Ved 1000 K, utstråler en svart kropp hovedsakelig rødt lys med en toppbølgelengde på omtrent 3 μm. Ved 6000 K, utstråler en svart kropp hovedsakelig hvitt lys med en toppbølgelengde på omtrent 0,5 μm.

Stefan-Boltzmanns lov

Stefan-Boltzmanns lov sier at den totale effekten utstrålt per arealenhet av en svart kropp er proporsjonal med den fjerde potensen av dens absolutte temperatur.

Matematisk kan dette uttrykkes som:

der Me er den totale effekten per arealenhet (også kjent som emissiv effekt eller strålingsutgang), T er den absolutte temperaturen til svart kroppen, og σ er en konstant kjent som Stefan-Boltzmann-konstant, som har en verdi på 5,670×10−8 W m−2K−4.

Stefan-Boltzmanns lov forklarer hvorfor en svart kropp utstråler mer stråling når temperaturen øker. For eksempel, hvis temperaturen på en svart kropp dobles, øker dens emissiveffekt med 16 ganger.

Anvendelser av svart kropp stråling

Svart kropp stråling har mange anvendelser innen ulike felt av vitenskap og teknologi. Noen eksempler er:

• Innen astronomi kan stjerner tilnærmet som svarte kropp, og deres temperaturer kan estimeres fra deres spekter ved hjelp av Wien’s forskyvningslov.

   

• Sol, for eksempel, har en effektiv overfladetemperatur på omtrent 5800 K og utstråler hovedsakelig synligt lys med en toppbølgelengde på omtrent 0,5 μm.

• Innen teknikk bruker termiske bildedevisere infrarøde kameraer for å oppdage varmen utstrålt av objekter basert på deres temperaturer ved hjelp av Stefan-Boltzmanns lov.

   

• Termisk bildeteknologi kan brukes for sikkerhet, overvåking, brannkjemping, medisinsk diagnose og andre formål.

• Innen fysikk var svart kropp stråling ett av fenomenene som ledet til utviklingen av kvanteteori i begynnelsen av 1900-tallet.

   

• Klassisk fysikk kunne ikke forklare hvorfor spekteret for svart kropp stråling avvek fra Rayleigh-Jeans-loven ved høye frekvenser og produserte en uendelig energi kjent som ultraviolett katastrofen. Max Planck foreslo at energi var kvantisert og utstrålt i diskrete enheter kalt kvanta eller fotoner for å løse dette problemet. Plancks lov beskriver spekteret for svart kropp stråling ved hjelp av kvanteteori.

Sammendrag

• En svart kropp er et idealisert objekt som absorberer all innfallende stråling og utstråler stråling med et kontinuerlig spekter som bare avhenger av dens temperatur.

• Svart kropp stråling er den termiske strålingen som utstråles av en svart kropp i termodynamisk likevekt med omgivelsene.

• Wien’s forskyvningslov sier at toppbølgelengden for svart kropp stråling er invers proporsjonal med dens temperatur.

• Stefan-Boltzmanns lov sier at den totale effekten utstrålt per arealenhet av en svart kropp er proporsjonal med den fjerde potensen av dens temperatur.

• Svart kropp stråling har mange anvendelser innen fysikk, astronomi, teknikk og andre felt.

Erklæring: Respektér det opprinnelige, gode artikler verd igjen, hvis det foreligger overtredelse, vennligst kontakt for sletting.