Абсолютно черное тело

Абсолютно черное тело – физическая абстракция, применяемая в термодинамике, тело, которое полностью поглощает излучение во всех диапазонах, падающего на него. Несмотря на название, абсолютно черное тело само может испускать электромагнитное излучение. Спектр излучения абсолютно черного тела определяется только его температурой. Практической моделью черного тела может быть полость с небольшим отверстием и зачерненными стенками, поскольку свет, попадающий сквозь отверстие в полость, испытывает многократные отражения и сильно поглощается. Глубокий черный цвет некоторых материалов (древесного угля, черного бархата) и зрачка человеческого глаза объясняется тем же механизмом.
Термин введен Густавом Кирхгофом в 1862 году.



Интенсивность излучения абсолютно черного тела в зависимости от температуры и частоты определяется законом Планка:



где I (?) d ? – мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности на единицу телесного угла в диапазоне частот от ? до ? + d ?



Общая энергия теплового излучения определяется законом Стефана-Больцмана:

,

где F – мощность на единицу площади излучающей поверхности, а

Вт / (м 2 · К 4) – стала Стефана-Больцмана.




Длина волны, при которой энергия излучения максимальна, определяется законом смещения Вина:



где T – температура в кельвинах, а ? max – длина волны с максимальной интенсивностью в метрах.
Видимый цвет абсолютно черных тел с разной температурой представлен на диаграмме справа.
Движение лучей света в абсолютно черном теле Искусственно можно изготовить практически абсолютно черное тело, вичорнившы внутреннюю поверхность нагретого до определенной температуры непрозрачного тела с полостью и малым отверстием. Всякий луч, проходя сквозь отверстие А в полость С, назад практически не выходит, потому испытывает многократного отражения и поглощения. Итак, отверстие А поглощает лучи так, как абсолютно черное тело.
Следует отметить, что геометрические размеры абсолютно черного тела накладывают естественные ограничения на длину электромагнитной волны, может распространяться в нем. Действительно, если длина волны больше размеры черного тела, то она в нем просто не сможет видзеркалюватись от стенок. Этот факт особенно важен в космологии, при моделировании Вселенной, в виде абсолютно черного тела на ранних этапах развития, особенно при рассмотрении реликтового излучения.
Понятием абсолютно черного тела широко пользуются в астрофизике. Излучение Солнца близко к излучению такого тела с температурой 6000К. Вся Вселенная пронизана так называемым реликтовым излучением, близким к излучению абсолютно черного тела с температурой 3К. Сравнение полного излучения звезд с излучением такого тела, позволяет приближенно оценить эффективную температуру звезды. Отклонение излучения звезды от излучения абсолютно черного тела часто бывает весьма заметным. В глубине Солнца и звезд, нагретых до десятков миллионов градусов, излучение с высокой точностью соответствует такому излучению.
Для практической реализации модели абсолютно черного тела необходимо обеспечить возможность равномерного нагрева стенок полости и выход излучения наружу через малое отверстие. Одним из первых экспериментальных образцов черного тела был прибор изготовлен Люммером и Прингсгеймом. Он представлял собой металлическую емкость с двойными стенками (подобно термостата). Пространство между стенками использовался в качестве «температурной бани» для поддержания определенной и равномерной температуры. Это достигалось путем пропускания пару кипящей воды или для низких температур – путем наполнения льдом, твердой углекислотой, жидким воздухом и т.п.
Для исследования излучения при высоких температурах использовалось черное тело другой конструкции. Цилиндр с платиновой жести, через который подается электрический ток, нужен для равномерного нагрева внутреннего фарфорового цилиндра. Температура внутри цилиндра измерялось термопарой, а диафрагмы предотвращали охлаждению проникающим воздухом.
С помощью подобных простых приборов – моделей черного тела, были экспериментально исследованы законы излучения, точно определены его константы и изучены спектральное распределение яркости.