黑体辐射

黑体辐射描述了系统或物体的吸收和发射功率。黑体是一种吸收所有入射辐射的物体，这意味着辐射落在其上。它也以与吸收率相似的速率发射辐射。因此，黑体发出的辐射称为黑体辐射。黑体通常是良好的吸收体和发射体。

注意：黑色是热和光的良好吸收体。

示例

让我们通过一个例子来理解黑体辐射的概念。

考虑两个具有相同表面积的物体A和B，放置在一个房间里。物体A是黑体（涂有黑色），物体B具有抛光表面。一段时间后，这两个物体将处于室温。辐射会落在两个物体上。我们知道这两个物体的表面积相同；因此，落在两个物体上的辐射是相同的。

黑体A将吸收大部分辐射，只反射很少一部分。然而，抛光表面总是反射。因此，物体B将反射大部分入射辐射，吸收很少一部分。这意味着这两个物体的工作方式相反。

由于温度恒定，物体A将更快地发射辐射，而物体B发射辐射的速率较慢。因此，热的良好吸收体也是良好的发射体。由于其良好的发射特性，黑体通常被称为理想辐射体。

黑体的吸收效率是100%吗？

我们已经读到黑体吸收了所有入射辐射，占辐射的100%。但是，上面的例子表明它吸收了大部分，但反射了一部分。这是因为100%的效率只是一个理想情况，在实践中是不可能的。它只反射少量辐射，即大约1%。

如果光被封闭在一个涂有黑色的盒子里会发生什么？

让一个涂有黑色的盒子带有一个小孔，允许辐射通过。当辐射落下时，它会进入孔中，并在封闭的盒子中从一个表面反射到另一个表面。

由于在孔的对面放置了锥体，辐射几乎没有机会从孔中逸出。经过多次反射后，它会被吸收。这意味着一些反射的辐射由于盒子的图案而不会逃逸。

真实物体的行为如何？

真实物体不像完美黑体那样工作，并且从这些物体发出的辐射比预期要少。真实物体的发射功率定义了真实物体与黑体相比如何辐射发射，通常较低。它取决于各种因素，如温度、波长和发射角度。

理论

黑体辐射下的理论是光谱和黑体。黑体的理论已经在上面解释过了，让我们来讨论一下光谱。

光谱

光谱定义了黑体随温度升高所发出的辐射的颜色。在室温（约25摄氏度）下的发射处于光谱的红外区域，人眼无法看到。当温度超过500摄氏度时，发射开始出现在人眼可见的范围内。这是低强度、灰色的光。随着温度升高，辐射会呈现出暗红色、黄色等。在非常高的温度下，辐射会呈现出蓝白色。

下图显示了不同温度下的颜色图

太阳也是一种黑体，表面温度为5505摄氏度。太阳发出的电磁辐射通常是红外线、紫外线和可见光。

黑体辐射也称为热辐射。发射是体内能量转化为电磁能的过程。

黑体的发射取决于温度和频率分布。虽然理想黑体并非实际存在的例子。但是，封闭在带有一个孔的黑盒子中的辐射在某种程度上是理想黑体的例子。

方程

黑体辐射方程是由德国物理学家、诺贝尔奖获得者马克斯·卡尔·普朗克 (Max Carl Planck)、斯蒂芬-玻尔兹曼 (Stefan- Boltzmann) 和威廉·卡尔·维恩 (Wilhelm Carl Wien) 发现的。维恩也是一位德国物理学家。他们描述的定律分别被命名为普朗克黑体辐射定律、斯蒂芬-玻尔兹曼黑体辐射定律和维恩位移定律。

让我们详细讨论这些定律及其方程。

普朗克黑体辐射定律

普朗克定律由马克斯·卡尔·普朗克 (Max Carl Planck) 发现。能量量子（原子和粒子作为量子力学的一部分）的发现为他赢得了1918年诺贝尔物理学奖。尽管他在物理学领域做出了许多发现和发明，但他以量子理论的发展而闻名。

普朗克方程为

其中，

B_v(T) 是光谱辐射亮度，其单位是功率/(面积 x 立体角 x 频率)。

斯蒂芬-玻尔兹曼定律

根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，黑体辐射的发现是根据温度来描述的。

它由下式给出

j = σ T⁴

其中，

J 是辐射度

Sigma 是斯蒂芬-玻尔兹曼常数

T 是温度

它指出，“j（黑体的辐射度）”直接与热力学温度成正比，热力学温度是在热力学领域定义的温度 (T)。黑体的辐射度表示单位表面积在所有波长上辐射的总能量。

维恩位移定律

根据维恩位移定律，辐射曲线在不同波长下不同，并且与温度成反比。在马克斯·卡尔·普朗克发现之前，维恩已经发现了较短波长的黑体谱。

方程为

Λ = b/T

峰值波长 = 维恩位移常数/绝对温度

其中，

Lambda (Λ)

维恩位移常数 (b)

绝对温度 (T)

维恩位移常数 (b) 也称为比例常数。

黑体辐射源

有各种各样的辐射源或发射黑体辐射。辐射源发出的辐射量取决于光谱、温度、发射率、预热时间、冷却时间和稳定性。没有单一的物体是完美的黑体辐射体。但是，碳或石墨形式的材料可以是良好的黑体辐射体。让我们讨论一些最常见的来源，如下所述：

• 电加热器
• 防盗报警器
• 恒星
• 炉灶
• 白炽灯泡

电加热器和灯泡等热源将电能转化为光能。灯丝被加热并开始在红外区域辐射能量。一旦灯丝被加热到其全部能量，它就会达到并发出近乎白色的光。当电压较低时，这些热源会由于能量不足而发出白光。

恒星由于在不同温度下发出的辐射而呈现出不同的颜色。这是因为恒星也是一种黑体。在炉灶的情况下，它在高温下表现得像黑体。

黑体的应用

黑体的应用如下：

• 照明
  如果物体的温度很高，该物体的黑体辐射就会以光的形式显现出来。光是由于电荷的热运动而形成的。
• 安全性
  黑体在特定波长和温度下发出的辐射有助于安全系统，例如防盗报警器、光电传感器等。
• 热成像
  黑体发出的辐射允许从任何质量进行可见探测，这进一步有助于通过热像仪形成图像。
• 加热
  在特定温度下的辐射将物体的内部辐射转化为电磁辐射。吸收辐射后，黑体根据其温度发射热辐射。