รังสีจากตัวนำดำ: นิยาม คุณสมบัติ และการประยุกต์ใช้งาน

วัตถุสีดำ (black body) ถูกกำหนดให้เป็นวัตถุที่ดูดซับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมดที่ตกกระทบและแผ่รังสีที่มีสเปกตรัมต่อเนื่องที่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของมันเท่านั้น รังสีจากวัตถุสีดำคือรังสีความร้อนที่แผ่ออกจากวัตถุสีดำในภาวะสมดุลทางเทอร์โมไดนามิกกับสภาพแวดล้อม มีการใช้งานรังสีจากวัตถุสีดำในหลากหลายสาขา อาทิเช่น ฟิสิกส์ ดาราศาสตร์ การวิศวกรรม และสาขาอื่น ๆ

วัตถุสีดำคืออะไร?

วัตถุสีดำเป็นแนวคิดทางทฤษฎีที่แสดงถึงวัตถุดูดซับและแผ่รังสีที่ดีที่สุด

ไม่มีวัตถุจริงใดที่จะเป็นวัตถุสีดำที่สมบูรณ์แบบ แต่วัตถุบางอย่างสามารถเข้าใกล้สถานะนี้ภายใต้เงื่อนไขบางอย่าง เช่น โพรงที่มีรูเล็ก ๆ สามารถทำหน้าที่เป็นวัตถุสีดำได้ เนื่องจากรังสีที่เข้าไปในรูจะถูกกักอยู่ภายในและสะท้อนหลายครั้งจนถูกดูดซับโดยผนังโพรง รังสีที่แผ่ออกจากรูจึงมีลักษณะของวัตถุสีดำ

วัตถุสีดำไม่สะท้อนหรือส่งผ่านรังสีใด ๆ แต่เพียงแค่ดูดซับและแผ่รังสีเท่านั้น ดังนั้น วัตถุสีดำจะปรากฏเป็นสีดำเมื่อมันเย็นและไม่แผ่รังสีที่มองเห็นได้ อย่างไรก็ตาม เมื่ออุณหภูมิของวัตถุสีดำเพิ่มขึ้น มันจะแผ่รังสีมากขึ้นและสเปกตรัมจะเปลี่ยนไปสู่ความยาวคลื่นที่สั้นลง ที่อุณหภูมิสูง วัตถุสีดำสามารถแผ่รังสีที่มองเห็นได้และปรากฏเป็นสีแดง ส้ม เหลือง ขาว หรือสีฟ้าขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของมัน

ลักษณะของรังสีจากวัตถุสีดำ

สเปกตรัมของรังสีจากวัตถุสีดำเป็นต่อเนื่องและขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของวัตถุสีดำเท่านั้น สเปกตรัมสามารถอธิบายได้ด้วยกฎหมายสำคัญสองข้อ คือ กฎของเวียนและการ์ตันและกฎของสเตฟาน-โบลท์ซมันน์

กฎของเวียนและการ์ตัน

กฎของเวียนและการ์ตันระบุว่าความยาวคลื่นที่มีความเข้มสูงสุดของรังสีจากวัตถุสีดำมีความสัมพันธ์ผกผันกับอุณหภูมิของวัตถุสีดำ ทางคณิตศาสตร์สามารถเขียนเป็น:

เมื่อ λmax คือความยาวคลื่นสูงสุด T คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ของวัตถุสีดำ และ b คือค่าคงที่ที่เรียกว่าค่าคงที่ของเวียนและการ์ตัน ซึ่งมีค่า 2.898×10−3 m K

กฎของเวียนและการ์ตันอธิบายว่าทำไมสีของวัตถุสีดำเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ

เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความยาวคลื่นสูงสุดลดลง และสเปกตรัมเปลี่ยนไปสู่ความยาวคลื่นที่สั้นลง ตัวอย่างเช่น ที่อุณหภูมิห้อง (ประมาณ 300 K) วัตถุสีดำแผ่รังสีอินฟราเรดส่วนใหญ่ที่มีความยาวคลื่นสูงสุดประมาณ 10 μm ที่ 1000 K วัตถุสีดำแผ่รังสีสีแดงส่วนใหญ่ที่มีความยาวคลื่นสูงสุดประมาณ 3 μm ที่ 6000 K วัตถุสีดำแผ่รังสีสีขาวส่วนใหญ่ที่มีความยาวคลื่นสูงสุดประมาณ 0.5 μm

กฎของสเตฟาน-โบลท์ซมันน์

กฎของสเตฟาน-โบลท์ซมันน์ระบุว่าพลังงานรวมที่แผ่ออกจากพื้นที่หน่วยละหนึ่งของวัตถุสีดำเป็นสัดส่วนกับกำลังสี่ของอุณหภูมิสัมบูรณ์ของมัน

ทางคณิตศาสตร์สามารถเขียนเป็น:

เมื่อ Me คือพลังงานรวมต่อพื้นที่หน่วย (หรือเรียกว่าพลังงานแผ่ออกหรือ radiant exitance) T คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ของวัตถุสีดำ และ σ คือค่าคงที่ที่เรียกว่าค่าคงที่ของสเตฟาน-โบลท์ซมันน์ ซึ่งมีค่า 5.670×10−8 W m$^{-2}K^{-4}$

กฎของสเตฟาน-โบลท์ซมันน์อธิบายว่าทำไมวัตถุสีดำแผ่รังสีมากขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ตัวอย่างเช่น ถ้าอุณหภูมิของวัตถุสีดำเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า พลังงานแผ่ออกจะเพิ่มขึ้นเป็น 16 เท่า

การประยุกต์ใช้รังสีจากวัตถุสีดำ

รังสีจากวัตถุสีดำมีการประยุกต์ใช้ในหลากหลายสาขาของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ตัวอย่างเช่น:

• ในดาราศาสตร์ ดาวฤกษ์สามารถประมาณเป็นวัตถุสีดำ และอุณหภูมิของพวกมันสามารถประมาณได้จากสเปกตรัมโดยใช้กฎของเวียนและการ์ตัน

   

• อาทิตย์ ตัวอย่างเช่น มีอุณหภูมิพื้นผิวที่มีประสิทธิภาพประมาณ 5800 K และแผ่รังสีสีขาวส่วนใหญ่ที่มีความยาวคลื่นสูงสุดประมาณ 0.5 μm

• ในการวิศวกรรม เครื่องมือภาพความร้อนใช้กล้องอินฟราเรดเพื่อตรวจจับความร้อนที่แผ่ออกจากวัตถุตามอุณหภูมิโดยใช้กฎของสเตฟาน-โบลท์ซมันน์

   

• ภาพความร้อนสามารถใช้สำหรับความปลอดภัย การเฝ้าระวัง การดับเพลิง การวินิจฉัยทางการแพทย์ และวัตถุประสงค์อื่น ๆ

• ในฟิสิกส์ รังสีจากวัตถุสีดำเป็นหนึ่งในปรากฏการณ์ที่นำไปสู่การพัฒนาทฤษฎีควอนตัมในช่วงต้นศตวรรษที่ 20

   

• ฟิสิกส์คลาสสิกไม่สามารถอธิบายได้ว่าทำไมสเปกตรัมของรังสีจากวัตถุสีดำแตกต่างจากกฎของเรย์เลย์-เจนส์ที่ความถี่สูงและสร้างพลังงานที่ไม่มีที่สิ้นสุดที่เรียกว่าภัยพิบัติอัลตราไวโอเลต มาックス แพลนค์เสนอว่าพลังงานถูกปริมาณและแผ่ออกมาเป็นหน่วยที่เรียกว่าควอนตาหรือโฟตอน เพื่อแก้ปัญหานี้ กฎของแพลนค์อธิบายสเปกตรัมของรังสีจากวัตถุสีดำโดยใช้ทฤษฎีควอนตัม

สรุป

ทิป