Ciało doskonale czarne
Rozważmy pokazany na Rys. 1 blok metalowy posiadający pustą wnękę wewnątrz. W ściance bocznej tego bloku znajduje się niewielki otwór.
Promieniowanie pada na otwór z zewnątrz i po wielokrotnych odbiciach od wewnętrznych ścian zostaje całkowicie pochłonięte. Oczywiście ścianki wewnętrzne też emitują promieniowanie, które może wyjść na zewnątrz przez otwór. Otwór wnęki ma więc własności ciała doskonale czarnego.
Z obserwacji światła wysyłanego przez takie ciało wynika, że:
- Promieniowanie wychodzące z wnętrza bloków ma zawsze większe natężenie niż promieniowanie ze ścian bocznych.
- Dla danej temperatury emisja promieniowania wychodzącego z otworów jest identyczna dla wszystkich źródeł promieniowania, pomimo że dla zewnętrznych powierzchni te wartości są różne.
Emisja energetyczna promieniowania ciała doskonale czarnego (nie jego powierzchni) zmienia się wraz z temperaturą według prawa Stefana-Boltzmanna
Zdolność emisyjna promieniowania \( R_{\lambda} \) dla ciała doskonale czarnego zmienia się z temperaturą tak, jak na Rys. 2.
Długość fali, dla której przypada maksimum emisji jest zgodnie z prawem Wiena odwrotnie proporcjonalna do temperatury ciała.
Podkreślmy, że pokazane krzywe zależą tylko od temperatury i są całkiem niezależne od materiału oraz kształtu i wielkości ciała doskonale czarnego.
Żeby się o tym przekonać rozpatrzmy, pokazane na Rys. 3 dwa ciała doskonale czarne, tzn. dwie wnęki o dowolnym kształcie i jednakowej temperaturze ścianek obu wnęk (ciała stykają się). Promieniowanie oznaczone \( R_{A} \) przechodzi z wnęki A do wnęki B, a promieniowanie \( R_{B} \) w odwrotnym kierunku. Jeżeli te szybkości nie byłyby równe, wówczas jeden z bloków ogrzewałby się, a drugi stygł. Oznaczałoby to pogwałcenie drugiej zasady termodynamiki. Otrzymujemy więc \( R_{A} \) = \( R_{B} \) = \( R_{C} \) gdzie \( R_{C} \) opisuje całkowite promieniowanie dowolnej wnęki.
Nie tylko energia całkowita, ale również jej rozkład musi być taki sam dla obu wnęk. Stosując to samo rozumowanie co poprzednio, można pokazać, że \( {R_{{\mathit{\lambda A}}}=R_{{\mathit{\lambda B}}}=R_{{\mathit{\lambda C}}}} \), gdzie \( R_{\lambda C} \) oznacza widmową zdolność emisyjną dowolnej wnęki.
Symulacja 1: Widmo ciała doskonale czarnego
Pobierz symulacjęPorównaj widmo ciała doskonale czarnego z widmem światła widzialnego słońca. Poznaj widmo promieniowania termicznego dla słońca, żarówki, pieca i Ziemi. Zobacz ja ze zmieniają się długości fal i natężenie wraz ze zmianą temperatury. Obserwuj kolor odpowiadający maksimum emisji promieniowania.