วัตถุสีดำสนิทจะปล่อยพลังงานสูงสุดออกมาที่ รังสีของร่างกายดำ กฎของเคอร์ชอฟฟ์ กฎแห่งรังสีวัตถุดำ แนวทางคลาสสิก

กฎของเคอร์ชอฟฟ์นำไปสู่ผลลัพธ์ที่น่าสนใจ ร่างกายที่แลกเปลี่ยนความร้อนผ่านการแผ่รังสีจะได้รับ (โดยให้ความเข้มเท่ากันของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากเพื่อนบ้าน โดยไม่คำนึงถึงวัสดุและคุณสมบัติของร่างกาย สำหรับแต่ละความยาวคลื่น (หรือความถี่ นี่คือสิ่งเดียวกัน) และสำหรับแต่ละอุณหภูมิ ประสบการณ์จะนำไปสู่ ค่าสากล ดังนั้นจึงมีฟังก์ชันสากลของความถี่และอุณหภูมิของการแผ่รังสีซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของกระบวนการแลกเปลี่ยนความร้อนด้วยการแผ่รังสี

ฟังก์ชันสามารถกำหนดเนื้อหาภาพได้ พิจารณาวัตถุที่ดูดซับพลังงานที่ตกกระทบได้ 100% ในทุกช่วงความยาวคลื่น สำหรับตัวสีดำสนิทและ

ฟังก์ชั่นคือการเปล่งแสงของวัตถุสีดำสนิท แต่จะสร้างร่างกายที่ดูดซับแสงทุกความยาวคลื่นได้อย่างไร? แน่นอนว่าสารสีดำเช่นเขม่าจะทำให้เราเข้าใกล้ร่างกายดังกล่าวมากขึ้น อย่างไรก็ตาม มีเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์ที่จะแยกเราออกจากสภาวะนี้ บางทีอาจเป็นวิธีแก้ปัญหาที่แยบยลกว่า

ลองนึกภาพกล่องที่มีรูเล็กๆ คุณสามารถทำให้รูเป็นสีดำสนิทได้โดยการลดขนาดของรูนี้ ลักษณะพิเศษของหลุมนี้เป็นที่รู้จักกันดีจากการสังเกตในชีวิตประจำวัน หลุมลึก หน้าต่างที่เปิดอยู่ในห้องที่ไม่มีแสงสว่างจากด้านใน บ่อน้ำ - นี่คือตัวอย่างของ "ร่างกาย" สีดำสนิท ค่อนข้างชัดเจนว่าเกิดอะไรขึ้น: ลำแสงที่เข้าไปในโพรงผ่านรูสามารถออกมาได้หลังจากการสะท้อนหลายครั้งเท่านั้น (รูปที่ 187) แต่ในการสะท้อนแต่ละครั้ง พลังงานส่วนหนึ่งจะสูญเสียไป

ดังนั้นเมื่อมีรูเล็กๆ ในช่องขนาดใหญ่ ลำแสงจะไม่สามารถออกไปได้ กล่าวคือ จะถูกดูดซึมจนหมด

ในการวัดการเปล่งรังสีของวัตถุสีดำ จะต้องจัดทำท่อวัสดุทนไฟขนาดยาววางในเตาอบและให้ความร้อน ศึกษาธรรมชาติของการแผ่รังสีผ่านรูในท่อโดยใช้สเปกโตรกราฟ ผลลัพธ์ของการทดลองดังกล่าวแสดงไว้ในรูปที่. 188. เส้นโค้งแสดงถึงความเข้มของรังสีเป็นฟังก์ชันของความยาวคลื่น ซึ่งวางแผนไว้สำหรับอุณหภูมิต่างๆ เราจะเห็นว่าการแผ่รังสีมีความเข้มข้นในช่วงสเปกตรัมที่ค่อนข้างแคบ ซึ่งอยู่ภายในขีดจำกัดของอุณหภูมิที่สูงกว่าเท่านั้น เส้นโค้งจะครอบคลุมขอบเขตของสเปกตรัมที่มองเห็นได้ และเริ่มเคลื่อนที่ไปสู่คลื่นสั้น คลื่นที่มีความยาวหลายไมครอนเรียกว่าอินฟราเรด เนื่องจากพวกมันมีหน้าที่หลักในการถ่ายโอนพลังงานที่อุณหภูมิปกติ เราจึงเรียกพวกมันว่าความร้อน

เส้นโค้งการแผ่รังสีความร้อนมีค่าสูงสุด ซึ่งจะเด่นชัดมากขึ้นตามอุณหภูมิที่สูงขึ้น เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความยาวคลื่นที่สอดคล้องกับค่าสูงสุดของสเปกตรัมจะเปลี่ยนไปสู่คลื่นที่สั้นลง การเปลี่ยนแปลงนี้เป็นไปตามกฎของ Wien ที่เรียกว่ากฎของ Wien ซึ่งสามารถกำหนดได้ง่ายจากการทดลอง:

ในสูตรนี้ ความยาวคลื่นต้องแสดงเป็นไมครอน ในหน่วยองศาสัมบูรณ์ เราสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงของการแผ่รังสีไปสู่คลื่นสั้นเมื่อเราตรวจสอบความร้อนของโลหะ - การเปลี่ยนแปลงจากสีแดงเป็นสีเหลืองเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น

กรณีที่สองที่เราให้ความสนใจเมื่อพิจารณาเส้นโค้งการแผ่รังสีคือการเติบโตอย่างรวดเร็วของพิกัดทั้งหมดของเส้นโค้งที่เพิ่มขึ้น ถ้ามีความเข้มสำหรับคลื่นที่กำหนด ความเข้มรวมของสเปกตรัมจะถูกแทนด้วยอินทิกรัล

อินทิกรัลนี้ไม่มีอะไรมากไปกว่าพื้นที่ใต้เส้นโค้งการแผ่รังสี มันเติบโตเร็วแค่ไหนเมื่อเพิ่มขึ้น 7? การวิเคราะห์เส้นโค้งแสดงให้เห็นว่าเร็วมาก - เป็นสัดส่วนกับกำลังที่สี่ของอุณหภูมิ:

โดยที่นี่คือกฎสเตฟาน-โบลต์ซมันน์

กฎหมายทั้งสองฉบับมีความสำคัญในการกำหนดอุณหภูมิของวัตถุร้อนที่อยู่ห่างไกลจากเรา ด้วยวิธีนี้อุณหภูมิของดวงอาทิตย์ ดวงดาว และเมฆร้อนจากการระเบิดปรมาณูจึงถูกกำหนดขึ้น

กฎของการแผ่รังสีความร้อนเป็นตัวกำหนดอุณหภูมิของโลหะหลอมเหลว หลักการของไพโรมิเตอร์แบบออปติคัลคือการเลือกไส้หลอดของหลอดไฟฟ้าซึ่งการเรืองแสงของไส้หลอดนี้จะเหมือนกับการเรืองแสงของโลหะหลอมเหลว เราใช้กฎ: หากรังสีเท่ากัน อุณหภูมิก็จะเท่ากัน ส่วนอุณหภูมิของไส้หลอดร้อนนั้นจะขึ้นอยู่กับกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านไส้หลอดโดยตรง ด้วยเหตุนี้ จึงทำให้ปรับเทียบไพโรมิเตอร์แบบออปติคัลได้ง่าย

วัตถุจริงไม่ได้ดำสนิท และสำหรับแต่ละตัวจะต้องใส่ปัจจัยที่น้อยกว่าความสามัคคี (ความสามารถในการดูดซับของวัตถุที่กำหนด) ในสูตรของ Stefan-Boltzmann ปัจจัยเหล่านี้ถูกกำหนดโดยการทดลองและเป็นที่สนใจสำหรับวิศวกรรมความร้อนเชิงปฏิบัติ ซึ่งปัญหาการถ่ายเทความร้อนโดยการแผ่รังสีมีความสำคัญอย่างยิ่ง อย่างไรก็ตาม กฎที่พิจารณานั้นมีความสำคัญ เนื่องจากกฎของการแผ่รังสี (การแปรผันตามอุณหภูมิ การแปรผันตามความยาวคลื่น) โดยทั่วไปจะคงไว้สำหรับวัตถุที่ไม่ใช่สีดำ ความสำคัญทางทฤษฎีของคำถามเรื่องวัตถุสีดำสนิทจะชัดเจนในย่อหน้าถัดไป

ในทุกช่วงและไม่สะท้อนอะไรเลย แม้จะมีชื่อ วัตถุสีดำสนิทก็สามารถปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาได้ทุกความถี่และมองเห็นได้ สเปกตรัมการแผ่รังสีของวัตถุสีดำสนิทนั้นถูกกำหนดโดยอุณหภูมิของมันเท่านั้น

ความสำคัญของวัตถุสีดำสนิทในคำถามเกี่ยวกับสเปกตรัมของการแผ่รังสีความร้อนของวัตถุ (สีเทาและสี) โดยทั่วไป นอกเหนือจากข้อเท็จจริงที่ว่ามันแสดงถึงกรณีที่ไม่สำคัญที่ง่ายที่สุดแล้ว ก็อยู่ที่ความจริงที่ว่าคำถาม ของสเปกตรัมของการแผ่รังสีความร้อนที่สมดุลของร่างกายของค่าสัมประสิทธิ์สีและการสะท้อนใด ๆ จะลดลงโดยวิธีการของอุณหพลศาสตร์คลาสสิกกับคำถามของการแผ่รังสีของวัตถุสีดำสนิท (และในอดีตสิ่งนี้ได้ทำไปแล้วในปลายศตวรรษที่ 19 เมื่อ ปัญหาการแผ่รังสีของวัตถุสีดำสนิทก็มาถึงข้างหน้า)

ตัวอย่างเช่น สารจริงที่ดำที่สุด เช่น เขม่า ดูดซับรังสีตกกระทบได้มากถึง 99% (นั่นคือมีค่าอัลเบโด้ 0.01) ในช่วงความยาวคลื่นที่มองเห็นได้ แต่พวกมันดูดซับรังสีอินฟราเรดได้แย่กว่านั้นมาก ในบรรดาวัตถุต่างๆ ในระบบสุริยะ ดวงอาทิตย์มีคุณสมบัติเป็นวัตถุสีดำสนิทในระดับสูงสุด

รูปแบบการปฏิบัติ

โมเดลตัวสีดำ

วัตถุสีดำสนิทไม่มีอยู่ในธรรมชาติ (ยกเว้นหลุมดำ) ดังนั้นในฟิสิกส์จึงใช้แบบจำลองสำหรับการทดลอง เป็นโพรงปิดมีรูเล็กๆ แสงที่ลอดผ่านรูนี้จะถูกดูดกลืนอย่างสมบูรณ์หลังจากการสะท้อนซ้ำๆ และรูจะปรากฏเป็นสีดำสนิทเมื่อมองจากภายนอก แต่เมื่อช่องนี้ได้รับความร้อน ก็จะเกิดรังสีที่มองเห็นได้เอง เนื่องจากรังสีที่ปล่อยออกมาจากผนังด้านในของโพรงก่อนที่มันจะออกไป (เพราะว่ารูมีขนาดเล็กมาก) ในกรณีส่วนใหญ่อย่างล้นหลามจะได้รับการดูดซับและการแผ่รังสีใหม่จำนวนมาก เราสามารถพูดด้วยความมั่นใจว่า การแผ่รังสีภายในโพรงจะอยู่ในสมดุลทางอุณหพลศาสตร์กับผนัง (อันที่จริงแล้วรูนั้นไม่สำคัญเลยสำหรับรุ่นนี้ เพียงแต่ต้องเน้นถึงความสามารถในการสังเกตพื้นฐานของการแผ่รังสีที่อยู่ภายในเท่านั้น เช่น รูสามารถปิดสนิทได้ และเปิดได้อย่างรวดเร็วเฉพาะเมื่อสมดุลแล้วเท่านั้น และกำลังดำเนินการวัด)

กฎแห่งการแผ่รังสีวัตถุดำ

วิธีการแบบคลาสสิก

ในขั้นต้น ใช้วิธีการแบบคลาสสิกล้วนๆ ในการแก้ปัญหา ซึ่งให้ผลลัพธ์ที่สำคัญและถูกต้องหลายประการ แต่ไม่อนุญาตให้แก้ไขปัญหาได้อย่างสมบูรณ์ ซึ่งท้ายที่สุดไม่เพียงแต่นำไปสู่ความคลาดเคลื่อนอย่างมากกับการทดลองเท่านั้น แต่ยังรวมถึงผลภายในด้วย ความขัดแย้ง - สิ่งที่เรียกว่า ภัยพิบัติอัลตราไวโอเลต.

การศึกษากฎของการแผ่รังสีวัตถุดำเป็นหนึ่งในข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการเกิดขึ้นของกลศาสตร์ควอนตัม

กฎข้อแรกของรังสีของเวียนนา

เค- ค่าคงที่ของ Boltzmann ค- ความเร็วแสงในสุญญากาศ

กฎหมายเรย์ลี-ยีนส์

ความพยายามที่จะอธิบายการแผ่รังสีของวัตถุสีดำสนิทตามหลักการคลาสสิกของอุณหพลศาสตร์และไฟฟ้าพลศาสตร์นำไปสู่กฎเรย์ลีห์-ยีนส์:

สูตรนี้ถือว่าความหนาแน่นสเปกตรัมของการแผ่รังสีเพิ่มขึ้นเป็นกำลังสองโดยขึ้นอยู่กับความถี่ของมัน ในทางปฏิบัติ กฎดังกล่าวหมายถึงความเป็นไปไม่ได้ที่สมดุลทางอุณหพลศาสตร์ระหว่างสสารกับการแผ่รังสี เนื่องจากตามหลักการแล้ว พลังงานความร้อนทั้งหมดจะต้องถูกแปลงเป็นพลังงานรังสีในบริเวณคลื่นสั้นของสเปกตรัม ปรากฏการณ์สมมุติดังกล่าวเรียกว่าภัยพิบัติอัลตราไวโอเลต

อย่างไรก็ตาม กฎรังสีเรย์ลี-ยีนส์ใช้ได้กับบริเวณคลื่นยาวของสเปกตรัมและอธิบายธรรมชาติของรังสีได้อย่างเพียงพอ ข้อเท็จจริงของการโต้ตอบดังกล่าวสามารถอธิบายได้โดยใช้วิธีการทางกลควอนตัมเท่านั้น ซึ่งการแผ่รังสีจะเกิดขึ้นอย่างไม่ต่อเนื่องกัน ตามกฎควอนตัม เราสามารถหาสูตรของพลังค์ได้ ซึ่งจะตรงกับสูตรเรย์ลีห์-ยีนส์ที่

ความจริงเรื่องนี้เป็นตัวอย่างที่ดีเยี่ยมของหลักการโต้ตอบ ซึ่งทฤษฎีฟิสิกส์ใหม่ต้องอธิบายทุกสิ่งที่ทฤษฎีเก่าสามารถอธิบายได้

กฎของพลังค์

ความเข้มของการแผ่รังสีของวัตถุสีดำสนิทนั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความถี่จะถูกกำหนดโดย กฎของพลังค์:

โดยที่คือกำลังการแผ่รังสีต่อหน่วยพื้นที่ของพื้นผิวเปล่งแสงในช่วงความถี่หน่วยในทิศทางตั้งฉากต่อหน่วยมุมทึบ (มิติใน SI: J s −1 m −2 Hz −1 sr −1)

ในทำนองเดียวกัน

โดยที่คือกำลังการแผ่รังสีต่อหน่วยพื้นที่ของพื้นผิวเปล่งแสงในช่วงความยาวคลื่นหน่วยในทิศทางตั้งฉากต่อหน่วยมุมทึบ (มิติ SI: J s −1 m −2 m −1 sr −1)

กำลังรังสีสเปกตรัมทั้งหมด (เช่น ที่ปล่อยออกมาในทุกทิศทาง) ต่อหนึ่งหน่วยพื้นผิวของวัตถุสีดำสนิทนั้นอธิบายได้ด้วยสูตรเดียวกันที่แม่นยำกับค่าสัมประสิทธิ์ π: ε(ν, ต) = π ฉัน(ν, ต) , ε(λ, ต) = π คุณ(λ, ต) .

กฎหมายสเตฟาน-โบลต์ซมันน์

พลังงานรวมของการแผ่รังสีความร้อนถูกกำหนดโดยกฎของสเตฟาน-โบลต์ซมันน์ ซึ่งระบุว่า:

พลังการแผ่รังสีของวัตถุสีดำสนิท (พลังงานรวมเหนือสเปกตรัมทั้งหมด) ต่อพื้นที่ผิวหน่วยเป็นสัดส่วนโดยตรงกับกำลังที่สี่ของอุณหภูมิร่างกาย:

ที่ไหน เจคือกำลังต่อหน่วยพื้นที่ของพื้นผิวที่แผ่รังสี และ

W/(ตรม.·K 4) ​​​​- สเตฟาน-โบลต์ซมันน์คงที่.

ดังนั้นร่างกายจึงดำสนิทที่ ต= 100 K ส่งเสียง 5.67 วัตต์ต่อตารางเมตรของพื้นผิว ที่อุณหภูมิ 1,000 K พลังงานรังสีจะเพิ่มขึ้นเป็น 56.7 กิโลวัตต์ต่อตารางเมตร

สำหรับวัตถุที่ไม่ใช่สีดำ เราสามารถเขียนได้ประมาณว่า:

ระดับความมืดอยู่ที่ไหน (สำหรับสารทั้งหมดสำหรับวัตถุสีดำสนิท)

ค่าคงที่สเตฟาน-โบลต์ซมันน์สามารถคำนวณได้ทางทฤษฎีจากการพิจารณาควอนตัมเท่านั้น โดยใช้สูตรของพลังค์ ในเวลาเดียวกัน รูปแบบทั่วไปของสูตรสามารถหาได้จากการพิจารณาแบบคลาสสิก (ซึ่งไม่ได้ขจัดปัญหาภัยพิบัติจากรังสีอัลตราไวโอเลต)

กฎการกระจัดของเวียนนา

ความยาวคลื่นซึ่งพลังงานรังสีของวัตถุสีดำสนิทนั้นมีค่าสูงสุดจะถูกกำหนดโดย กฎการกระจัดของเวียนนา:

ที่ไหน ตคืออุณหภูมิมีหน่วยเป็นเคลวิน และเป็นความยาวคลื่นที่มีความเข้มสูงสุดมีหน่วยเป็นเมตร

ดังนั้น หากเราถือว่าเป็นการประมาณครั้งแรกว่าผิวหนังของมนุษย์มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับวัตถุสีดำสนิท ดังนั้นสเปกตรัมรังสีสูงสุดที่อุณหภูมิ 36 ° C (309 K) จะอยู่ที่ความยาวคลื่น 9400 นาโนเมตร (ใน บริเวณอินฟราเรดของสเปกตรัม)

สีที่ชัดเจนของวัตถุสีดำสนิทที่อุณหภูมิต่างกันแสดงไว้ในแผนภาพ

รังสีวัตถุดำ

การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่อยู่ในสมดุลทางอุณหพลศาสตร์กับวัตถุสีดำที่อุณหภูมิที่กำหนด (เช่น การแผ่รังสีภายในโพรงในวัตถุสีดำ) เรียกว่าการแผ่รังสีวัตถุสีดำ (หรือสมดุลความร้อน) การแผ่รังสีความร้อนที่สมดุลนั้นเป็นเนื้อเดียวกัน มีไอโซโทรปิกและไม่มีขั้ว ไม่มีการถ่ายโอนพลังงานในนั้น ลักษณะทั้งหมดของมันขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของตัวปล่อยวัตถุดำอย่างแน่นอนเท่านั้น (และเนื่องจากการแผ่รังสีของวัตถุสีดำอยู่ในสมดุลทางความร้อนกับวัตถุนี้ อุณหภูมินี้จึงสามารถทำได้ เป็นผลจากรังสี) ความหนาแน่นพลังงานเชิงปริมาตรของการแผ่รังสีวัตถุดำเท่ากับความดันของมันเท่ากับ .

สีของวัตถุสีดำ

ให้สีเมื่อเปรียบเทียบกับแสงเดย์ไลท์แบบกระจาย (

แนวคิดเรื่อง "วัตถุสีดำสนิท" ได้รับการแนะนำโดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Gustav Kirchhoff ในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 ความจำเป็นในการแนะนำแนวคิดดังกล่าวเกี่ยวข้องกับการพัฒนาทฤษฎีการแผ่รังสีความร้อน

วัตถุสีดำสนิทเป็นวัตถุในอุดมคติที่ดูดซับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมดที่ตกกระทบในทุกช่วงความยาวคลื่นและไม่สะท้อนสิ่งใดเลย

ดังนั้นพลังงานของการแผ่รังสีที่ตกกระทบจะถูกถ่ายโอนไปยังวัตถุสีดำโดยสมบูรณ์และแปลงเป็นพลังงานภายในของมัน วัตถุดำยังปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและสูญเสียพลังงานไปพร้อมกันกับการดูดซับ ยิ่งไปกว่านั้น พลังของการแผ่รังสีและช่วงสเปกตรัมนั้นถูกกำหนดโดยอุณหภูมิของวัตถุสีดำเท่านั้น อุณหภูมิของวัตถุสีดำเป็นตัวกำหนดปริมาณรังสีที่ปล่อยออกมาในช่วงอินฟราเรด ที่มองเห็นได้ อัลตราไวโอเลต และช่วงอื่นๆ ดังนั้นวัตถุสีดำแม้จะมีชื่อก็ตามที่อุณหภูมิที่สูงเพียงพอจะเปล่งออกมาในช่วงที่มองเห็นได้และมีสีทางสายตา ดวงอาทิตย์ของเราเป็นตัวอย่างของวัตถุที่ได้รับความร้อนถึงอุณหภูมิ 5,800°C โดยมีคุณสมบัติใกล้เคียงกับวัตถุสีดำ

วัตถุสีดำสนิทไม่มีอยู่ในธรรมชาติ ดังนั้นในทางฟิสิกส์จึงมีการใช้แบบจำลองในการทดลอง ส่วนใหญ่มักเป็นช่องปิดที่มีรูทางเข้าเล็ก ๆ รังสีที่เข้ามาผ่านรูนี้จะถูกผนังดูดซับไว้อย่างสมบูรณ์หลังจากการสะท้อนซ้ำหลายครั้ง ไม่มีส่วนใดของการแผ่รังสีที่เข้าไปในรูถูกสะท้อนกลับมา ซึ่งสอดคล้องกับคำจำกัดความของวัตถุดำ (การดูดกลืนแสงทั้งหมดและการไม่มีการสะท้อนกลับ) ในกรณีนี้ ช่องนั้นจะมีการแผ่รังสีของตัวเองซึ่งสอดคล้องกับอุณหภูมิของมัน เนื่องจากการแผ่รังสีที่ผนังด้านในของโพรงเองยังทำให้เกิดการดูดซับและการปล่อยรังสีใหม่จำนวนมาก เราจึงสามารถพูดได้ว่าการแผ่รังสีภายในโพรงนั้นอยู่ในสมดุลทางอุณหพลศาสตร์กับผนัง คุณลักษณะของการแผ่รังสีที่สมดุลนี้ถูกกำหนดโดยอุณหภูมิของโพรง (CBT) เท่านั้น นั่นคือ พลังงานรังสีทั้งหมด (ทุกความยาวคลื่น) ตามกฎสเตฟาน-โบลต์ซมันน์ และการกระจายพลังงานรังสีเหนือความยาวคลื่นอธิบายไว้ในสูตรของพลังค์

ไม่มีวัตถุสีดำสนิทในธรรมชาติ มีตัวอย่างวัตถุที่มีลักษณะใกล้เคียงกับสีดำสนิทมากที่สุดเท่านั้น ตัวอย่างเช่นเขม่าสามารถดูดซับแสงที่ตกกระทบได้มากถึง 99% แน่นอนว่าความหยาบผิวแบบพิเศษของวัสดุทำให้สามารถลดการสะท้อนให้เหลือน้อยที่สุดได้ ต้องขอบคุณการสะท้อนหลายครั้งตามด้วยการดูดซับที่ทำให้เรามองเห็นวัตถุเช่นกำมะหยี่สีดำสีดำ

ครั้งหนึ่งฉันเคยพบวัตถุที่อยู่ใกล้วัตถุสีดำมากที่โรงงานผลิตใบมีดโกน Gillette ในเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก ซึ่งฉันได้มีโอกาสทำงานก่อนที่จะทำการถ่ายภาพความร้อน ในกระบวนการทางเทคโนโลยี ใบมีดโกนสองด้านแบบคลาสสิกจะถูกประกอบเป็น "มีด" มากถึง 3,000 ใบในแพ็ค พื้นผิวด้านข้างประกอบด้วยใบมีดแหลมหลายใบที่กดติดกันแน่นเป็นสีดำคล้ายกำมะหยี่ แม้ว่าใบมีดเหล็กแต่ละใบจะมีขอบเหล็กที่แหลมคมเป็นมันเงาก็ตาม ใบมีดที่ถูกทิ้งไว้บนขอบหน้าต่างในสภาพอากาศที่มีแดดจัดอาจมีอุณหภูมิสูงถึง 80°C ในเวลาเดียวกันใบมีดแต่ละใบแทบไม่ร้อนขึ้นเนื่องจากสะท้อนรังสีส่วนใหญ่ เกลียวบนโบลต์และสตัดมีรูปทรงพื้นผิวคล้ายกัน โดยมีค่าการแผ่รังสีสูงกว่าบนพื้นผิวเรียบ คุณสมบัตินี้มักใช้ในการทดสอบการถ่ายภาพความร้อนของอุปกรณ์ไฟฟ้า

นักวิทยาศาสตร์กำลังทำงานเพื่อสร้างวัสดุที่มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับวัตถุสีดำสนิท ตัวอย่างเช่น ได้รับผลลัพธ์ที่มีนัยสำคัญในช่วงออปติคัล ในปี พ.ศ. 2547 โลหะผสมของนิกเกิลและฟอสฟอรัสได้รับการพัฒนาในประเทศอังกฤษ ซึ่งเป็นสารเคลือบที่มีรูพรุนขนาดเล็กและมีค่าการสะท้อนแสง 0.16–0.18% วัสดุนี้ถูกระบุใน Guinness Book of Records ว่าเป็นวัสดุที่ดำที่สุดในโลก ในปี 2008 นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันได้สร้างสถิติใหม่ - ฟิล์มบางที่พวกเขาเติบโตซึ่งประกอบด้วยท่อคาร์บอนแนวตั้งดูดซับรังสีได้เกือบทั้งหมดโดยสะท้อนกลับได้ 0.045% เส้นผ่านศูนย์กลางของท่อดังกล่าวมีตั้งแต่สิบนาโนเมตรและมีความยาวตั้งแต่สิบถึงหลายร้อยไมโครเมตร วัสดุที่สร้างขึ้นมีโครงสร้างที่หลวมและนุ่มนวลและมีพื้นผิวที่ขรุขระ

อุปกรณ์อินฟราเรดแต่ละตัวได้รับการปรับเทียบตามรุ่นตัวเครื่องสีดำ ความแม่นยำในการวัดอุณหภูมิไม่สามารถดีไปกว่าความแม่นยำในการสอบเทียบได้ ดังนั้นคุณภาพของการสอบเทียบจึงมีความสำคัญมาก ในระหว่างการสอบเทียบ (หรือการตรวจสอบ) โดยใช้ตัวปล่อยอ้างอิง อุณหภูมิจากช่วงการวัดทั้งหมดของเครื่องสร้างภาพความร้อนหรือไพโรมิเตอร์จะถูกสร้างขึ้นใหม่ ในทางปฏิบัติ ตัวปล่อยความร้อนอ้างอิงจะใช้ในรูปแบบของแบบจำลองตัวเครื่องสีดำประเภทต่อไปนี้:

โมเดลโพรงของตัวดำมีช่องที่มีรูทางเข้าขนาดเล็ก อุณหภูมิในช่องถูกตั้งค่า รักษา และตรวจวัดด้วยความแม่นยำสูง ตัวปล่อยดังกล่าวสามารถผลิตอุณหภูมิสูงได้

โมเดลขยายหรือระนาบของตัวเครื่องสีดำพวกเขามีแพลตฟอร์มที่ทาสีด้วยองค์ประกอบที่มีการแผ่รังสีสูง (การสะท้อนแสงต่ำ) อุณหภูมิไซต์ได้รับการตั้งค่า รักษา และตรวจวัดด้วยความแม่นยำสูง อุณหภูมิติดลบต่ำสามารถเกิดขึ้นซ้ำได้ในตัวปล่อยดังกล่าว

เมื่อค้นหาข้อมูลเกี่ยวกับรุ่นตัวถังสีดำที่นำเข้า ให้ใช้คำว่า “ตัวถังสีดำ” สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจความแตกต่างระหว่างการทดสอบ การสอบเทียบ และการตรวจสอบกล้องถ่ายภาพความร้อน ขั้นตอนเหล่านี้มีการอธิบายโดยละเอียดบนเว็บไซต์ในหัวข้อเกี่ยวกับตัวสร้างภาพความร้อน

วัสดุที่ใช้: วิกิพีเดีย; ทีเอสบี; ศูนย์ฝึกอบรมอินฟราเรด (ITC); การสอบเทียบ Fluke

ในตอนท้ายของศตวรรษที่ 19 นักวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาปฏิสัมพันธ์ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (โดยเฉพาะแสง) กับอะตอมของสสารประสบปัญหาร้ายแรงซึ่งสามารถแก้ไขได้ภายในกรอบของกลศาสตร์ควอนตัมเท่านั้นซึ่งในหลาย ๆ ด้านเกิดขึ้นเนื่องจาก จนเกิดปัญหาเหล่านี้ขึ้น เพื่อทำความเข้าใจปัญหาแรกและอาจร้ายแรงที่สุด ลองจินตนาการถึงกล่องดำขนาดใหญ่ที่มีพื้นผิวภายในเป็นกระจก และที่ผนังด้านหนึ่งมีรูเล็กๆ เกิดขึ้น รังสีที่ส่องเข้าไปในกล่องผ่านรูขนาดเล็กมากจะคงอยู่ภายในตลอดไป โดยสะท้อนจากผนังอย่างไม่มีที่สิ้นสุด วัตถุที่ไม่สะท้อนแสงแต่ดูดซับได้อย่างสมบูรณ์จะปรากฏเป็นสีดำ ซึ่งเป็นสาเหตุว่าทำไมจึงถูกเรียกว่า ตัวสีดำ- (วัตถุสีดำก็เหมือนกับปรากฏการณ์ทางกายภาพตามแนวคิดอื่นๆ มากมาย เป็นวัตถุสมมุติล้วนๆ แม้ว่าจะเป็นทรงกลมกลวงที่มีความร้อนสม่ำเสมอซึ่งสะท้อนจากด้านในซึ่งมีแสงลอดผ่านรูเล็กๆ เพียงรูเดียว ถือเป็นการประมาณที่ดี)

อย่างไรก็ตาม คุณอาจเคยเห็นสิ่งที่คล้ายคลึงกันของวัตถุสีดำในความเป็นจริงแล้ว ตัวอย่างเช่นในเตาผิงมีท่อนไม้หลายท่อนซ้อนกันเกือบชิดกันและมีโพรงที่ค่อนข้างใหญ่ไหม้อยู่ข้างใน ด้านนอกของท่อนไม้ยังคงมืดและไม่เรืองแสง ในขณะที่ความร้อนภายในโพรงที่ถูกเผาไหม้ (รังสีอินฟราเรด) และแสงสะสม และรังสีเหล่านี้จะสะท้อนซ้ำๆ จากผนังของโพรงก่อนที่จะหลบหนีออกไปข้างนอก หากคุณมองเข้าไปในช่องว่างระหว่างท่อนซุงดังกล่าว คุณจะเห็นแสงเรืองแสงที่อุณหภูมิสูงสีเหลืองส้มสดใส และจากตรงนั้น คุณจะลุกโชนด้วยความร้อนอย่างแท้จริง รังสีนั้นติดอยู่ระหว่างท่อนซุงเป็นระยะเวลาหนึ่ง เช่นเดียวกับที่แสงถูกดักจับและดูดกลืนโดยกล่องดำที่อธิบายไว้ข้างต้น

แบบจำลองของกล่องดำดังกล่าวช่วยให้เราเข้าใจว่าแสงที่ถูกดูดกลืนโดยวัตถุสีดำมีพฤติกรรมอย่างไร และมีปฏิสัมพันธ์กับอะตอมของสสารของมัน สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจว่าแสงถูกดูดซับโดยอะตอม ปล่อยออกมาทันทีและถูกดูดซับโดยอะตอมอื่น ปล่อยออกมาและดูดซับอีกครั้ง และสิ่งนี้จะเกิดขึ้นจนกว่าจะถึงสภาวะอิ่มตัวของสมดุล เมื่อวัตถุสีดำถูกให้ความร้อนจนถึงสภาวะสมดุล ความเข้มของการแผ่รังสีและการดูดซับของรังสีภายในวัตถุสีดำจะถูกทำให้เท่ากัน: เมื่ออะตอมหนึ่งดูดซับแสงจำนวนหนึ่งจากความถี่ที่แน่นอน อะตอมอีกอะตอมหนึ่งที่อยู่ภายในจะปล่อยแสงแบบเดียวกันออกไปพร้อมกัน ปริมาณแสงที่มีความถี่เท่ากัน ดังนั้น ปริมาณแสงที่ถูกดูดกลืนของแต่ละความถี่ภายในวัตถุสีดำจะยังคงเท่าเดิม แม้ว่าอะตอมต่างๆ ของร่างกายจะดูดซับและปล่อยออกมาก็ตาม

จนถึงขณะนี้พฤติกรรมของร่างสีดำยังคงค่อนข้างเข้าใจได้ ปัญหาภายในกรอบของฟิสิกส์คลาสสิก (โดย "คลาสสิก" ในที่นี้เราหมายถึงฟิสิกส์ก่อนการถือกำเนิดของกลศาสตร์ควอนตัม) เกิดขึ้นเมื่อพยายามคำนวณพลังงานรังสีที่สะสมอยู่ภายในวัตถุสีดำในสภาวะสมดุล และไม่นานก็มีสองสิ่งที่ชัดเจน:

• ยิ่งความถี่คลื่นของรังสีสูงเท่าไรก็ยิ่งสะสมอยู่ภายในวัตถุสีดำมากขึ้นเท่านั้น (นั่นคือ ยิ่งความยาวคลื่นของส่วนที่ศึกษาของสเปกตรัมของคลื่นรังสียิ่งสั้นลง รังสีของสเปกตรัมส่วนนี้ภายในวัตถุสีดำก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ถูกทำนายโดยทฤษฎีคลาสสิก);
• ยิ่งความถี่ของคลื่นสูงเท่าไร พลังงานก็จะมากขึ้นเท่านั้น และด้วยเหตุนี้ คลื่นจึงถูกกักเก็บไว้ในวัตถุสีดำมากขึ้น

เมื่อนำมารวมกัน ข้อสรุปทั้งสองนี้นำไปสู่ผลลัพธ์ที่คิดไม่ถึง: พลังงานรังสีภายในวัตถุสีดำควรจะไม่มีที่สิ้นสุด! การเยาะเย้ยที่ชั่วร้ายของกฎของฟิสิกส์คลาสสิกนี้ถูกขนานนามว่า ภัยพิบัติอัลตราไวโอเลตเนื่องจากรังสีความถี่สูงอยู่ในส่วนอัลตราไวโอเลตของสเปกตรัม

คำสั่งซื้อได้รับการฟื้นฟูโดย Max Planck นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ( ซม.ค่าคงตัวของพลังค์) - เขาแสดงให้เห็นว่าปัญหาจะหมดไปถ้าเราคิดว่าอะตอมสามารถดูดซับและปล่อยแสงได้เฉพาะในส่วนและที่ความถี่เฉพาะเท่านั้น (ต่อมาอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ได้สรุปแนวคิดนี้โดยการเสนอแนวคิดนี้ โฟตอน- ส่วนของรังสีแสงที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด) ตามรูปแบบนี้ ความถี่รังสีจำนวนมากที่ฟิสิกส์คลาสสิกทำนายไว้นั้นไม่สามารถมีอยู่ในวัตถุสีดำได้ เนื่องจากอะตอมไม่สามารถดูดซับหรือปล่อยออกมาได้ ดังนั้น ความถี่เหล่านี้จึงไม่รวมอยู่ในการพิจารณาเมื่อคำนวณการแผ่รังสีสมดุลภายในวัตถุสีดำ พลังค์ป้องกันภัยพิบัติจากรังสีอัลตราไวโอเลตและกำหนดวิทยาศาสตร์บนเส้นทางสู่ความเข้าใจที่ถูกต้องเกี่ยวกับโครงสร้างของโลกในระดับย่อยอะตอมโดยการปล่อยให้ความถี่ที่อนุญาตเท่านั้น นอกจากนี้ เขายังคำนวณการกระจายความถี่ลักษณะเฉพาะของการแผ่รังสีวัตถุดำที่สมดุล

การแพร่กระจายนี้ได้รับชื่อเสียงไปทั่วโลกเป็นเวลาหลายทศวรรษหลังจากการตีพิมพ์โดยพลังค์เอง เมื่อนักจักรวาลวิทยาค้นพบว่ารังสีไมโครเวฟพื้นหลังคอสมิกที่พวกเขาค้นพบ ( ซม.บิ๊กแบง) ติดตามการกระจายตัวของพลังค์ในลักษณะสเปกตรัมทุกประการ และสอดคล้องกับรังสีวัตถุดำที่อุณหภูมิประมาณสามองศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์

กิโคอิน เอ.เค. ตัวดำสนิท//ควอนตัม. - พ.ศ. 2528. - ฉบับที่ 2. - หน้า 26-28.

ตามข้อตกลงพิเศษกับกองบรรณาธิการและบรรณาธิการวารสาร "Kvant"

แสงและสี

เมื่อเรามองดูวัตถุต่างๆ รอบตัวเราในเวลากลางวัน (แสงแดด) เราจะเห็นว่าพวกมันถูกทาสีด้วยสีที่ต่างกัน ดังนั้นใบหญ้าและต้นไม้จึงเป็นสีเขียว ดอกไม้เป็นสีแดงหรือสีน้ำเงิน สีเหลืองหรือสีม่วง นอกจากนี้ยังมีตัวสีดำ, สีขาว, สีเทา ทั้งหมดนี้ไม่สามารถทำให้เกิดความประหลาดใจได้ ดูเหมือนว่าวัตถุทั้งหมดจะส่องสว่างด้วยแสงเดียวกันนั่นคือแสงจากดวงอาทิตย์ ทำไมสีของพวกเขาถึงแตกต่างกัน? ลองตอบคำถามนี้กัน

เราจะดำเนินการต่อจากข้อเท็จจริงที่ว่าแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งก็คือสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับที่แพร่กระจาย แสงแดดประกอบด้วยคลื่นซึ่งมีสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กสั่นที่ความถี่ต่างกัน

สารทุกชนิดประกอบด้วยอะตอมและโมเลกุลที่มีอนุภาคมีประจุซึ่งมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน เนื่องจากอนุภาคมีประจุ อนุภาคจึงสามารถเคลื่อนที่ได้ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า และหากสนามมีความแปรผัน อนุภาคเหล่านั้นก็สามารถแกว่งไปมาได้ และอนุภาคแต่ละตัวในร่างกายก็มีความถี่การแกว่งตามธรรมชาติที่แน่นอน

ภาพที่เรียบง่ายแม้จะไม่แม่นยำนัก แต่จะช่วยให้เราเข้าใจสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อแสงมีปฏิกิริยากับสสาร

เมื่อแสงตกกระทบร่างกาย สนามไฟฟ้าจะ "พัดพา" เข้าไป ส่งผลให้อนุภาคที่มีประจุในร่างกายทำการสั่นแบบบังคับ (สนามของคลื่นแสงจะแปรผัน!) ในกรณีนี้ สำหรับอนุภาคบางชนิด ความถี่ของการแกว่งตามธรรมชาติของพวกมันอาจเกิดขึ้นพร้อมกับความถี่ของการแกว่งของสนามคลื่นแสง ดังที่ทราบกันดีว่าปรากฏการณ์การสั่นพ้องจะเกิดขึ้น - แอมพลิจูดของการสั่นเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว (ซึ่งอธิบายไว้ในมาตรา 9 และ 20 ของฟิสิกส์ 10) ในระหว่างการสั่นพ้อง พลังงานที่คลื่นได้รับจะถูกถ่ายโอนไปยังอะตอมของร่างกาย ซึ่งท้ายที่สุดจะทำให้เกิดความร้อนขึ้น แสงที่มีความถี่สะท้อนว่าร่างกายดูดซับไว้

แต่คลื่นบางส่วนจากแสงตกกระทบไม่สะท้อนกลับ อย่างไรก็ตามพวกมันยังทำให้อนุภาคในร่างกายสั่นสะเทือน แต่จะสั่นสะเทือนด้วยแอมพลิจูดเล็กน้อย อนุภาคเหล่านี้เองกลายเป็นแหล่งกำเนิดของสิ่งที่เรียกว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทุติยภูมิที่มีความถี่เดียวกัน คลื่นทุติยภูมิซึ่งเพิ่มเข้าไปในคลื่นตกกระทบจะประกอบเป็นแสงสะท้อนหรือส่องผ่าน

หากร่างกายมีความทึบแสง การดูดซับและการสะท้อนกลับล้วนเกิดขึ้นได้กับแสงที่ตกบนร่างกาย แสงที่ไม่สะท้อนจะถูกสะท้อน และแสงที่เข้าถึงจะถูกดูดซับ นี่คือ “ความลับ” ของสีลำตัว ตัวอย่างเช่น หากการสั่นสะเทือนที่สอดคล้องกับสีแดงรวมอยู่ในเสียงสะท้อนจากองค์ประกอบของแสงแดดที่ตกกระทบ ก็จะไม่ปรากฏอยู่ในแสงสะท้อน และดวงตาของเราได้รับการออกแบบในลักษณะที่แสงแดดซึ่งปราศจากส่วนสีแดงทำให้เกิดความรู้สึกเป็นสีเขียว สีของวัตถุที่ทึบแสงจึงขึ้นอยู่กับความถี่ของแสงตกกระทบที่หายไปในแสงที่สะท้อนจากวัตถุ

มีวัตถุหลายชิ้นที่อนุภาคมีประจุมีความถี่การสั่นสะเทือนตามธรรมชาติที่แตกต่างกันมากมายจนแต่ละความถี่หรือเกือบทุกความถี่ในแสงตกกระทบตกสู่การสั่นพ้อง จากนั้นแสงตกกระทบทั้งหมดจะถูกดูดซับ และไม่มีอะไรจะสะท้อนอีกเลย วัตถุดังกล่าวเรียกว่าสีดำนั่นคือวัตถุที่มีสีดำ ในความเป็นจริงแล้ว สีดำไม่ใช่สี แต่เป็นการไม่มีสีใดๆ

นอกจากนี้ยังมีวัตถุที่ไม่มีความถี่เดียวในแสงตกกระทบกระทบกับเสียงสะท้อน จึงไม่มีการดูดกลืนเลย และแสงตกกระทบทั้งหมดก็สะท้อนออกมา ร่างกายดังกล่าวเรียกว่าสีขาว สีขาวก็ไม่ใช่สี แต่เป็นส่วนผสมของทุกสี

เปล่งแสง

เป็นที่รู้กันว่าร่างกายใดก็ตามสามารถกลายเป็นแหล่งกำเนิดแสงได้ สิ่งนี้เป็นสิ่งที่เข้าใจได้ - ท้ายที่สุดแล้ว ในทุก ๆ ร่างกายจะมีอนุภาคมีประจุที่สั่นไหวซึ่งสามารถกลายเป็นแหล่งกำเนิดของคลื่นที่ปล่อยออกมาได้ แต่ภายใต้สภาวะปกติ - ที่อุณหภูมิต่ำ - ความถี่ของการสั่นสะเทือนเหล่านี้ค่อนข้างน้อย และความยาวคลื่นที่ปล่อยออกมานั้นเกินกว่าความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นได้ (แสงอินฟราเรด) อย่างมีนัยสำคัญ ที่อุณหภูมิสูง การสั่นสะเทือนของความถี่ที่สูงกว่าจะ “เปิด” ในร่างกาย และเริ่มปล่อยคลื่นแสงที่มองเห็นได้ด้วยตา

ร่างกายเปล่งแสงประเภทใดการสั่นสะเทือนความถี่ใดที่สามารถ "เปิด" เมื่อถูกความร้อน? แน่นอนว่ามีเพียงการแกว่งด้วยความถี่ธรรมชาติเท่านั้นที่สามารถเกิดขึ้นได้ ที่อุณหภูมิต่ำ จำนวนอนุภาคที่มีประจุซึ่งมีความถี่การสั่นสะเทือนตามธรรมชาติสูงจะมีจำนวนน้อย และการแผ่รังสีของพวกมันจะมองไม่เห็น เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น จำนวนของอนุภาคดังกล่าวจะเพิ่มขึ้น และการปล่อยแสงที่มองเห็นออกมาก็จะเป็นไปได้

ความสัมพันธ์ระหว่างการแผ่รังสีและการดูดกลืนแสง

การดูดซับและการปล่อยก๊าซเป็นปรากฏการณ์ที่ตรงกันข้าม อย่างไรก็ตาม มีบางอย่างที่เหมือนกันระหว่างพวกเขา

ดูดซับหมายถึง "รับ" เปล่งหมายถึง "ให้" ร่างกาย “รับ” อะไรเมื่อดูดซับแสง? แน่นอนว่าสิ่งที่สามารถทำได้คือแสงจากความถี่เหล่านั้นซึ่งเท่ากับความถี่ธรรมชาติของการสั่นของอนุภาค ร่างกาย “ให้” อะไรเมื่อเปล่งแสงออกมา? สิ่งที่มีคือแสงที่สอดคล้องกับความถี่การสั่นสะเทือนของมันเอง ดังนั้นจึงต้องมีความเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดระหว่างความสามารถของร่างกายในการเปล่งแสงและความสามารถในการดูดซับแสง และการเชื่อมต่อนี้ง่ายมาก: ยิ่งร่างกายปล่อยออกมามากเท่าไรก็ยิ่งดูดซับได้มากขึ้นเท่านั้น ในกรณีนี้ โดยธรรมชาติแล้ว ตัวปล่อยที่สว่างที่สุดควรเป็นตัวสีดำ ซึ่งดูดซับการสั่นสะเทือนของทุกความถี่ การเชื่อมต่อนี้ก่อตั้งขึ้นทางคณิตศาสตร์ในปี 1859 โดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Gustav Kirchhoff

ให้เราเรียกการแผ่รังสีของร่างกายว่าพลังงานที่ปล่อยออกมาต่อหน่วยพื้นที่ของพื้นผิวต่อหน่วยเวลาและแสดงโดย อีแล,ต. มันแตกต่างกันตามความยาวคลื่นที่ต่างกัน ( λ ) และอุณหภูมิที่แตกต่างกัน ( ต) ดังนั้นดัชนี λ และ ต- ความสามารถในการดูดซับของร่างกายคืออัตราส่วนของพลังงานแสงที่ร่างกายดูดซับต่อหน่วยเวลาต่อพลังงานที่ตกกระทบ ให้เราแสดงมันด้วย กแลมบ์,T - มันก็แตกต่างกันเช่นกัน λ และ ต.

กฎของเคอร์ชอฟฟ์ระบุว่าอัตราส่วนของความสามารถในการเปล่งแสงและการดูดซึมจะเท่ากันในทุกส่วน:

\(~\frac(E_(\lambda, T))(A_(\lambda, T)) = C\)

ขนาด กับไม่ได้ขึ้นอยู่กับธรรมชาติของวัตถุ แต่ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของแสงและอุณหภูมิ: ค = ฉ(λ , ต- ตามกฎของเคอร์ชอฟ ร่างกายที่ดูดซับได้ดีกว่าที่อุณหภูมิที่กำหนดควรจะแผ่รังสีได้เข้มข้นมากขึ้น

ตัวสีดำบริสุทธิ์

กฎของเคอร์ชอฟฟ์ใช้ได้กับทุกเนื้อหา ซึ่งหมายความว่าสามารถนำไปใช้กับวัตถุที่ดูดซับความยาวคลื่นทั้งหมดโดยไม่มีข้อยกเว้น กายเช่นนี้เรียกว่าดำสนิท ความสามารถในการดูดซับเท่ากับความสามัคคี ดังนั้นกฎของเคอร์ชอฟฟ์จึงมีรูปแบบนี้

\(~E_(\แลมบ์ดา, T) = C = f(\แลมบ์ดา, T)\)

ดังนั้นความหมายของฟังก์ชันจึงชัดเจน ฉ(λ , ต): เท่ากับการแผ่รังสีของวัตถุสีดำสนิท ปัญหาการค้นหาฟังก์ชัน ค = ฉ(λ , ต) กลายเป็นปัญหาในการค้นหาการพึ่งพาพลังงานรังสีของวัตถุสีดำสนิทกับอุณหภูมิและความยาวคลื่น ในที่สุด หลังจากความพยายามอันไร้ประโยชน์สองทศวรรษ มันก็ได้รับการแก้ไข วิธีแก้ปัญหานี้มอบให้โดย Max Planck นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีชาวเยอรมันกลายเป็นจุดเริ่มต้นของฟิสิกส์ใหม่ - ฟิสิกส์ควอนตัม

โปรดทราบว่าวัตถุสีดำสนิทไม่มีอยู่ในธรรมชาติ แม้แต่สารที่ดำที่สุดในบรรดาสารที่รู้จักทั้งหมด - เขม่า - ดูดซับไม่ได้ 100 แต่ 98% ของแสงที่ตกกระทบ ดังนั้นจึงมีการใช้อุปกรณ์ประดิษฐ์เพื่อทดลองศึกษารังสีของวัตถุดำ

ปรากฎว่าคุณสมบัติของวัตถุสีดำสนิทนั้นถูกครอบครองโดย... ช่องปิดที่มีรูเล็กๆ (ดูรูป) ในความเป็นจริง เมื่อรังสีแสงเข้าไปในรู มันจะเกิดการสะท้อนกลับหลายครั้งภายในโพรง ดังนั้นจึงมีโอกาสน้อยมากที่จะหลุดออกจากรูออกไปด้านนอก (ด้วยเหตุผลเดียวกัน หน้าต่างที่เปิดอยู่ในบ้านจึงดูมืดแม้ในวันที่แดดจ้า) หากร่างกายได้รับความร้อน การแผ่รังสีที่เล็ดลอดออกมาจากหลุมนั้นแทบไม่ต่างจากการแผ่รังสีของวัตถุสีดำสนิท

ท่อที่ปลายด้านหนึ่งปิดอยู่ก็สามารถเลียนแบบตัวถังสีดำสนิทได้เช่นกัน หากท่อได้รับความร้อน ปลายเปิดจะส่องแสงเป็นสีดำสนิท ที่อุณหภูมิปกติจะมีลักษณะเป็นสีดำสนิทเหมือนรูในโพรง