Черное тело излучение: определение характеристики и применения

Черное тело определяется как идеализированный объект, который поглощает все электромагнитное излучение, падающее на него, и излучает излучение с непрерывным спектром, зависящим только от его температуры. Излучение черного тела - это тепловое излучение, испускаемое черным телом в термодинамическом равновесии со своими окружениями. Излучение черного тела имеет множество применений в физике, астрономии, инженерии и других областях.

Что такое Черное тело?

Черное тело - это теоретическое понятие, представляющее собой идеальный поглотитель и излучатель излучения.

Ни один реальный объект не является идеальным черным телом, но некоторые объекты могут приближаться к нему при определенных условиях. Например, полость с маленьким отверстием может действовать как черное тело, потому что любое излучение, попадающее в отверстие, запирается внутри и многократно отражается, пока не будет поглощено стенками полости. Излучение, испускаемое отверстием, затем характеризуется черным телом.

Черное тело не отражает и не пропускает никакого излучения; оно только поглощает и излучает излучение. Поэтому черное тело выглядит черным, когда оно холодное и не излучает видимый свет. Однако, по мере увеличения температуры черного тела, оно излучает больше излучения, и его спектр смещается к более коротким длинам волн. При высоких температурах черное тело может излучать видимый свет и выглядеть красным, оранжевым, желтым, белым или синим в зависимости от его температуры.

Характеристики излучения черного тела

Спектр излучения черного тела непрерывен и зависит только от температуры черного тела. Спектр можно описать с помощью двух важных законов: закона Вина и закона Стефана-Больцмана.

Закон Вина

Закон Вина утверждает, что длина волны, при которой интенсивность излучения черного тела максимальна, обратно пропорциональна температуре черного тела. Математически это можно выразить следующим образом:

где λmax - пиковая длина волны, T - абсолютная температура черного тела, а b - постоянная, известная как постоянная Вина, которая имеет значение 2,898×10−3 м К.

Закон Вина объясняет, почему цвет черного тела меняется с температурой.

По мере увеличения температуры пиковая длина волны уменьшается, и спектр смещается к более коротким длинам волн. Например, при комнатной температуре (около 300 К) черное тело излучает в основном инфракрасное излучение с пиковой длиной волны около 10 μм. При 1000 К черное тело излучает в основном красный свет с пиковой длиной волны около 3 μм. При 6000 К черное тело излучает в основном белый свет с пиковой длиной волны около 0,5 μм.

Закон Стефана-Больцмана

Закон Стефана-Больцмана утверждает, что общая мощность, излучаемая единицей площади черным телом, пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры.

Математически это можно выразить следующим образом:

где Me - общая мощность, излучаемая единицей площади (также известная как эмиссионная мощность или радиантная выходная мощность), T - абсолютная температура черного тела, а σ - постоянная, известная как постоянная Стефана-Больцмана, которая имеет значение 5,670×10−8 Вт м$^{-2}K^{-4}$.

Закон Стефана-Больцмана объясняет, почему черное тело излучает больше излучения по мере увеличения его температуры. Например, если температура черного тела удваивается, его эмиссионная мощность увеличивается в 16 раз.

Применение излучения черного тела

Излучение черного тела имеет множество применений в различных областях науки и техники. Некоторые примеры:

• В астрономии звезды можно приближенно рассматривать как черные тела, и их температуры можно оценить по их спектрам, используя закон Вина.

   

• Например, эффективная температура поверхности Солнца составляет около 5800 К, и оно излучает в основном видимый свет с пиковой длиной волны около 0,5 μм.

• В инженерии устройства термального изображения используют инфракрасные камеры для обнаружения тепла, излучаемого объектами, основываясь на их температуре, используя закон Стефана-Больцмана.

   

• Термальное изображение может использоваться для обеспечения безопасности, наблюдения, борьбы с пожарами, медицинской диагностики и других целей.

• В физике излучение черного тела было одним из явлений, которые привели к развитию квантовой теории в начале 20 века.

   

• Классическая физика не могла объяснить, почему спектр излучения черного тела отклонялся от закона Рэлея-Джинса при высоких частотах и производил бесконечную энергию, известную как ультрафиолетовая катастрофа. Макс Планк предложил, что энергия квантуется и испускается дискретными порциями, называемыми квантами или фотонами, чтобы решить эту проблему. Закон Планка описывает спектр излучения черного тела с помощью квантовой теории.

Резюме

• Черное тело - это идеализированный объект, который поглощает все падающее излучение и излучает излучение с непрерывным спектром, зависящим только от его температуры.

• Излучение черного тела - это тепловое излучение, испускаемое черным телом в термодинамическом равновесии со своими окружениями.

• Закон Вина утверждает, что пиковая длина волны излучения черного тела обратно пропорциональна его температуре.

• Закон Стефана-Больцмана утверждает, что общая мощность, излучаемая единицей площади черного тела, пропорциональна четвертой степени его температуры.

• Излучение черного тела имеет множество применений в физике, астрономии, инженерии и других областях.

Заявление: Уважайте оригинал, хорошие статьи стоят поделиться, если есть нарушение авторских прав, пожалуйста, свяжитесь для удаления.