Что излучает абсолютно черное тело
Абсолютно черное тело — понятие теории теплового излучения , означающее тело, которое полностью поглощает любое падающее на его поверхность электромагнитное излучение , независимо от температуры этого тела.
Таким образом, для абсолютно черного тела поглощательная способность ( отношение поглощённой энергии к энергии падающего излучения) равна 1 при излучениях всех частот , направлений распространения и поляризаций . Плотность энергии и спектральный состав излучения , испускаемого единицей поверхности абсолютно черного тела (излучения абсолютно черного тела, чёрного излучения), зависят только от его температуры, но не от природы излучающего вещества.
Излучение абсолютно черного тела может находиться в равновесии с веществом (при равенстве потоков излучения , испускаемого и поглощаемого абсолютно черным телом, имеющим определенную температуру), по своим характеристикам такое излучение представляет собой равновесное излучение и подчиняется Планка закону излучения , определяющему испускательную способность и энергетическую яркость абсолютно черного тела (пропорциональные плотности энергии равновесного излучения).
Понятие абсолютно черного тела введено в 1859 Г. Р. Кирхгофом (G. R. Kirchhoff), установившим связь между испускательной и поглощательной способностями тела, находящегося в равновесии с излучением при определенной температурой (см. Кирхгофа закон излучения >. Абсолютно черных тел в природе не существует, однако хорошим приближением к нему является устройство, состоящее из замкнутой полости, внутренняя поверхность которой нагрета до температуры Т, с отверстием, малым по сравнению с размерами полости. Внутри полости устанавливается практически полное равновесие излучения с веществом, и плотность энергии выходящего из отверстия излучения очень мало отличается от равновесной. Подобные устройства, с высокой точностью моделирующие абсолютно черное тело, применяют в качестве световых эталонов , используют при измерениях высоких температур (см. Пирометрия оптическая).
| Публикации с ключевыми словами: тепловое излучение — чернотельное излучение — абсолютно черное тело Публикации со словами: тепловое излучение — чернотельное излучение — абсолютно черное тело |
|
| См. также: | |
Абсолютно черное тело
Абсолютно черное тело – это абстрактное понятие, обозначающее тело, которое поглощает все направленное на него электромагнитное излучение. Способность тела поглощать электромагнитное излучение характеризуется степенью черноты. Для АЧТ степенью черноты должна быть равна 1. Однако, в природе могут существовать только изготовленное искусственным образом модели АЧТ, степень черноты которых приблизительно равна 0,995. В таком случае такую модель можно приближенно считать АЧТ. На самом деле, название АЧТ не следует понимать буквально – визуально АЧТ может иметь различные цветовые оттенки.
Прикладное значение моделей абсолютно черного тела
Прикладное значение моделей абсолютно черного тела
Модели Абсолютно черного тела обычно применяются в качестве эталона при калибровке таких приборов для измерения температуры, как пирометры и тепловизоры. Эти приборы являются так называемыми безконтактными датчиками. Безконтактные датчики незаменимы в случаях, когда измерить температуру поверхности тела невозможно с помощью прямого контакта с поверхностью этого тела.
Модель абсолютно черного тела
Модель абсолютно черного тела
Модель АЧТ представляет собой некоторую полую емкость с отверстием, через которое внутрь проникает электромагнитное излучение и, после многократных отражений, поглощается внутренними стенками полости.
Абсолютно чёрное тело
Абсолю́тно чёрное те́ло, термин в теории излучения, означающий объект, который полностью поглощает падающее на его поверхность электромагнитное излучение вне зависимости от спектрального состава, поляризации , температуры и угла падения излучения.
Абсолютно чёрное тело, которое находится в термодинамическом равновесии с окружающей средой, т. е. при постоянной температуре T T T , может не только поглощать, но и испускать электромагнитные волны во всех направлениях. Оно обладает двумя важными свойствами. Во-первых, является идеальным излучателем: на каждой частоте излучает не меньше энергии теплового излучения любого другого тела при той же температуре; во-вторых, является диффузным излучателем: энергия, измеренная на единицу площади перпендикулярно направлению, излучается изотропно (независимо от направления).
Термин был окончательно сформулирован Г. Кирхгофом в 1860 г. для упрощения и унификации теории теплового излучения. В 1861 г. он доказал, что при термодинамическом равновесии, обеспечиваемом лучистым теплообменом , отношение излучательной способности тела к его поглощательной способности есть функция, которая зависит только от частоты ω \omega ω и температуры T T T тела: f ( ω , T ) f(\omega, T) f ( ω , T ) . Если поглощательную способность абсолютно чёрного тела принять равной единице во всём спектральном диапазоне излучения, то его излучательная способность будет равна функции f ( ω , T ) f(\omega, T) f ( ω , T ) . Излучательная способность любого другого тела будет меньше единицы вследствие закона сохранения энергии .
Изучение функции f ( ω , T ) f(\omega, T) f ( ω , T ) обнаружило, что плотность энергии и спектральный состав излучения, испускаемого абсолютным чёрным телом, не зависят от формы этого тела и от природы излучающего вещества и определяются только его абсолютной температурой . Величина частоты, соответствующая максимуму спектральной плотности энергии , энергетическая светимость и функциональная зависимость спектральной плотности энергии от частоты (длины волны) излучения описываются законом смещения Вина , законами излучения Стефана – Больцмана и Планка соответственно.
Для теоретического объяснения функциональной зависимости f ( ω , T ) f(\omega, T) f ( ω , T ) Планк предположил, что существует минимальная порция энергии электромагнитного взаимодействия в виде излучения – квант электромагнитного излучения. Энергия кванта равна ℏ ω \hbar \omega ℏ ω , где ℏ \hbar ℏ – редуцированная постоянная Планка . Полная энергия на данной частоте равна N ℏ ω N\hbar \omega N ℏ ω , N N N – число квантов. При достижении термодинамического равновесия число N может изменяться. В дальнейшем квант электромагнитного излучения стали называть фотоном .
Рис. 1. Модель абсолютно чёрного тела как малого отверстия в теплоизолированном сферическом корпусе (сфера Гельмгольца). Рис. 1. Модель абсолютно чёрного тела как малого отверстия в теплоизолированном сферическом корпусе (сфера Гельмгольца). Несмотря на то что в природе не существует объектов, обладающих поглощательной способностью, равной единице во всём спектральном диапазоне, хорошим приближением к абсолютно чёрному телу являются лабораторные модели, температура стенок которых может меняться извне. Например, малое отверстие в замкнутой полости (т. н. полость Гельмгольца) (рис. 1). Всё излучение (допустим определённой длины волны), попавшее в отверстие, поглощается веществом стенок полости. Внутри полости устанавливается практически полное термодинамическое равновесие излучения с веществом. Выходящее из отверстия излучение (имеющее разные длины волн) является уже равновесным, определяемым только температурой вещества стенок. В этом примере предполагается устранение причин отражения падающего излучения от стенок обратно во входное отверстие, полное поглощение стенками энергии вошедшего в полость излучения, отсутствие прозрачности стенок и их неподвижность. При этом столкновениями фотонов между собой при установлении термодинамического равновесия пренебрегаем. 
Рис. 2. Модель абсолютно чёрного тела как отверстия конечных размеров в изогнутом конусовидном теле (рог Вуда). Рис. 2. Модель абсолютно чёрного тела как отверстия конечных размеров в изогнутом конусовидном теле (рог Вуда). Кроме полости Гельмгольца, в лабораторном эксперименте роль абсолютно чёрного тела могут выполнять нагретая тонкая платиновая проволока (более точно, платиновая чернь на ней), углеродные нанотрубки и их структуры, а также отверстие в конусообразном роге Вуда. Изогнутый корпус рога Вуда не позволяет пучку падающего излучения отразиться назад от стенок, благодаря чему падающее излучение попадает вглубь конуса и приходит в термодинамическое равновесие с окружающими стенками (рис. 2).
Как первое приближение к абсолютно чёрным телам могут рассматриваться астрофизические объекты, например чёрные дыры, поверхность последнего рассеяния , которая является источником реликтового излучения (рис. 3), а также Солнце, максимум энергии излучения которого приходится на длину волны около 450 нм, что соответствует температуре его внешних слоёв (фотосферы) 6000 K.
Рис. 3. Спектр реликтового излучения космоса (по данным COBE). Рис. 3. Спектр реликтового излучения космоса (по данным COBE). Практическая ценность использования понятия абсолютно чёрного тела заключается в том, что благодаря установленной связи между характеристиками поглощённого излучения и его температурой можно определять спектральные и интегральные свойства излучения. Кроме того, можно дистанционно измерять температуру поверхности тела и/или полости в теле (например, поверхности звезды, полости в печи).
Использование модели абсолютно чёрного тела дало вклад в наблюдательную астрофизику. Экспериментальное определение температуры реликтового излучения (2,73 К, космический эксперимент COBE ) как излучения абсолютно чёрного тела подтверждает теорию Большого взрыва . Измерения углового распределения анизотропии реликтового излучения помогли, в частности, определить глобальную геометрию нашей Вселенной. (Данные по анизотропии реликтового излучения получены космическими обсерваториями «Реликт-1» , COBE , WMAP и «Планк» , а также рядом баллонных экспериментов.)
Абсолютно чёрное тело может служить световым эталоном: сравнение его свойств со свойствами других реальных объектов позволяет получать качественные и количественные спектральные и интегральные характеристики их излучений. Лабораторные модели абсолютно чёрных тел также используют для измерения высоких температур оптическими методами, например методами оптической пирометрии .
Опубликовано 27 сентября 2022 г. в 10:04 (GMT+3). Последнее обновление 27 сентября 2022 г. в 10:04 (GMT+3). Связаться с редакцией
Излучение черного тела
Абсолютно черное тело, полностью поглощающее электромагнитное излучение любой частоты, при нагревании излучает энергию в виде волн, равномерно распределенных по всему спектру частот.
К концу XIX века ученые, исследуя взаимодействие электромагнитного излучения (в частности, света) с атомами вещества, столкнулись с серьезными проблемами, решить которые удалось только в рамках квантовой механики, которая, во многом, и зародилась благодаря тому, что эти проблемы возникли. Чтобы понять первую и, пожалуй, самую серьезную из этих проблем, представьте себе большой черный ящик с зеркальной внутренней поверхностью, в одной из стенок которого проделана маленькая дырочка. Луч света, проникающий в ящик через микроскопическое отверстие, навсегда остается внутри, бесконечно отражаясь от стенок. Объект, не отражающий света, а полностью поглощающий его, выглядит черным, поэтому его и принято называть черным телом. (Абсолютно чёрное тело — подобно многим другим концептуальным физическим явлениям — объект чисто гипотетический, хотя, например, полая, равномерно разогревающаяся зеркальная изнутри сфера, свет в которую проникает через единственное крохотное отверстие, является хорошим приближением.)
Вам, однако, наверняка доводилось и в реальности видеть достаточно близкие аналоги черного тела. В очаге, например, случается, что несколько поленьев сложатся практически вплотную, а внутри них выгорит довольно большая полость. Снаружи поленья остаются темными и не светятся, в то время как внутри выгоревшей полости накапливаются жар (инфракрасное излучение) и свет, и, прежде чем вырваться наружу, эти лучи многократно отражаются от стен полости. Если заглянуть в щель между такими поленьями, вы увидите яркое желто-оранжевое высокотемпературное свечение и, оттуда на вас буквально полыхнет жаром. Просто лучи на какое-то время оказались пойманными в ловушку между поленьями подобно тому, как свет полностью улавливается и поглощается вышеописанным черным ящиком.
Модель такого черного ящика помогает нам понять, как ведет себя поглощенный черным телом свет, взаимодействуя с атомами его вещества. Тут важно понять, что свет поглощается атомом, тут же испускается им и поглощается другим атомом, снова испускается и поглощается, и так будет происходить до момента достижения состояния равновесного насыщения. При нагревании черного тела до равновесного состояния интенсивность испускания и поглощения лучей внутри черного тела уравниваются: при поглощении некоего количества света определенной частоты одним атомом другой атом где-то внутри одновременно испускает такое же количество света той же частоты. Таким образом, количество поглощенного света каждой частоты внутри черного тела остается неизменной, хотя поглощают и испускают его разные атомы тела.
До этого момента поведение черного тела остается достаточно понятным. Проблемы в рамках классической физики (под «классической» здесь имеется в виду физика до появления квантовой механики) начались при попытках подсчитать энергию излучения, сохраняемую внутри абсолютно черного тела в равновесном состоянии. И скоро выяснились две вещи:
- чем выше волновая частота лучей, тем больше их накапливается внутри черного тела (то есть, чем короче длины волн исследуемой части спектра волн излучения, тем больше лучей этой части спектра внутри черного тела предсказывает классическая теория);
- чем выше частота волны, тем большую энергию она несет и, соответственно, тем больше ее сохраняется внутри черного тела.