Абсолютно чёрное тело

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Излучение нагретого чёрного тела в видимом диапазоне

Абсолютно чёрное тело — физическая абстракция, применяемая в термодинамике, тело, поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее. Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только его температурой.

Наиболее чёрные реальные вещества, например, сажа, поглощают до 99 % падающего излучения (т. е. имеют альбедо, равное 0,01) в видимом диапазоне длин волн, однако инфракрасное излучение поглощается ими значительно хуже. Глубокий чёрный цвет некоторых материалов (древесного угля, чёрного бархата) и зрачка человеческого глаза объясняется тем же механизмом. Среди тел Солнечной системы свойствами абсолютно чёрного тела в наибольшей степени обладает Солнце. Термин был введён Густавом Кирхгофом в 1862.

Содержание

1 Практическая модель
2 Законы излучения абсолютно чёрного тела
3 Чернотельное излучение
- 3.1 Цветность чернотельного излучения
4 См. также
5 Ссылки

[править] Практическая модель

Абсолютно чёрных тел в природе не существует, поэтому в физике для экспериментов используется модель. Она представляет из себя замкнутую полость с зеркальными изнутри стенками и небольшим отверстием. Свет, попадающий внутрь сквозь это отверстие, после многократных отражений будет полностью поглощён, и отверстие снаружи будет выглядеть совершенно чёрным. Но при нагревании этой полости у нее появится собственное излучение.

[править] Законы излучения абсолютно чёрного тела

[править] Классический подход

Изучение законов излучения абсолютно чёрного тела явилось одной из предпосылок появления квантовой механики. Попытка описать излучение абсолютно чёрного тела исходя из классических принципов термодинамики и электродинамики приводит к закону Рэлея — Джинса:

$~E(\nu,T)=\frac{2\pi kT\nu^2}{c^2}$

Эта Формула предполагает квадратичное возрастание cпектральной плотности излучения в зависимости от его частоты. На практике такой закон означал бы невозможность термодинамического равновесия между веществом и излучением, поскольку согласно ему вся тепловая энергия должна была бы перейти в энергию излучения коротковолновой области спектра. Такое гипотетическое явление было названо ультрафиолетовой катастрофой.

Тем не менее закон излучения Рэлея — Джинса справедлив для длинноволновой области спектра и адекватно описывает характер излучения. Объяснить факт такого соответствия можно лишь при использовании квантово-механического подхода, согласно которому излучение происходит дискретно. Исходя из квантовых законов можно получить формулу Планка, которая будет совпадать с Формулой Рэлея — Джинса при $\nu \rightarrow 0$ .

Этот факт является прекрасной иллюстрацией действия принципа соответствия, согласно которому новая физическая теория должна объяснять всё то, что была в состоянии объяснить старая.

[править] Закон Планка

Основная статья: Формула Планка

Зависимость мощности излучения чёрного тела от длины волны

Интенсивность излучения абсолютно чёрного тела в зависимости от температуры и частоты определяется законом Планка:

$I(\nu) = \frac{2 \pi h \nu^3}{c^2} \frac{1}{e^{h \nu/ kT}-1}$

где $I (ν) d ν$ — мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности на единицу телесного угла в диапазоне частот от $ν$ до $ν + d ν$ .

Эквивалентно,

$u(\lambda) = {8\pi h {c}\over \lambda^5}{1\over e^{h c/\lambda kT}-1}$ ,

где $u (λ) d λ$ — мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности на единицу телесного угла в диапазоне длин волн от $λ$ до $λ + d λ$ .

[править] Закон Стефана-Больцмана

Общая энергия теплового излучения определяется законом Стефана—Больцмана:

$j=\sigma T^4\,\!$ ,

где $j$ — мощность на единицу площади излучающей поверхности, а

$\sigma=\frac{2 \pi^5 k^4}{15 c^2 h^3}=\frac{\pi^2 k^4}{60\hbar^3 c^2} \simeq 5{,}670400(40)\cdot 10^{-8}$ Вт/(м²·К⁴) — постоянная Стефана—Больцмана.

Таким образом, абсолютно чёрное тело при T = 100 K излучает 5,67 ватт с квадратного метра своей поверхности. При температуре 1000 К мощность излучения увеличивается до 56,7 киловатт с квадратного метра.

[править] Закон смещения Вина

Длина волны, при которой энергия излучения абсолютно чёрного тела максимальна, определяется законом смещения Вина:

$\lambda_{\max}=\frac{0{,}002898}{T}$

где T — температура в кельвинах, а $λ max$ — длина волны с максимальной интенсивностью в метрах.

Так, если считать в первом приближении, что кожа человека близка по свойствам к абсолютно чёрному телу, то максимум спектра излучения при температуре 36°C (309 К) лежит на длине волны 9400 нм (в инфракрасной области спектра).

Видимый цвет абсолютно чёрных тел с разной температурой представлен на диаграмме.

[править] Чернотельное излучение

Электромагнитное излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с абсолютно чёрным телом при данной температуре (например, излучение внутри полости в абсолютно чёрном теле), называется чернотельным (или тепловым равновесным) излучением. Равновесное тепловое излучение однородно, изотропно и неполяризовано, перенос энергии в нём отсутствует, все его характеристики зависят только от температуры абсолютно чёрного тела-излучателя (и, поскольку чернотельное излучение находится в тепловом равновесии с данным телом, эта температура может быть приписана излучению). Объёмная плотность энергии чернотельного излучения равна $u=\frac{4\sigma}{c}T^4$ , его давление равно $P=u/3=\frac{4\sigma}{3c}T^4$ . Очень близко по своим свойствам к чернотельному так называемое реликтовое излучение, или космический микроволновой фон — заполняющее Вселенную излучение с температурой около 3 К.

[править] Цветность чернотельного излучения

Температурный интервал в Кельвинах	Цвет
до 1000	Красный
1000—1500	Оранжевый
1500—2000	Жёлтый
2000—4000	Бледно-жёлтый
4000—5500	Желтовато-белый
5500—7000	Чисто белый
7000—9000	Голубовато-белый
9000—15000	Бело-голубой
15000—∞	Голубой

Примечание: Цвета даны в сравнении с рассеянным дневным светом (D₆₅). Реально воспринимаемый цвет может быть искажён адаптацией глаза к условиям освещения.

[править] См. также

[править] Ссылки

Категория: Термодинамика

See also ebooksgratis.com: no banners, no cookies, totally FREE.