Črno telo sevanje: Definicija značilnosti in uporabe

Črna telesa je idealizirani objekt, ki absorbuje vse elektromagnetsko sevanje, ki na njega pada, in emitira sevanje z zveznim spektrom, ki je odvisen samo od njegove temperature. Sevanje črnega telesa je termalno sevanje, ki ga emitira črno telo v termodinamski ravnovesni s okolico. Sevanje črnega telesa ima mnogo uporab v fiziki, astronomiji, inženirstvu in drugih področjih.

Kaj je črno telo?

Črno telo je teoretični koncept, ki predstavlja idealnega absorberja in emitterja sevanja.

Noben stvarni objekt ni popolnoma črno telo, vendar nekateri objekti lahko to aproksimirajo pod določenimi pogoji. Na primer, dutina z majhnim otvorom lahko deluje kot črno telo, ker je vsako sevanje, ki pride skozi otvor, zaprti znotraj in večkrat reflektirano, dokler ga ne absorbirajo stene dutine. Sevanje, ki je emitirano skozi otvor, je potem karakteristično za črno telo.

Črno telo ne reflektira ali prenaša nobenega sevanja; lega absorbuje in emitira sevanje. Zato črno telo izgleda črno, ko je hladno in ne emitira vidnega svetlobe. Ko pa se temperatura črnega telesa poveča, emitira več sevanja in njegov spekter se premakne k krajskim valovnim dolžinam. Pri visokih temperaturah lahko črno telo emitira vidno svetlobo in izgleda rdeče, oranžno, rumeno, bele ali modro, odvisno od temperature.

Osobnosti sevanja črnega telesa

Spekter sevanja črnega telesa je zvezno in odvisen samo od temperature črnega telesa. Spekter se lahko opiše z dvema pomembnima zakonoma: Wienov zakon premika in Stefan-Boltzmannov zakon.

Wienov zakon premika

Wienov zakon premika pravi, da je valovna dolžina, pri kateri je intenziteta sevanja črnega telesa največja, obratno sorazmerna s temperaturo črnega telesa. Matematično se to lahko izrazi kot:

kjer je λmax vrhunska valovna dolžina, T absolutna temperatura črnega telesa, in b konstanta, znana kot Wienova premikovna konstanta, ki ima vrednost 2,898×10−3 m K.

Wienov zakon premika razloži, zakaj se barva črnega telesa spreminja s temperaturo.

Ko se temperatura poveča, se vrhunska valovna dolžina zmanjša, in spekter se premakne k krajskim valovnim dolžinam. Na primer, pri sobni temperaturi (oko 300 K) emitira črno telo predvsem infrardečo svetlobo z vrhunsko valovno dolžino okoli 10 μm. Pri 1000 K emitira črno telo predvsem rdečo svetlobo z vrhunsko valovno dolžino okoli 3 μm. Pri 6000 K emitira črno telo predvsem belo svetlobo z vrhunsko valovno dolžino okoli 0,5 μm.

Stefan-Boltzmannov zakon

Stefan-Boltzmannov zakon pravi, da je celotna moč, emitirana na enoto površine, sorazmerna s četrto potenco absolutne temperature črnega telesa.

Matematično se to lahko izrazi kot:

kjer je Me celotna moč na enoto površine (tudi znana kot emisijska moč ali radianta), T absolutna temperatura črnega telesa, in σ konstanta, znana kot Stefan-Boltzmannova konstanta, ki ima vrednost 5,670×10−8 W m$^{-2}K^{-4}$.

Stefan-Boltzmannov zakon razloži, zakaj črno telo emitira več sevanja, ko se njegova temperatura poveča. Na primer, če se temperatura črnega telesa podvoji, se njegova emisijska moč poveča 16-krat.

Uporabe sevanja črnega telesa

Sevanje črnega telesa ima veliko uporab v različnih področjih znanosti in tehnologije. Nekateri primeri so:

• V astronomiji se zvezde lahko aproksimirajo kot črna telesa, in njihove temperature se lahko ocenijo iz njihovih spektrov z uporabo Wienovega zakona premika.

   

• Sonce, na primer, ima učinkovito površinsko temperaturo okoli 5800 K in emitira predvsem vidno svetlobo z vrhunsko valovno dolžino okoli 0,5 μm.

• V inženirstvu uporabljajo termografske naprave infrardeče kamere, da zaznamejo toplotno sevanje, ki ga emitirajo objekti glede na njihovo temperaturo, uporabljajoč Stefan-Boltzmannov zakon.

   

• Termografsko slikanje se lahko uporablja za varnost, nadzor, gasilsko delo, medicinsko diagnozo in druge namene.

• V fiziki je sevanje črnega telesa eden od pojavov, ki je vodil do razvoja kvantne teorije v začetku 20. stoletja.

   

• Klasična fizika ni mogla razložiti, zakaj je spekter sevanja črnega telesa odstopal od Rayleigh-Jeansovega zakona pri visokih frekvencah in ustvaril neskončno energijo, znano kot ultravijolična katastrofa. Max Planck je predlagal, da je energija kvantizirana in emitirana v diskretnih enotah, imenovanih kvanti ali fotoni, da bi rešil ta problem. Planckov zakon opiše spekter sevanja črnega telesa z uporabo kvantne teorije.

Povzetek

• Črno telo je idealizirani objekt, ki absorbuje vse padajoče sevanje in emitira sevanje z zveznim spektrom, ki je odvisen samo od njegove temperature.

• Sevanje črnega telesa je termalno sevanje, ki ga emitira črno telo v termodinamski ravnovesni s okolico.

• Wienov zakon premika pravi, da je vrhunska valovna dolžina sevanja črnega telesa obratno sorazmerna s temperaturo.

• Stefan-Boltzmannov zakon pravi, da je celotna moč, emitirana na enoto površine, sorazmerna s četrto potenco temperature.

• Sevanje črnega telesa ima veliko uporab v fiziki, astronomiji, inženirstvu in drugih področjih.

Izjava: Spoštujte original, dobri članki so vredni deljenja, če je kršenje avtorskih pravic, se obrnite za brisanje.