什么是黑体?
黑体是指任何一个无生命的物体,它总是完全吸收掉落在它身上的所有辐射,并在恒定的温度下辐射出它所接收到的相同数量的能量。
没有真正的存在黑体. 但是,在实践中,近似会导致一个完美的黑体。根据这个近似,黑体是一个中空的绝缘外壳,在一面墙上有一个小孔。
入射能量进入黑体内部,一次又一次地反射到黑体的内壁上。
黑体是一个完美的吸收体。无论这个空腔是否被加热,所有的能量都会通过这个空穴释放出来。黑体辐射曲线如下图所示。
理论上,黑体在特定温度下辐射的总能量是固定的,但在黑体辐射过程中,总能量不是单一波长的。相反,从这个黑体辐射出来的总能量的波长从零到无穷大不等。
从波长780nm到380nm,辐射能量在视觉范围内。虽然我们不能观察到波长小于370nm的辐射,但我们仍然可以通过其他方式与这些辐射相互作用,例如使用速调管产生微波能,或用无线电发射无线电波(了解更多有关辐射测量学和光度测定).
这里要注意的是,每个波长的辐射能量量对于所有波长都不相同,而是随波长而变化。对于每个温度,都有一个特定的波长,每个波长的辐射能量最大。
也就是说在特定的温度下;峰值光谱辐射存在于特定波长。这个波长(峰值能量辐射的波长)取决于这个黑体的温度。随着温度的降低,曲线的峰值向右移动,如上图所示。这意味着在图中,随着温度的升高,每条曲线的峰值出现在较短的波长处。
由于能量辐射发生在所有波长,因此曲线非常接近水平轴,但即使波长无限长,也不会触及轴。在任何温度下曲线所包围的区域表示黑体在该特定温度下辐射的总能量。如果温度变化,辐射的总能量也会变化。如果我们连接所有曲线的峰值,我们将得到一条抛物线,如上图所示。
上图显示了光谱出射度与波长的关系。光谱出射度是指每单位波长每单位面积的功率。根据辐射物理学,这里适用Stefan-Boltzmann定律。这个定律指出,黑体每单位表面积在所有波长上辐射的总功率与黑体温度的四次方成正比。
给你,ME是单位面积的辐射功率,T是温度(开尔文),σ是斯特凡玻耳兹曼常数。这种能量是从黑体的这个洞发射出来的。
根据普朗克定律
其中,PE是这个黑体在温度T下,在法向上每单位面积每单位立体角每单位频率的辐射功率。
h是普朗克常数;
k是玻耳兹曼常数;
c是真空中的光速;
T是身体的绝对温度。
ν是电磁辐射的频率;
根据经典理论,维恩证明了在这个波长的峰值处,绝对温度是一个常数,即:。,
上述表达式称为维恩位移定律。该定律描述了通过上图所示曲线峰值的双曲线。
实用黑体
但在实际情况中,黑体的温度范围是-20到3000摄氏度(253到3273K)。因此,峰值波长为885nm到11500nm。885nm是可见光范围,而11500nm是红外线(IR)。黑体的温度可以在冰点黑体校准源中测定。
黑体在室温下呈黑色。同样,它辐射的大部分能量都是红外线。黑体的红外线辐射不能被人眼察觉,因为人眼在很低的光强度下永远看不到颜色。
因此,在最低可见温度(即微弱的)的黑暗中观察到的黑色物体看起来是灰色的。当我们把黑体加热一点,它就会相应地呈现暗红色。黑体的温度再次升高。而且,它会变成亮蓝白。
色度图显示了黑体的色温。
下面给出的这个色条显示了黑色物体的色温。