黒体は、熱放射を放出する不透明な物体です。完全な黒体は、入射光をすべて吸収し、反射しません。このような物体は、常温では完全に黒く見えます (したがって、黒体という用語があります)。一方、黒体は高温に加熱されると熱放射で輝き始めます。
実際には、すべての物体は熱放射を放出しますが (温度が絶対零度 (摂氏 -273.15 度) を超えている限り)、熱放射を完全に放出するアイテムはありません。むしろ、一部の光の波長は、他の波長よりも放出/吸収に優れています。これらの矛盾のために、通常のものを使用して光、熱、および物質の相互作用を分析することは困難です.
黒体放射
熱力学的にバランスの取れた物体による電磁エネルギーの放出は、黒体放射として知られています。黒体が放出する総エネルギーはその温度に依存し、完全な黒体はあらゆる波長で受け取ったすべての放射を吸収して再放出します。
物体の温度が上昇すると、一般的な現象である黒体放射が放出されます。物体の温度と放射量に応じて、電磁放射は可視と不可視の両方の広いスペクトルを占めます。
トースターの加熱要素と電球のフィラメントは、最も一般的な例の 1 つです。黒体放射のスペクトル強度は、温度とともに増加します。室温の物体 (約 300 K) は、遠赤外線でピーク強度の放射を放出します。トースターのフィラメントと電球のフィラメント (それぞれ約 700 K と 2,000 K) からの放射も赤外線でピークに達しますが、それらのスペクトルは次第に可視域に広がります。また、太陽の 6,000 K の表面は、可視領域にピーク強度を持つ黒体放射を放出します。
例
- 黒体の最も単純な例は、穴のある空洞です。光がキャビティに入射すると、穴を通って入りますが、キャビティによって反射されません。
- 化学的に生成され、カーボン ナノチューブ アレイに垂直に配置されたニッケル - リン合金は、99.9% の光を吸収する超黒色の素材です。
黒体放射の放射力
黒体は、それに当たる電磁エネルギー (光など) をすべて吸収するものです。熱平衡を維持するために、黒い物質はそれを吸収するのと同じ速度で放射を放出する必要があるため、放射も良好です。
加熱されたアイテムから放射される放射線についてはよく知られています。
オブジェクトを華氏約 1500 度まで加熱すると、かすかな赤い輝きが見られ、そのオブジェクトを赤熱と呼びます。太陽の表面の温度に近い華氏 5000 度付近まで何かを加熱すると、可視スペクトルを超えて強く放射し、白熱すると言われます。
熱平衡状態にあるプレートを考慮することで、さまざまな材料で作られたプレートであっても、吸収係数に対する放射パワーが波長の関数と同じでなければならないことを示すことができます。
違いがある場合、1 つのプレートから別のプレートへの正味のエネルギー移動が存在する可能性があり、平衡要件に違反することになります。
その結果、黒体の放射能 E(ν,T) は、基本原理から推定できる普遍的な特性です。
Rayleigh と Jeans は、空洞内のエネルギー密度 (EM 波) を計算し、それによって黒体放射スペクトルを計算しました。彼らの計算は、基本的な電磁気学理論と等分配に基づいていました。それは証拠を否定しただけでなく、すべてのエネルギーが高周波 EM 放射として急速に放射されると主張しました。これは紫外線災害と呼ばれました。
Plank は、長波長と短波長の両方でデータを正確に予測する式を発見しました。
彼の式はデータと非常によく一致していたので、彼はそれを推測しようとしました。彼は、エネルギーが E=hν の量子で放出されると仮定することで、数か月でこれを行うことができました。高周波数には膨大な数の空洞モードが存在するという事実にもかかわらず、そのような高エネルギー量子を放出する確率は、ボルツマン分布に従って急速に消滅します。プランクは計算で高周波放射を減らし、実験と一致させました。プランクの黒体式は、hν<
どこで、
k =ボルツマン定数、T =絶対温度、h =プランク定数
一方、黒体は高温になると熱放射で輝き始めます。黒体は、それに当たる電磁エネルギーをすべて吸収するものです。熱平衡を維持するために、黒い物質はそれを吸収するのと同じ速度で放射を放出する必要があるため、放射も良好です。太陽の表面の温度に近い華氏 5000 度付近まで何かを加熱すると、可視スペクトルで強く放射され、白熱すると言われます。熱平衡状態にあるプレートを考慮することで、さまざまな材料で作られたプレートであっても、吸収係数に対する放射パワーが波長の関数と同じでなければならないことを示すことができます。
結論
