Что такое излучение абсолютно черного тела. Какие основные законы описывают это явление. Как применяется концепция абсолютно черного тела в науке и технике.
Что такое абсолютно черное тело и его излучение
Абсолютно черное тело — это идеализированный физический объект, который полностью поглощает все падающее на него электромагнитное излучение во всем диапазоне частот. При этом абсолютно черное тело является идеальным излучателем — его собственное тепловое излучение имеет максимально возможную интенсивность для данной температуры.
Излучение абсолютно черного тела — это электромагнитное излучение, испускаемое таким идеальным объектом. Его спектральные и энергетические характеристики зависят только от температуры тела и описываются фундаментальными законами теплового излучения.
Основные законы излучения абсолютно черного тела
Свойства излучения абсолютно черного тела описываются следующими основными законами:
Закон Планка
Закон Планка описывает спектральное распределение энергии в излучении абсолютно черного тела. Он устанавливает зависимость спектральной плотности энергетической светимости от длины волны и температуры:
r(λ,T) = (2πhc^2 / λ^5) * (1 / (e^(hc/λkT) — 1))
где h — постоянная Планка, c — скорость света, k — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура, λ — длина волны.
Закон смещения Вина
Закон Вина определяет длину волны, на которую приходится максимум спектральной плотности излучения абсолютно черного тела:
λmax = b / T
где b ≈ 2,9×10^−3 м·К — постоянная Вина.
Закон Стефана-Больцмана
Закон Стефана-Больцмана устанавливает зависимость полной мощности излучения абсолютно черного тела от температуры:
P = σT^4
где σ ≈ 5,67×10^−8 Вт/(м^2·К^4) — постоянная Стефана-Больцмана.
Экспериментальные исследования излучения абсолютно черного тела
Хотя абсолютно черное тело является идеализацией, его свойства можно с высокой точностью воспроизвести экспериментально. Для этого используются специальные устройства — модели абсолютно черного тела.
Простейшая модель представляет собой замкнутую полость с небольшим отверстием. Излучение, выходящее из отверстия, по своим характеристикам очень близко к излучению абсолютно черного тела.
С помощью таких моделей были экспериментально установлены основные законы теплового излучения и получены точные значения фундаментальных постоянных, входящих в эти законы.
Применение концепции абсолютно черного тела в науке и технике
Концепция абсолютно черного тела и законы его излучения имеют широкое практическое применение:
- В астрофизике для определения температуры звезд и других космических объектов
- В метрологии в качестве эталонов излучения
- Для калибровки оптических приборов и датчиков
- В термографии и тепловидении
- При разработке высокоэффективных излучателей и поглотителей
Роль излучения абсолютно черного тела в развитии квантовой физики
Исследование свойств излучения абсолютно черного тела сыграло ключевую роль в становлении квантовой физики. Попытки объяснить экспериментально наблюдаемый спектр излучения в рамках классической физики привели к так называемой «ультрафиолетовой катастрофе».
Разрешить это противоречие удалось Максу Планку, который в 1900 году выдвинул революционную идею о квантовании энергии излучения. Это положило начало развитию квантовой теории, кардинально изменившей представления о природе микромира.
Отличие реальных тел от абсолютно черного тела
Реальные физические тела отличаются от идеального абсолютно черного тела. Их способность поглощать и излучать электромагнитные волны характеризуется коэффициентом излучения (или степенью черноты) ε, который всегда меньше единицы.
Для реальных тел справедливы модифицированные законы теплового излучения. Например, закон Стефана-Больцмана для реального тела имеет вид:
P = εσT^4
где ε — коэффициент излучения тела (0 < ε < 1).
Технологии, приближающие свойства реальных объектов к абсолютно черному телу
Хотя идеальное абсолютно черное тело — это теоретическая абстракция, современные технологии позволяют создавать материалы и покрытия, очень близкие по своим свойствам к абсолютно черному телу. Среди них:
- Углеродные нанотрубки, способные поглощать до 99,9% падающего излучения
- Сверхчерные покрытия на основе оксида алюминия
- Метаматериалы с искусственно созданной структурой
Такие материалы находят применение в оптике, солнечной энергетике, космической технике и других областях.
Заключение
Концепция абсолютно черного тела и законы его излучения являются фундаментальными в физике. Они не только описывают важные свойства теплового излучения, но и лежат в основе многих практических приложений — от определения температуры звезд до разработки высокоточных измерительных приборов. Исследование излучения абсолютно черного тела сыграло ключевую роль в развитии квантовой физики, открыв дорогу к пониманию квантовой природы света и вещества.
1.2. Эмпирические законы излучения абсолютно черного тела
Изучение распределения энергии в спектре теплового излучения абсолютно черного тела при различных температурах привело к экспериментальному установлению следующих закономерностей.
|
1.6).
Рис. 1.6. Испускательная способность черного тела при разных температурах
Если нагревать любое тело, то оно вначале краснеет, а с повышением температуры свечение тела становится все более белым. Это свидетельствует о том, что максимум интенсивности теплового излучения по мере повышения температуры тела смещается к фиолетовому концу спектра, то есть к его коротковолновой части. Длина волны в спектре излучения абсолютно черного тела, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости, определяется законом смещения Вина:
|
|
(1.10) |
где постоянная Вина
Видео 1.
3. Закон смещения Вина.
Австрийский физик Й. Стефан, анализировавший экспериментальные данные, и Л. Больцман, исходивший из общих термодинамических соображений, установили зависимость энергетической светимости абсолютно черного тела от температуры. Согласно закону Стефана — Больцмана,
|
Энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры
|
Экспериментально найденный коэффициент пропорциональности — постоянная Стефана — Больцмана — оказался равным
1.7. Вин Вильгельм (1864–1928)
Рис. 1.8. Стефан Йозеф (1835–1893)
Рис. 1.9. Больцман Людвиг (1844–1906)
Абсолютно черное тело (АЧТ). Виды и значение. Применение
Абсолютно черное тело (АЧТ) – это понятие, относящееся к теории теплового излучения. Оно обозначает тело, имеющее свойство полностью поглощать любое попадающее на его поверхность электромагнитное излучение вне зависимости от длины волны и температуры собственной поверхности. Поглощающий коэффициент такого тела равен 1. Коэффициент отображает отношение поглощаемой энергии к энергии падающего потока. Для него характерно наличие собственного электромагнитного излучения любой частоты. Спектры его излучения способны определятся только в температурном выражении.
Понятие абсолютного черного тела является абстрактным, поскольку не существует ни одного предмета или явления, способного поглощать электромагнитное излучение, имея при этом коэффициент равный 1.
Находящиеся в космосе черные дыры не принимаются во внимание, поскольку невозможно проконтролировать их температуру, чтобы высчитать уровень излучения и фактический коэффициент, если он вообще имеется.Коэффициент поглощения на уровне 1 это идеал, которого не существует. Тем не менее, есть вещества, которые очень близки к данному результату. В первую очередь к ним относится сажа и платиновая чернь. Поверхность сажи способна поглощать до 99% падающего излучения. Такой показатель достигается только при работе с видимыми волнами. При попадании инфракрасных волн излучение осуществляется значительно лучше, поэтому сажа теряет свою приближенность к абсолютному черному телу.
Из космических тел солнечной системы практически свойствами АЧТ обладает Солнце. Дело в том, что его излучение происходит с длиной волны 450 нм, при фактической температуре наружных слоев в 6000 К. Это фактически имеет близкий результат к коэффициенту 1.
Абсолютно черное тело — это одна из главных причина появления такого понятия, а в последующем и дисциплины как квантовая механика.
Также абсолютно черное тело актуально в термодинамике, астрономии и теории теплового излучения.
Чтобы визуально продемонстрировать принцип работы абсолютного черного тела применяется несложная в изготовлении модель. Ее можно сделать даже самостоятельно используя недорогое подручное оборудование. Для этого необходимо взять непрозрачный ящик. В качестве него может использоваться картонная коробка от обуви или различных продуктов питания. Одну из ее боковых стенок необходимо покрасить в черный цвет или наклеить плотную черную бумагу. Чем она темнее, тем лучше. В центре оклеенной стенки делается сквозное отверстие. Теперь, если смотреть на данную коробку, когда она находится в закрытом состоянии, можно увидеть, что проделанное отверстие намного чернее, чем черная бумага оклеенная вокруг него.
Поскольку отверстие в коробке небольшое, то тонкий пучок света, попадающий в ее полость, многократно отображается от стенок. Как следствие волна медленно затухает.
Если она и сможет отобразиться таким образом, чтобы выйти обратно в отверстие, через которое попала, то претерпит настолько сильное изменения, что фактический не будет заметной.
В лабораторных условиях применяются более сложные макеты, сделанные из термостойкого материала. При таком макете возможно проводить его нагрев, что приведет к появлению собственного видимого излучения. Это расширяет диапазон экспериментов.
Самый черный материал в миреПо принципу абсолютного черного тела был разработан материал под названием Vantablack 2, который не поддается измерению спектрометром. Он был получен в 2014 году и является самым темным предметом известным человеку. Он состоит из миниатюрных нанотрубок. Попадающий в их отверстия свет обратно практически не возвращается. Коэффициент их отражения насколько низок, что составляет всего 0,036%.
При исследовании данного материала можно увидеть множество интересных свойств. К примеру, если навести на такое абсолютно черное тело лазерную указку, то она вообще не отображается.
Лазерная точка не видна на поверхности, в результате чего создается впечатление, что указка не включена. То же самое касается и любого другого светового оборудования.
Если из этого материала сделать объемную вещь, то при взгляде прямо она всегда выглядит как плоское пятно, поскольку контуры выступов совершенно не просматриваются. Существует несколько предметов искусства, сделанные современными художниками с применением материала Vantablack 2.
Для изготовления данного материала применяются нанотрубки, толщина которых составляет всего 20 нанометров. Это действительно мало, даже в сравнении с человеческим волосом. Фактически такая трубка в 3500 раз тоньше волоса. Один квадратный сантиметр поверхности такого материала состоит из миллиарда нанотрубок.
Принцип действия такого черного тела можно сравнить с лесными деревьями. Посещая лес или парк где имеются деревья высотой в 20 м можно заметить, что солнечный свет практически не достигает поверхности земли. Чтобы провести аналогию с Vantablack 2 нужно, чтобы высота таких деревьев составляла 3000 м, что и позволит достигнуть того эффекта, который создается между стенками нанотрубок.
Любое вещество, работающее как абсолютно черное тело, приобретает весьма ценные свойства. Они поглощают спектр видимого света, ультрафиолета, инфракрасного излучения и так далее. Это весьма перспективное направление развития военной техники, которая при обладании такими свойствами могла бы стать невидимой для технического обнаружения. Что касается научного применения, то абсолютно черные тела могут использоваться для калибровки оптического оборудования. Существуют установки, которые работает по принципу рассмотренному на примере коробки с отверстием. С их помощью осуществляется проверка и настройка работы бесконтактного термометра. Подобные приборы используются в качестве эталона, применяемого при измерении высоких температур с помощью пирометров.
Закон Стефана — БольцманаПоскольку для абсолютно черного тела характерна невозможность фиксации излучения с применением технического оборудования, то для этого применяется закон Стефана-Больцмана.
Это интегральный закон позволяющий определять зависимость плотности мощности излучения от температуры АЧТ. Словесная форма закона звучит следующим образом. Полная объемная плотность равновесного излучения и испускательная способность пропорциональны четвертой степени температуры абсолютно черного тела.
Свое название закон получил от имен двух ученых. Изначально он был открыт Стефаном в 1879 году. Однако его теоретическая составляющая не была закончена. Именно эту часть закона и вывел Больцман.
Приборы АЧТВ продаже предлагается устройство абсолютно черное тело, которое является эталонным излучателем для проведения поверки пирометров. Они позволяют контролировать точность в диапазоне от +100 до +1100 градусов. Также существуют и более совершенные устройства с увеличенным диапазоном излучение, но их стоимость на порядок выше. Такие установки состоят из трубчатой печи, блока управления и эталонного преобразователя.
Похожие темы:
- Пирометры.
Виды и устройство. Измерения и применение - Виды экранирующих материалов. Применение и экранирование
- Клетка Фарадея. Работа и применение. История
- Аэрогель. Виды и применение. Плюсы и минусы. Особенности
Виды и устройство. Измерения и применение
Эксперимент подтверждает соотношение Планка.
Тщательная работа по разработке закона Рэлея-Джинса заложила основу для квантового понимания, выраженного в формуле излучения Планка. Вот в общих чертах шаги, которые привели к закону Рэлея-Джинса.
И наоборот, когда температура тела увеличивается , длина волны на пике излучения уменьшается .
