絶対零度を超える温度では、すべての通常の物質が電磁放射を生成します。これは、身体の内部熱エネルギーが電磁エネルギーに変換されるため、熱放射と呼ばれます。一方、通常の物質は電磁波をある程度吸収します。黒体は、すべての波長で、それに当たるすべての放射を吸収するオブジェクトです。黒体が一定の温度に保たれている場合、その放射は温度に比例する周波数分布を持ちます。黒体放射は、このタイプの放射の名前です。
黒体が放出するエネルギーの大部分は肉眼では見えない赤外線であるため、周囲温度の黒体は黒く見えます。人間の目はより低い周波数の光波を区別できないため、暗所でかろうじて観測可能な最低温度で見た黒体は、その客観的な物理スペクトルが赤外線範囲でピークに達しているという事実にもかかわらず、灰色に見えます。少し熱くなると、くすんだ赤に変わります。温度が上がると、黄色、白、そして最終的に青白に変わります。
黒体放射には、実験での体温のみに依存する明確な連続周波数スペクトルがあります。実際には、もっと具体的にすることができます:
1.体は、それを受け取るのと同じ方法で、特定の温度と周波数で放射線を放出します。
2 Gustav Kirchhoff はこの声明を確認しました:重要なポイントは、特定の物体が放射するよりも吸収することができると仮定することです。同じ温度の物体でいっぱいの部屋で、エネルギーを放射するよりも、他の物体からの放射を吸収します。 .これは、部屋の残りの部分が冷えるにつれて熱くなることを意味します。これは、熱力学の第 2 規則に直接違反しています。熱力学の 2 番目の規則に違反しないようにするには、物質は、特定の温度と周波数で同じ放射線を吸収するのと同じように放射線を生成する必要があります。
絶対零度以上の物体はある程度放射しますが、放射の強度と周波数分布は物体の詳細な構造によって異なります。熱放射の分析を開始するには、最初に放射している物体を定義する必要があります。最も単純な実現可能な状況は、完全な吸収体であり、したがって完全な放射体でもある理想化されたエンティティです (上記の論理に基づく)。では、研究室で完璧な吸収体を作るにはどうすればよいでしょうか? Kirchhoff は 1859 年に素晴らしい概念を持っていました:巨大な箱の側面にある小さな穴は大きな吸収体です。これは、そこを通過する放射線は内部で跳ね返り、跳ね返るたびに多くのエネルギーを吸収し、逃げる可能性がほとんどないためです。 .したがって、逆方向に行うことができます。側面に小さな穴のあるオーブンを作成すると、穴から出てくる放射線は可能な限り完全なエミッターに近くなるはずです
ステファン ボルツマンの法則
Stefan-Boltzmann の法則 (1879 年) では、1 平方メートルの黒い表面から放射される総電力 (つまり、図 1.1.3 のすべての放射周波数にわたって統合されたもの) は絶対温度の 4 乗になります (図 2)。 、実験的観察に基づく最初の定量的推測でした。
P=σT ここで、
P は、アイテムによって 1 平方メートルあたりに放出される放射線の総量 (ワット/m2) です。
ステファン・ボルツマン定数 (5.6710-8 ワット m-2K-4) は、物理学の定数です。
T はオブジェクトの絶対温度 (K) です
ボルツマンは、電磁放射で満たされた箱に古典的な熱力学的推論を適用し、マクスウェルの方程式を利用して圧力をエネルギー密度に関連付けることにより、1884 年に T4 挙動を発見しました。つまり、穴から漏れる少量のエネルギー (図 2) は、内部の放射強度と同じ温度依存性を持つことになります。
ウィーンの変位の法則
ウィーンの変位法則は、実験からの 2 番目の現象学的発見でした。特定の温度で物体から放出される光の主な (ピーク) 波長、つまり色は、ウィーンの法則によって決まります。放射が最も強くなる周波数は、オーブンの温度によって異なります。実際、周波数は絶対温度に直接関係しています:
v最大
5.8791010Hz/K は比例定数です
ボルツマンの熱力学的論理に従って、ウィーンは 1893 年に理論的にこの法則を導き出しました。アメリカの天文学者であるラングレーは、少なくとも半定量的にそれを発見していました。鉄が火で調理されると、最初の可視放射 (約 900 K) は、最も低い周波数の可視光である深紅です。非常に高い温度 (10,000 K 以上) では、放射強度のピークが可視域を超えて紫外域にシフトし、T が増加するにつれて色相がオレンジ、黄色、そして最後に青色に変化します。
結論
その結果、暗黒体から放射されるエネルギーの量は、温度が上昇するにつれて増加するはずです。これらの理由に基づいてのみ、黒体から放出される放射の総エネルギーは、熱力学的温度の単調増加関数に比例すると結論付けます
