Bức xạ cơ thể đen: Định nghĩa, Đặc điểm và Ứng dụng

Một vật đen được định nghĩa là một vật lý tưởng hấp thụ tất cả bức xạ điện từ rơi vào nó và phát ra bức xạ với phổ liên tục chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của nó. Bức xạ vật đen là bức xạ nhiệt phát ra bởi vật đen trong trạng thái cân bằng nhiệt động với môi trường xung quanh. Bức xạ vật đen có nhiều ứng dụng trong vật lý, thiên văn, kỹ thuật và các lĩnh vực khác.

Định nghĩa về Vật Đen

Vật đen là một khái niệm lý thuyết đại diện cho bộ phận hấp thụ và phát ra bức xạ lý tưởng.

Không có vật thực tế nào là vật đen hoàn hảo, nhưng một số vật có thể gần như vậy dưới một số điều kiện. Ví dụ, một hốc với lỗ nhỏ có thể hoạt động như một vật đen, vì bất kỳ bức xạ nào đi vào lỗ sẽ bị giữ lại bên trong và phản xạ nhiều lần cho đến khi nó được hấp thụ bởi thành hốc. Bức xạ phát ra từ lỗ sau đó mang đặc trưng của một vật đen.

Vật đen không phản xạ hoặc truyền bất kỳ bức xạ nào; nó chỉ hấp thụ và phát ra bức xạ. Do đó, vật đen trông màu đen khi lạnh và không phát ra ánh sáng nhìn thấy. Tuy nhiên, khi nhiệt độ của vật đen tăng lên, nó phát ra nhiều bức xạ hơn và phổ của nó dịch chuyển sang bước sóng ngắn hơn. Ở nhiệt độ cao, vật đen có thể phát ra ánh sáng nhìn thấy và xuất hiện màu đỏ, cam, vàng, trắng hoặc xanh dương tùy theo nhiệt độ của nó.

Đặc điểm của Bức Xạ Vật Đen

Phổ của bức xạ vật đen là liên tục và chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của vật đen. Phổ có thể được mô tả bằng hai luật quan trọng: Luật dịch chuyển Wien và Luật Stefan-Boltzmann.

Luật Dịch Chuyển Wien

Luật dịch chuyển Wien nêu rằng bước sóng mà cường độ bức xạ vật đen đạt cực đại tỷ lệ nghịch với nhiệt độ của vật đen. Toán học, điều này có thể biểu diễn như sau:

trong đó λmax là bước sóng đỉnh, T là nhiệt độ tuyệt đối của vật đen, và b là hằng số gọi là hằng số dịch chuyển Wien, có giá trị là 2.898×10−3 m K.

Luật dịch chuyển Wien giải thích tại sao màu sắc của vật đen thay đổi theo nhiệt độ.

Khi nhiệt độ tăng, bước sóng đỉnh giảm, và phổ dịch chuyển sang bước sóng ngắn hơn. Ví dụ, ở nhiệt độ phòng (khoảng 300 K), vật đen chủ yếu phát ra bức xạ hồng ngoại với bước sóng đỉnh khoảng 10 μm. Ở 1000 K, vật đen chủ yếu phát ra ánh sáng đỏ với bước sóng đỉnh khoảng 3 μm. Ở 6000 K, vật đen chủ yếu phát ra ánh sáng trắng với bước sóng đỉnh khoảng 0.5 μm.

Luật Stefan-Boltzmann

Luật Stefan-Boltzmann nêu rằng công suất toàn phần phát ra trên đơn vị diện tích bởi vật đen tỷ lệ thuận với bốn lần lũy thừa của nhiệt độ tuyệt đối của nó.

Toán học, điều này có thể biểu diễn như sau:

trong đó Me là công suất toàn phần trên đơn vị diện tích (còn gọi là công suất bức xạ hoặc lưu lượng bức xạ), T là nhiệt độ tuyệt đối của vật đen, và σ là hằng số gọi là hằng số Stefan-Boltzmann, có giá trị là 5.670×10−8 W m$^{-2}K^{-4}$.

Luật Stefan-Boltzmann giải thích tại sao vật đen phát ra nhiều bức xạ hơn khi nhiệt độ của nó tăng. Ví dụ, nếu nhiệt độ của vật đen tăng gấp đôi, công suất bức xạ của nó tăng 16 lần.

Ứng dụng của Bức Xạ Vật Đen

Bức xạ vật đen có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học và công nghệ. Một số ví dụ là:

• Trong thiên văn, các ngôi sao có thể được xấp xỉ như vật đen, và nhiệt độ của chúng có thể được ước tính từ phổ của chúng sử dụng luật dịch chuyển Wien.

   

• Ví dụ, Mặt Trời có nhiệt độ bề mặt hiệu dụng khoảng 5800 K và chủ yếu phát ra ánh sáng nhìn thấy với bước sóng đỉnh khoảng 0.5 μm.

• Trong kỹ thuật, các thiết bị ảnh nhiệt sử dụng camera hồng ngoại để phát hiện nhiệt phát ra từ các vật dựa trên nhiệt độ của chúng sử dụng luật Stefan-Boltzmann.

   

• Ảnh nhiệt có thể được sử dụng cho an ninh, giám sát, cứu hỏa, chẩn đoán y tế và các mục đích khác.

• Trong vật lý, bức xạ vật đen là một trong những hiện tượng đã dẫn đến sự phát triển của lý thuyết lượng tử vào đầu thế kỷ 20.

   

• Vật lý cổ điển không thể giải thích tại sao phổ của bức xạ vật đen lệch khỏi luật Rayleigh-Jeans ở tần số cao và tạo ra năng lượng vô hạn gọi là thảm họa tia cực tím. Max Planck đề xuất rằng năng lượng được lượng tử hóa và phát ra dưới dạng các đơn vị rời rạc gọi là quanta hoặc photon để giải quyết vấn đề này. Luật Planck mô tả phổ của bức xạ vật đen sử dụng lý thuyết lượng tử.

Tóm tắt

• Vật đen là một vật lý tưởng hấp thụ tất cả bức xạ đến và phát ra bức xạ với phổ liên tục chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của nó.

• Bức xạ vật đen là bức xạ nhiệt phát ra bởi vật đen trong trạng thái cân bằng nhiệt động với môi trường xung quanh.

• Luật dịch chuyển Wien nêu rằng bước sóng đỉnh của bức xạ vật đen tỷ lệ nghịch với nhiệt độ của nó.

• Luật Stefan-Boltzmann nêu rằng công suất toàn phần phát ra trên đơn vị diện tích bởi vật đen tỷ lệ thuận với bốn lần lũy thừa của nhiệt độ của nó.

• Bức xạ vật đen có nhiều ứng dụng trong vật lý, thiên văn, kỹ thuật và các lĩnh vực khác.

Tuyên bố: tôn trọng nguyên bản, bài viết hay đáng chia sẻ, nếu vi phạm bản quyền vui lòng liên hệ để xóa.