20200819

什麼是黑體輻射?

黑體(black body)指的是熱輻射理論中,一個理想的物質。理想中它應該100%吸收外界給他的輻射,不會有任何反射或散射,所以想像中它是不反光的「黑」。


但實際上,黑體幾乎不存在,物體或多或少都會反射外界給它的輻射。物理學家想到可以使用「空腔」來模擬黑體。一個只有小孔對外的巨大空腔,理論上那個小孔只有很低的機率會反射出外界射入的輻射,所以測量那個小孔射出的輻射有很高的信心認為與外界射入的輻射無關。


此時人們發現,測量空腔所射出的輻射,發現其「只有和溫度相關」,而不和空腔的材質、大小或其他性質相關。人們進一步了解了「空腔輻射」的性質,發現以下三大特點:


一、此種輻射在各個不同波段的強度只有一個最大值

二、空腔溫度越高,此最大值的波長就越短

三、此輻射之波長-強度曲線在不同溫度中不交叉重疊。也就是說,固定任何一個波長測量空腔輻射時,溫度越高,該波長的輻射強度總是越強。


由空腔輻射的研究,人們藉此了解黑體的上述三點重要特性。由於傳統物理學無法合理解釋為何黑體輻射會有此三大性質,普朗克運用數學方程式推導出黑體輻射定律,但他本人不相信,因為依據他推導出的黑體輻射方程式,物質內的能量將不會是連續的,而是有一個最小的基本能量單位,而此最小能量單位與輻射頻率有關,即量子力學的第一個基本定義E=hv。普朗克對此不能接受,但黑體輻射方程式完美解釋黑體輻射,並預言了許多物理現象,因此黑體輻射的研究開啟了全新的物理學-量子力學。


宇宙中到底存不存在黑體呢? 理論上理想的黑體並不存在,但實務上,近似於黑體特性的物體,雖然在生活周遭不常見,但宇宙中卻非常常見,就是宇宙中每一顆的恆星。像是我們的太陽自己用核融合反應發光,而距離太陽最近的恆星遠達4光年以外,所以另一顆恆星的光線幾乎不可能「照耀」一顆恆星的表面,因此測量太陽所發出光,忽略掉元素吸收光譜的影響(那是另一個故事),會發現幾乎是理想的黑體輻射。因此我們可以說,恆星看似明亮,但它們幾乎都是很理想的「黑」體喔!


運用黑體輻射的性質,我們終於得以測量遠方恆星的精確溫度,溫度越高的恆星越藍、溫度越低的恆星越紅,這就是黑體輻射對天文觀測最直接影響!


延伸閱讀:

黑體輻射曲線用IDL來畫

https://evaof31734.blogspot.com/2011/12/idl.html

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