Teljesen fekete test. A fekete test probléma a newtoni fizikában.

Teljesen fekete test

Teljesen fekete test- a termodinamikában használt fizikai idealizálás, olyan test, amely minden tartományban elnyeli a rá eső elektromágneses sugárzást, és semmit sem tükröz vissza. A név ellenére maga a fekete test bármilyen frekvenciájú elektromágneses sugárzást bocsáthat ki, és vizuálisan színe van. A fekete test sugárzási spektrumát csak a hőmérséklete határozza meg.

Az abszolút fekete test jelentősége általában bármely (szürke és színesfém) test hősugárzási spektrumának kérdésében amellett, hogy a legegyszerűbb, nem triviális esetet képviseli, abban is rejlik, hogy a tetszőleges színű testek egyensúlyi hősugárzási spektrumának és a reflexiós együtthatónak a kérdését a klasszikus fekete test módszereivel redukálják (ezt már az abszolút termodinamika kérdésével végezték). században, amikor az abszolút fekete test sugárzásának problémája került előtérbe).

A legfeketébb valódi anyagok, például a korom a beeső sugárzás akár 99%-át is elnyelik (azaz albedójuk 0,01) a látható hullámhossz-tartományban, de az infravörös sugárzást sokkal rosszabbul nyeli el. A Naprendszer testei közül a Nap abszolút fekete test tulajdonságaival rendelkezik a legnagyobb mértékben.

A kifejezést Gustav Kirchhoff vezette be 1862-ben.

Gyakorlati modell

Fekete testű modell

Abszolút fekete testek nem léteznek a természetben (kivéve a fekete lyukakat), ezért a fizikában modellt használnak a kísérletekhez. Ez egy zárt üreg, kis nyílással. Az ezen a lyukon át bejutó fény többszöri visszaverődés után teljesen elnyelődik, és a lyuk kívülről teljesen feketének tűnik. De ha ezt az üreget felmelegítjük, akkor saját látható sugárzása lesz. Mivel az üreg belső falai által kibocsátott sugárzás, mielőtt kilép (elvégre a lyuk nagyon kicsi), az esetek túlnyomó többségében hatalmas számú új elnyelésen és sugárzáson megy keresztül, bizonyosan elmondható, hogy az üreg belsejében lévő sugárzás termodinamikai egyensúlyban van a falakkal. (Valójában a lyuk ennél a modellnél egyáltalán nem fontos, csak a benne lévő sugárzás alapvető megfigyelhetőségének hangsúlyozására van szükség; a lyukat például teljesen be lehet zárni, és csak akkor lehet gyorsan kinyitni, ha az egyensúly már kialakult és a mérés is folyamatban van).

A fekete test sugárzásának törvényei

Klasszikus megközelítés

Kezdetben tisztán klasszikus módszereket alkalmaztak a probléma megoldására, amelyek számos fontos és helyes eredményt adtak, de nem tették lehetővé a probléma teljes megoldását, végül nem csak a kísérlettől való éles eltéréshez, hanem belső ellentmondáshoz is - az ún. ultraibolya katasztrófa.

A fekete test sugárzásának törvényszerűségeinek tanulmányozása a kvantummechanika megjelenésének egyik előfeltétele volt.

Bécs első sugárzási törvénye

1893-ban Wilhelm Wien a klasszikus termodinamika mellett a fény elektromágneses elméletét is felhasználva a következő képletet vezette le:

Ahol uν a sugárzási energiasűrűség,

ν - sugárzási frekvencia,

T a sugárzó test hőmérséklete,

f olyan funkció, amely csak a frekvenciától és a hőmérséklettől függ. Ennek a függvénynek a formája nem határozható meg pusztán termodinamikai megfontolások alapján.

Wien első képlete minden frekvenciára érvényes. Minden konkrétabb képletnek (például Planck törvényének) meg kell felelnie Wien első formulájának.

Wien első képletéből származtatható a Wien-féle eltolási törvény (maximális törvény) és a Stefan-Boltzmann-törvény, de ezekben a törvényekben nem található meg az állandók értéke.

Történelmileg ez volt Bécs első törvénye, amelyet az eltolás törvényének neveztek, de manapság a "Wien elmozdulási törvénye" kifejezés a maximum törvényére utal.

Bécs második sugárzási törvénye

1896-ban Wien további feltevéseken alapuló második törvényt vezetett le:

Ahol C 1 , C 2 - állandók. A tapasztalatok azt mutatják, hogy a második Wien-képlet csak a magas frekvenciák (rövid hullámhossz) határain érvényes. Bécs első törvényének egy speciális esete.

Később Max Planck kimutatta, hogy Wien második törvénye a nagy fotonenergiákra vonatkozó Planck-törvényből következik, és megtalálta az állandókat is. C 1 és C 2. Ezt szem előtt tartva Bécs második törvénye a következőképpen írható fel:

Ahol h Planck állandója,

k a Boltzmann állandó,

c a fény sebessége vákuumban.

Rayleigh-Jeans törvény

Az abszolút fekete test sugárzásának leírására tett kísérlet a termodinamika és az elektrodinamika klasszikus elvei alapján a Rayleigh-Jeans törvényhez vezet:

Ez a képlet a sugárzás spektrális sűrűségének másodfokú növekedését feltételezi a frekvenciától függően. A gyakorlatban egy ilyen törvény az anyag és a sugárzás közötti termodinamikai egyensúly ellehetetlenülését jelentené, mivel eszerint a spektrum rövid hullámhosszú tartományában minden hőenergiát sugárzási energiává kellene alakítani. Egy ilyen hipotetikus jelenséget ultraibolya katasztrófának neveztek.

Ennek ellenére a Rayleigh-Jeans sugárzási törvény a spektrum hosszú hullámhosszú tartományára érvényes, és megfelelően leírja a sugárzás természetét. Az ilyen megfeleltetés ténye csak a kvantummechanikai megközelítéssel magyarázható, amely szerint a sugárzás diszkréten történik. A kvantumtörvények alapján megkaphatja a Planck-képletet, amely egybeesik a Rayleigh-Jeans formulával.

Ez a tény kiválóan illusztrálja a megfelelési elv működését, amely szerint egy új fizikai elméletnek meg kell magyaráznia mindent, amit a régi meg tudott magyarázni.

Planck törvénye

A fekete test sugárzási teljesítményének függése a hullámhossztól.

Az abszolút fekete test sugárzási intenzitását a hőmérséklettől és a frekvenciától függően a Planck törvénye:

ahol a sugárzó felület egységnyi területére eső sugárzási teljesítmény egységnyi frekvenciaintervallumban merőleges irányban egységnyi térszögre (SI egység: J s −1 m −2 Hz −1 sr −1).

Ezzel egyenértékűen

ahol a sugárzó felület egységnyi területére eső sugárzási teljesítmény egységnyi hullámhossz intervallumban merőleges irányban egységnyi térszögre (SI egység: J s −1 m −2 m −1 sr −1).

A fekete test egységnyi felületéről érkező sugárzás teljes (azaz minden irányban kibocsátott) spektrális teljesítményét ugyanazokkal a képletekkel írjuk le a π együtthatóig: ε(ν, T) = π én(ν, T), ε(λ, T) = π u(λ, T).

Stefan-Boltzmann törvény

A hősugárzás teljes energiáját a Stefan-Boltzmann törvény határozza meg, amely kimondja:

Egy fekete test sugárzási teljesítménye (a teljes spektrumban integrált teljesítmény) egységnyi felületre vetítve egyenesen arányos a testhőmérséklet negyedik hatványával:

ahol a sugárzó felület egységnyi területére eső teljesítmény, és

W/(m² K 4) - Stefan-Boltzmann állandó.

Így egy abszolút fekete test = 100 K hőmérsékleten 5,67 wattot sugároz felületének négyzetméterenként. 1000 K hőmérsékleten a sugárzási teljesítmény négyzetméterenként 56,7 kilowattra nő.

A nem fekete testekre hozzávetőlegesen a következőket írhatjuk:

hol van a feketeség foka (minden anyagnál teljesen fekete testnél).

A Stefan-Boltzmann konstans elméletileg csak kvantummegfontolásokból, a Planck-képlet segítségével számítható ki. Ugyanakkor a képlet általános formája klasszikus megfontolásból is megkapható (ami nem szünteti meg az ultraibolya katasztrófa problémáját).

Wien eltolási törvénye

Azt a hullámhosszt, amelynél a fekete test sugárzási energiája maximális, határozza meg Wien eltolási törvénye:

ahol a hőmérséklet kelvinben és a hullámhossz maximális intenzitással méterben.

Tehát, ha az első közelítésben feltételezzük, hogy az emberi bőr tulajdonságaiban közel áll egy teljesen fekete testhez, akkor a sugárzási spektrum maximuma 36 ° C (309 K) hőmérsékleten 9400 nm hullámhosszon van (a spektrum infravörös tartományában).

A különböző hőmérsékletű, teljesen fekete testek látható színét a diagram mutatja.

Fekete test sugárzás

Az adott hőmérsékleten abszolút fekete testtel termodinamikai egyensúlyban lévő elektromágneses sugárzást (például egy teljesen fekete testben egy üregben lévő sugárzást) feketetest (vagy termikus egyensúlyi) sugárzásnak nevezzük. Az egyensúlyi hősugárzás homogén, izotróp és nem polarizált, nincs benne energiaátadás, minden jellemzője csak egy abszolút feketetest-kibocsátó hőmérsékletétől függ (és mivel a feketetest-sugárzás termikus egyensúlyban van egy adott testtel, ez a hőmérséklet a sugárzásnak tulajdonítható). A feketetest sugárzás térfogati energiasűrűsége egyenlő a nyomásával egyenlő Tulajdonságait tekintve nagyon közel áll a feketetesthez az úgynevezett ereklyesugárzás, vagy a kozmikus mikrohullámú háttér - az Univerzumot körülbelül 3 K hőmérsékletű sugárzás tölti ki.

A fekete test sugárzás kromatikussága

A színek a szórt nappali fénnyel összehasonlítva vannak megadva. A valóban érzékelt szín torzulhat, ha a szem alkalmazkodik a fényviszonyokhoz.

Kirchhoff sugárzási törvénye

A Kirchhoff-féle sugárzási törvény egy fizikai törvény, amelyet Kirchhoff német fizikus állapított meg 1859-ben.

A törvény jelenlegi szövege a következő:

Bármely test emissziós tényezőjének és abszorpciós képességének aránya minden testre azonos hőmérsékleten, adott frekvencián, és nem függ alakjuktól és kémiai természetüktől.

Ismeretes, hogy ha elektromágneses sugárzás esik egy bizonyos testre, annak egy része visszaverődik, egy része elnyelődik, és egy része továbbítható. Az elnyelt sugárzás egy adott frekvenciájú hányadát ún abszorpciós képesség test . Másrészt minden felmelegített test egy bizonyos törvény szerint energiát sugároz, ún a test emissziós képessége.

A és értékei nagymértékben változhatnak, amikor egyik testről a másikra mozognak, azonban a Kirchhoff sugárzási törvény szerint a kibocsátó és elnyelő képességek aránya nem függ a test természetétől, és a frekvencia (hullámhossz) és a hőmérséklet univerzális függvénye:

Értelemszerűen egy teljesen fekete test elnyeli az összes rá, vagyis érte eső sugárzást. Ezért a függvény egybeesik egy abszolút fekete test emissziós képességével, amelyet a Stefan-Boltzmann törvény ír le, aminek következtében bármely test emissziós képessége csak az abszorpciós képessége alapján állapítható meg.

A valódi testek abszorpciós képessége kisebb, mint az egysége, és ennélfogva kisebb az emissziós képessége, mint a teljesen fekete testeké. Azokat a testeket, amelyek abszorpciós képessége nem függ a frekvenciától, szürkének nevezzük. Spektrumuk ugyanolyan formájú, mint egy teljesen fekete testé. Általános esetben a testek abszorpciós képessége függ a frekvenciától és a hőmérséklettől, spektrumuk pedig jelentősen eltérhet az abszolút fekete test spektrumától. A különböző felületek emissziós képességének vizsgálatát először a skót tudós, Leslie végezte saját találmánya - a Leslie-kocka - segítségével.

Minden tartományban és semmit sem tükröz. A név ellenére maga a fekete test bármilyen frekvenciájú és vizuálisan is képes elektromágneses sugárzást kibocsátani. A fekete test sugárzási spektrumát csak a hőmérséklete határozza meg.

Az abszolút fekete test jelentősége általában bármely (szürke és színesfém) test hősugárzási spektrumának kérdésében amellett, hogy a legegyszerűbb, nem triviális esetet képviseli, abban is rejlik, hogy a tetszőleges színű testek egyensúlyi hősugárzási spektrumának és a reflexiós együtthatónak a kérdését a klasszikus fekete test módszereivel redukálják (ezt már az abszolút termodinamika kérdésével végezték). században, amikor az abszolút fekete test sugárzásának problémája került előtérbe).

A legfeketébb valódi anyagok, például a korom a beeső sugárzás akár 99%-át is elnyelik (azaz albedójuk 0,01) a látható hullámhossz-tartományban, de az infravörös sugárzást sokkal rosszabbul nyeli el. A Naprendszer testei közül a Nap abszolút fekete test tulajdonságaival rendelkezik a legnagyobb mértékben.

Gyakorlati modell

Fekete testű modell

Abszolút fekete testek nem léteznek a természetben (kivéve a fekete lyukakat), ezért a fizikában modellt használnak a kísérletekhez. Ez egy zárt üreg, kis nyílással. Az ezen a lyukon át bejutó fény többszöri visszaverődés után teljesen elnyelődik, és a lyuk kívülről teljesen feketének tűnik. De ha ezt az üreget felmelegítjük, akkor saját látható sugárzása lesz. Mivel az üreg belső falai által kibocsátott sugárzás, mielőtt kilép (végül is a lyuk nagyon kicsi), az esetek túlnyomó többségében hatalmas számú új abszorpción és sugárzáson megy keresztül, bátran kijelenthető, hogy az üreg belsejében lévő sugárzás termodinamikai egyensúlyban van a falakkal. (Valójában a lyuk ennél a modellnél egyáltalán nem fontos, csak a benne lévő sugárzás alapvető megfigyelhetőségének hangsúlyozására van szükség; a lyukat például teljesen be lehet zárni, és csak akkor lehet gyorsan kinyitni, ha az egyensúly már kialakult és a mérés folyamatban van).

A fekete test sugárzásának törvényei

Klasszikus megközelítés

Kezdetben tisztán klasszikus módszereket alkalmaztak a probléma megoldására, amelyek számos fontos és helyes eredményt adtak, de nem tették lehetővé a probléma teljes megoldását, végül nem csak a kísérlettől való éles eltéréshez, hanem belső ellentmondáshoz is - az ún. ultraibolya katasztrófa.

Az abszolút fekete test sugárzási törvényeinek tanulmányozása volt az egyik előfeltétele a kvantummechanika megjelenésének.

Bécs első sugárzási törvénye

Rayleigh-Jeans törvény

Az abszolút fekete test sugárzásának leírására tett kísérlet a termodinamika és az elektrodinamika klasszikus elvei alapján a Rayleigh-Jeans törvényhez vezet:

Ez a képlet a sugárzás spektrális sűrűségének másodfokú növekedését feltételezi a frekvenciától függően. A gyakorlatban egy ilyen törvény az anyag és a sugárzás közötti termodinamikai egyensúly ellehetetlenülését jelentené, mivel eszerint a spektrum rövid hullámhosszú tartományában minden hőenergiát sugárzási energiává kellene alakítani. Egy ilyen hipotetikus jelenséget ultraibolya katasztrófának neveztek.

Ennek ellenére a Rayleigh-Jeans sugárzási törvény a spektrum hosszú hullámhosszú tartományára érvényes, és megfelelően leírja a sugárzás természetét. Az ilyen megfeleltetés ténye csak a kvantummechanikai megközelítéssel magyarázható, amely szerint a sugárzás diszkréten történik. A kvantumtörvények alapján megkaphatjuk a Planck-képletet, amely egybeesik a Rayleigh-Jeans formulával.

Ez a tény kiválóan illusztrálja a megfelelési elv működését, amely szerint egy új fizikai elméletnek meg kell magyaráznia mindent, amit a régi meg tudott magyarázni.

Planck törvénye

Az abszolút fekete test sugárzási intenzitását a hőmérséklettől és a frekvenciától függően a Planck törvénye:

ahol a sugárzó felület egységnyi területére eső sugárzási teljesítmény egységnyi frekvenciaintervallumban merőleges irányban egységnyi térszögre (SI egység: J s −1 m −2 Hz −1 sr −1).

Ezzel egyenértékűen

ahol a sugárzó felület egységnyi területére eső sugárzási teljesítmény egységnyi hullámhossz intervallumban merőleges irányban egységnyi térszögre (SI egység: J s −1 m −2 m −1 sr −1).

A fekete test egységnyi felületéről érkező sugárzás teljes (azaz minden irányban kibocsátott) spektrális teljesítményét ugyanazokkal a képletekkel írjuk le a π együtthatóig: ε(ν, T) = π én(ν, T) , ε(λ, T) = π u(λ, T) .

Stefan-Boltzmann törvény

A hősugárzás teljes energiáját a Stefan-Boltzmann törvény határozza meg, amely kimondja:

A fekete test sugárzási teljesítménye (a teljes spektrumban integrált teljesítmény) egységnyi felületre vetítve egyenesen arányos a testhőmérséklet negyedik hatványával:

Ahol j a sugárzó felület egységnyi területére eső teljesítmény, és

Így egy teljesen fekete test T= 100 K 5,67 wattot bocsát ki felületének négyzetméterére. 1000 K hőmérsékleten a sugárzási teljesítmény négyzetméterenként 56,7 kilowattra nő.

A nem fekete testekre hozzávetőlegesen a következőket írhatjuk:

hol van a feketeség foka (minden anyagnál teljesen fekete testnél).

A Stefan-Boltzmann konstans elméletileg csak kvantummegfontolásokból, a Planck-képlet segítségével számítható ki. Ugyanakkor a képlet általános formája klasszikus megfontolásból is megkapható (ami nem szünteti meg az ultraibolya katasztrófa problémáját).

Wien eltolási törvénye

Azt a hullámhosszt, amelynél a fekete test sugárzási energiája maximális, határozza meg Wien eltolási törvénye:

Ahol T a hőmérséklet kelvinben, és a maximális intenzitású hullámhossz méterben.

Tehát, ha az első közelítésben feltételezzük, hogy az emberi bőr tulajdonságaiban közel áll egy teljesen fekete testhez, akkor a sugárzási spektrum maximuma 36 ° C (309 K) hőmérsékleten 9400 nm hullámhosszon van (a spektrum infravörös tartományában).

A különböző hőmérsékletű, teljesen fekete testek látható színét a diagram mutatja.

Fekete test sugárzás

Az adott hőmérsékleten abszolút fekete testtel termodinamikai egyensúlyban lévő elektromágneses sugárzást (például egy teljesen fekete testben egy üregben lévő sugárzást) feketetest (vagy termikus egyensúlyi) sugárzásnak nevezzük. Az egyensúlyi hősugárzás homogén, izotróp és nem polarizált, nincs benne energiaátadás, minden jellemzője csak egy abszolút feketetest-kibocsátó hőmérsékletétől függ (és mivel a feketetest-sugárzás termikus egyensúlyban van egy adott testtel, ez a hőmérséklet a sugárzásnak tulajdonítható). A feketetest-sugárzás térfogati energiasűrűsége megegyezik a nyomásával, tulajdonságaiban nagyon közel áll a feketetest-sugárzáshoz az úgynevezett reliktumsugárzás, vagy a kozmikus mikrohullámú háttér - az Univerzumot körülbelül 3 K hőmérsékletű sugárzás tölti ki.

A fekete test sugárzás kromatikussága

A színek a szórt nappali fénnyel összehasonlítva vannak megadva (

A "fekete test" fogalmát Gustav Kirchhoff német fizikus vezette be a 19. század közepén. Egy ilyen fogalom bevezetésének szükségessége a hősugárzás elméletének fejlődéséhez társult.

A fekete test egy idealizált test, amely minden hullámhossz-tartományban elnyeli a rá eső elektromágneses sugárzást, és nem tükröz vissza semmit.

Így minden beeső sugárzás energiája teljesen átkerül a fekete testbe, és átalakul belső energiává. A fekete test abszorpciójával egyidejűleg elektromágneses sugárzást is bocsát ki és energiát veszít. Ráadásul ennek a sugárzásnak az erejét és spektrális tartalmát csak a fekete test hőmérséklete határozza meg. A fekete test hőmérséklete határozza meg, hogy mennyi sugárzást bocsát ki infravörös, látható, ultraibolya és egyéb tartományokban. Ezért a fekete test, a neve ellenére, kellően magas hőmérsékleten a látható tartományban sugárzik, és vizuálisan színt kap. Napunk egy példa az 5800 °C-os hőmérsékletre felmelegített objektumra, miközben tulajdonságaiban közel áll egy fekete testhez.

Abszolút fekete testek nem léteznek a természetben, ezért a fizikában modellt használnak a kísérletekhez. Leggyakrabban ez egy zárt üreg kis bemenettel. Az ezen a lyukon keresztül bejutó sugárzást többszöri visszaverődés után a falak teljesen elnyelik. A lyukba belépő sugárzás egyetlen része sem verődik vissza onnan – ez megfelel a feketetest definíciójának (teljes abszorpció és nincs visszaverődés). Ebben az esetben az üreg saját sugárzással rendelkezik, amely megfelel a hőmérsékletének. Mivel az üreg belső falainak önsugárzása is hatalmas számú új abszorpciót és sugárzást eredményez, elmondható, hogy az üreg belsejében lévő sugárzás termodinamikai egyensúlyban van a falakkal. Ennek az egyensúlyi sugárzásnak a jellemzőit csak az üreg (fekete test) hőmérséklete határozza meg: a Stefan-Boltzmann törvény szerinti teljes (minden hullámhosszon) sugárzási energia, a sugárzási energia hullámhosszonkénti eloszlását pedig a Planck-képlet írja le.

Abszolút fekete testek nem léteznek a természetben. Vannak példák olyan testekre, amelyek jellemzőikben csak a legközelebb állnak a teljesen feketéhez. Például a korom a ráeső fény 99%-át képes elnyelni. Nyilvánvaló, hogy az anyag felületének különleges érdessége lehetővé teszi a visszaverődések minimálisra csökkentését. Az ismétlődő visszaverődésnek, majd az elnyelésnek köszönhetően fekete tárgyakat látunk, mint például a fekete bársony.

Egyszer a szentpétervári Gillette borotvapenge-gyárban találkoztam egy tárggyal egy fekete testhez nagyon közel, ahol még a hőképalkotás előtt volt alkalmam dolgozni. A klasszikus kétoldalas borotvapengék a technológiai folyamat során „késekké” vannak összeállítva, egy csomagban akár 3000 penge is. Az oldalfelület, amely sok, egymáshoz szorosan összenyomott élezett pengéből áll, bársonyfekete, bár minden egyes acélpengének van fényes, élesen kihegyezett acéléle. Az ablakpárkányon hagyott pengetömb napsütéses időben akár 80°C-ot is elérhet. Ugyanakkor az egyes pengék gyakorlatilag nem melegedtek fel, mivel a sugárzás nagy részét visszaverték. A csavarok és csapok menetei hasonló felületi formájúak, emissziós tényezőjük nagyobb, mint a sima felületeken. Ezt a tulajdonságot gyakran használják elektromos berendezések hőképes vezérlésére.

A tudósok olyan anyagok létrehozásán dolgoznak, amelyek tulajdonságai közel állnak az abszolút fekete testek tulajdonságaihoz. Például az optikai tartományban jelentős eredményeket értek el. 2004-ben Angliában kifejlesztettek egy nikkel és foszfor ötvözetet, amely egy mikroporózus bevonat volt, és 0,16–0,18%-os reflexiós tényezője volt. Ez az anyag a világ legfeketébb anyagaként szerepelt a Guinness Rekordok Könyvében. 2008-ban amerikai tudósok új rekordot állítottak fel - az általuk növesztett vékony film, amely függőleges széncsövekből áll, szinte teljesen elnyeli a sugárzást, és 0,045% -kal visszaveri. Egy ilyen cső átmérője tíz nanométer és tíz és több száz mikrométer között van. Az elkészített anyag laza, bársonyos szerkezetű, érdes felületű.

Minden infravörös eszköz a feketetest-modell(ek)hez van kalibrálva. A hőmérsékletmérés pontossága soha nem lehet jobb, mint a kalibrálási pontosság. Ezért nagyon fontos a kalibrálás minősége. A referenciakibocsátókkal végzett kalibrálás (vagy hitelesítés) során a hőmérsékletek a hőkamerák vagy pirométerek teljes mérési tartományából reprodukálódnak. A gyakorlatban a referencia hőleadókat feketetest-modell formájában használják a következő típusúak:

Fekete test üreges modelljei. Van egy üregük egy kis bemenettel. Az üreg hőmérsékletét nagy pontossággal állítják be, tartják fenn és mérik. Az ilyen emitterekben magas hőmérséklet reprodukálható.

Kiterjesztett vagy sík feketetestű modellek. Nagy emissziós (alacsony reflexiós) vegyülettel festett párnát. A helyszíni hőmérséklet beállítása, karbantartása és mérése nagy pontossággal történik. Az ilyen radiátorokban alacsony negatív hőmérsékletek reprodukálhatók.

Ha az importált fekete karosszériás modellekről keres információt, használja a „fekete karosszéria” kifejezést. Szintén fontos megérteni a különbséget a hőkamerák ellenőrzése, kalibrálása és hitelesítése között. Ezeket az eljárásokat részletesen ismertetjük a weboldalon a hőkamerákról szóló részben.

Felhasznált anyagok: Wikipédia; TSB; Infravörös Képzési Központ (ITC); Fluke kalibrálás

Az abszolút fekete testet azért nevezzük ilyennek, mert elnyeli a rá eső (vagy inkább bele) sugárzást mind a látható spektrumban, mind azon túl. De ha a test nem melegszik fel, az energia újra visszasugárzik. Ez a teljesen fekete test által kibocsátott sugárzás különösen érdekes. Az első kísérletek tulajdonságainak tanulmányozására még a modell megjelenése előtt történtek.

A 19. század elején John Leslie különféle anyagokkal kísérletezett. Mint kiderült, a fekete korom nemcsak elnyeli a ráeső összes látható fényt. Az infravörös tartományban sokkal erősebben sugárzott, mint más, könnyebb anyagok. Hősugárzásról volt szó, amely több tulajdonságában is különbözik minden más típustól. Az abszolút fekete test sugárzása egyensúlyi, homogén, energiaátadás nélkül történik és csak a

Az objektum kellően magas hőmérsékletén a hősugárzás láthatóvá válik, majd bármely test, beleértve az abszolút feketét is, színt kap.

Egy ilyen egyedi tárgy, amely kivételesen biztosat sugároz, nem vonhatja magára a figyelmet. Mivel hősugárzásról beszélünk, a termodinamika keretein belül megfogalmazták az első képleteket és elméleteket arról, hogy milyennek kell lennie a spektrumnak. A klasszikus termodinamika meg tudta határozni, hogy adott hőmérsékleten mekkora legyen a maximális sugárzás, milyen irányba és mennyit fog eltolódni melegítéskor és hűtéskor. Azt azonban nem lehetett megjósolni, hogy mi az energia eloszlása ​​a fekete test spektrumában minden hullámhosszon, és különösen az ultraibolya tartományban.

A klasszikus termodinamika szerint az energia tetszőleges részletben bocsátható ki, beleértve az önkényesen kicsiket is. De ahhoz, hogy egy teljesen fekete test rövid hullámhosszon sugározzon, egyes részecskéinek energiájának nagyon nagynak kell lennie, és az ultrarövid hullámok tartományában a végtelenségig terjedne. A valóságban ez lehetetlen, a végtelenség jelent meg az egyenletekben és kapta a nevet. Csak az, hogy az energia diszkrét részletekben - kvantumokban - bocsátható ki, segített megoldani a nehézséget. A mai termodinamikai egyenletek az egyenletek speciális esetei

Kezdetben egy teljesen fekete testet keskeny nyílással rendelkező üregként ábrázoltak. A kívülről érkező sugárzás belép egy ilyen üregbe, és elnyeli a falak. Ebben az esetben a barlang bejáratától, a kútnyílástól, a napsütéses napon a sötét szobába vezető ablaktól stb. származó sugárzási spektrum hasonló ahhoz a sugárzási spektrumhoz, amelyre egy teljesen fekete testnek rendelkeznie kell. De leginkább az Univerzum és a csillagok, köztük a Nap spektrumai esnek egybe vele.

Nyugodtan kijelenthetjük, hogy minél több különböző energiájú részecske van egy tárgyban, annál erősebb a sugárzása egy fekete testhez. A fekete test spektrumának energiaeloszlási görbéje tükrözi a részecskék rendszerében lévő statisztikai mintázatokat, azzal a korrekcióval, hogy a kölcsönhatások során átvitt energia diszkrét.

Az abszolút fekete test egy mentális fizikai idealizált tárgy. Érdekes módon egyáltalán nem kell feketének lennie. Itt más a helyzet.

Albedo

Mindannyian emlékszünk (vagy legalábbis emlékeznünk kellett volna) egy iskolai fizikatanfolyamból, hogy az "albedó" fogalma magában foglalja a test felületének fényvisszaverő képességét. Így például bolygónk jégsapkáinak hótakarói a rájuk eső napfény akár 90%-át is képesek visszaverni. Ez azt jelenti, hogy magas albedó jellemzi őket. Nem meglepő, hogy a sarki állomások alkalmazottai gyakran kénytelenek napszemüvegben dolgozni. Hiszen a tiszta hóra nézni szinte ugyanaz, mint szabad szemmel a Napba nézni. Ebből a szempontból a Szaturnusz Enceladus holdja, amely szinte teljes egészében vízjégből áll, az egész naprendszerben rekord visszaverő képességgel rendelkezik, fehér színű és szinte az összes felszínére eső sugárzást visszaveri. Másrészt egy olyan anyag, mint a korom albedója kevesebb, mint 1%. Vagyis az elektromágneses sugárzás körülbelül 99%-át elnyeli.

Abszolút fekete test: leírás

Itt elérkeztünk a legfontosabbhoz. Bizonyára az olvasó sejtette, hogy az abszolút fekete test olyan tárgy, amelynek felülete képes elnyelni az összes ráeső sugárzást. Ugyanakkor ez egyáltalán nem jelenti azt, hogy egy ilyen tárgy láthatatlan lesz, és elvileg nem bocsáthat ki fényt. Nem, ne keverje össze a fekete lyukkal. Lehet, hogy van színe, sőt nagyon jól látható is, de a fekete test sugárzását mindig a saját hőmérséklete határozza meg, nem a visszavert fény. Ez egyébként nem csak az emberi szem számára látható spektrumot veszi figyelembe, hanem az ultraibolya, infravörös sugárzást, rádióhullámokat, röntgensugárzást, gammasugárzást stb. Mint már említettük, teljesen fekete test nem létezik a természetben. Jellemzői azonban csillagrendszerünkben leginkább a Napénak felelnek meg, amely kibocsát, de szinte nem veri vissza (más csillagoktól érkező) fényt.

Laboratóriumi idealizálás

A 19. század vége óta történtek kísérletek a fényt egyáltalán nem visszaverő tárgyak kiemelésére. Valójában ez a probléma a kvantummechanika megjelenésének egyik előfeltétele lett. Mindenekelőtt fontos megjegyezni, hogy az atom által elnyelt bármely fotont (vagy bármely más elektromágneses sugárzás részecskét) a szomszédos atom azonnal kibocsát és elnyel, majd újra kibocsát. Ez a folyamat addig folytatódik, amíg a test egyensúlyi telítettségi állapotát el nem érjük. Ha azonban egy fekete testet ilyen egyensúlyi állapotba hevítünk, az általa kibocsátott fény intenzitása egyenlő lesz az elnyelt fény intenzitásával.

A fizikusok tudományos közösségében akkor merül fel a probléma, amikor megpróbálják kiszámítani, hogy mekkora legyen ez a sugárzási energia, amely a fekete test belsejében egyensúlyban tárolódik. És itt jön a csodálatos pillanat. Az egyensúlyi állapotban lévő teljesen fekete test spektrumában az energia eloszlása ​​a benne lévő sugárzási energia szó szerinti végtelenségét jelenti. Ezt a problémát ultraibolya katasztrófának nevezték.

Planck megoldása

Az első, aki elfogadható megoldást talált erre a problémára, Max Planck német fizikus volt. Azt javasolta, hogy bármilyen sugárzást az atomok nem folyamatosan, hanem diszkréten nyelnek el. Vagyis részletekben. Később ezeket a részeket fotonoknak nevezték. Ráadásul a rádiómágneses hullámokat csak bizonyos frekvenciákon tudják elnyelni az atomok. A nem megfelelő frekvenciák egyszerűen elhaladnak, ami megoldja a szükséges egyenlet végtelen energiájának kérdését.