Чорне тіло: Визначення, характеристики та застосування
Чорне тіло визначається як ідеалізований об'єкт, який поглинає всі електромагнітні випромінювання, що на нього падають, і випромінює радіацію з неперервним спектром, який залежить лише від його температури. Чорна тілова радіація - це теплова радіація, випромінювана чорним тілом у термодинамічному рівновазі з оточуючим середовищем. Чорна тілова радіація має багато застосувань у фізиці, астрономії, інженерії та інших галузях.
Що таке чорне тіло?
Чорне тіло - це теоретичний концепт, який представляє ідеального абсорбера та випромінювача радіації.
Ніякий реальний об'єкт не є ідеальним чорним тілом, але деякі об'єкти можуть наближено його визначення під певних умов. Наприклад, кавіта з невеликою діркою може вести себе як чорне тіло, оскільки будь-яка радіація, що потрапляє в дірку, залишається усередині і відбивається багато разів, поки не поглинається стінками кавіти. Радіація, що випромінюється через дірку, характерна для чорного тіла.
Чорне тіло не відбиває і не передає жодну радіацію; воно тільки поглинає і випромінює радіацію. Тому, коли чорне тіло холодне, воно виглядає чорним, оскільки не випромінює видимого світла. Однак, зі зростанням температури чорного тіла, воно випромінює більше радіації, і його спектр зміщується до коротшох хвиль. При високих температурах чорне тіло може випромінювати видиме світло і виглядати червоним, помаранчевим, жовтим, білим або синім, залежно від його температури.
Характеристики чорної тілової радіації
Спектр чорної тілової радіації є неперервним і залежить лише від температури чорного тіла. Спектр можна описати двома важливими законами: законом Віена та законом Стефана-Больцмана.
Закон Віена
Закон Віена стверджує, що довжина хвилі, при якій інтенсивність чорної тілової радіації максимальна, обернено пропорційна температурі чорного тіла. Математично це можна виразити так:
де λmax - максимальна довжина хвилі, T - абсолютна температура чорного тіла, а b - константа, відома як константа Віена, яка має значення 2.898×10−3 м·К.
Закон Віена пояснює, чому колір чорного тіла змінюється з температурою.
Зі зростанням температури максимальна довжина хвилі зменшується, і спектр зміщується до коротшох хвиль. Наприклад, при кімнатній температурі (приблизно 300 К) чорне тіло випромінює переважно інфрачервону радіацію з максимальною довжиною хвилі приблизно 10 μм. При 1000 К чорне тіло випромінює переважно червоне світло з максимальною довжиною хвилі приблизно 3 μм. При 6000 К чорне тіло випромінює переважно біле світло з максимальною довжиною хвилі приблизно 0.5 μм.
Закон Стефана-Больцмана
Закон Стефана-Больцмана стверджує, що загальна потужність, випромінювана на одиницю площі чорним тілом, пропорційна четвертій степені його абсолютної температури.
Математично це можна виразити так:
де Me - загальна потужність на одиницю площі (також відома як емісійна потужність або радіантна емісія), T - абсолютна температура чорного тіла, а σ - константа, відома як константа Стефана-Больцмана, яка має значення 5.670×10−8 Вт·м$^{-2}K^{-4}$.
Закон Стефана-Больцмана пояснює, чому чорне тіло випромінює більше радіації зі зростанням його температури. Наприклад, якщо температура чорного тіла подвоїться, його емісійна потужність зросте у 16 разів.
Застосування чорної тілової радіації
Чорна тілова радіація має багато застосувань у різних галузях науки і технологій. Деякі приклади:
У астрономії, зірки можна наближено вважати чорними тілами, і їх температуру можна оцінити за допомогою їхнього спектру, використовуючи закон Віена.
Наприклад, Сонце має ефективну поверхневу температуру приблизно 5800 К і випромінює переважно видиме світло з максимальною довжиною хвилі приблизно 0.5 μм.
У інженерії, термальні зображення використовують інфрачервоні камери для виявлення тепла, випромінюваного об'єктами, залежно від їх температури, використовуючи закон Стефана-Больцмана.
Термальні зображення можна використовувати для безпеки, спостереження, пожежної служби, медичного діагностування та інших цілей.
У фізиці, чорна тілова радіація була одним з явищ, які призвели до розвитку квантової теорії на початку 20 століття.
Класична фізика не могла пояснити, чому спектр чорної тілової радіації відхиляється від закону Релея-Джинса при високих частотах і дає нескінченну енергію, відому як ультрафіолетова катастрофа. Макс Планк запропонував, що енергія квантується і випромінюється в дискретних одиницях, відомих як кварти або фотони, для вирішення цієї проблеми. Закон Планка описує спектр чорної тілової радіації, використовуючи квантову теорію.
Підсумок
