흑체 방사선 - Black-body radiation

흑체 방사선 - Black-body radiation


흑체 방사선 - Black-body radiation

흑체 방사선(black-body radiation)은 흑체(이상화된 불투명, 비반사성체)가 방출하는 열역학적 평형상태의 신체 내부 또는 주변 전자파 방사선이다. 그것은 몸의 온도에만 의존하는 강도와 반비례하는 파장의 특정 스펙트럼을 가지고 있는데, 계산과 이론을 위해 균일하고 일정하다고 가정한다. 많은 일반 물체들이 자발적으로 방출하는 열 복사는 흑체 방사선으로 대략 추정할 수 있다. 내부 열 평형 상태에 있는 완벽히 절연된 외함은 블랙 바디 방사선을 포함하며, 구멍이 평형에 무시할 수 있을 정도로 작다면 벽에 만들어진 구멍을 통해 방출할 것이다.


어두운 방에서, 실온의 검은 몸은 그것이 방사하는 에너지의 대부분은 적외선 스펙트럼 안에 있고 인간의 눈으로 감지할 수 없기 때문에 검은색으로 나타난다. 인간의 눈은 가시 주파수 이하의 광파를 감지할 수 없기 때문에 객관적 물리적 스펙트럼 피크가 적외선 범위에 있음에도 불구하고 가장 낮은 온도에서 단지 주관적으로 희미하게 보이는 검은 몸체가 회색처럼 나타난다. 빛에 민감한 망막봉이 원추형보다 민감하기 때문에 인간의 눈은 낮은 광도에서 흑백만을 감지한다. 물체가 조금 뜨거워지면 칙칙한 붉은색으로 나타난다. 온도가 더 올라가면 밝은 빨강, 주황, 노랑, 백색, 그리고 궁극적으로 청백색이 된다.


행성과 항성은 주변과 열평형도 아니고 완벽한 흑체도 아니지만, 흑체 방사선은 그들이 방출하는 에너지의 첫 번째 근사치로 사용된다. 블랙홀은 블랙홀 위에 떨어지는 모든 방사선을 흡수한다는 점에서 거의 완벽한 블랙바디다. 블랙홀의 질량에 따라 온도가 달라지는 흑체방사선(호킹방사선이라고 한다)을 방출하자는 제안이 나왔다. 흑체라는 용어는 구스타프 키르흐호프가 1860년에 도입했다. 흑체 방사선은 열방사선, 공동방사선, 완전방사선 또는 온도방사선이라고도 한다.


스펙트럼

흑체 방사선은 플랑크 스펙트럼 또는 플랑크의 법칙이라고 불리는 신체의 온도에만 의존하는 특징적이고 연속적인 주파수 스펙트럼을 가지고 있다. 스펙트럼은 온도가 상승하면서 더 높은 주파수로 이동하는 특성 주파수로 정점을 이루며, 실온에서는 방출의 대부분이 전자기 스펙트럼의 적외선 영역에 있다. 온도가 약 500도를 넘어서면서 흑체는 상당한 양의 가시광선을 방출하기 시작한다. 사람의 눈으로 어둠 속에서 바라본 첫 번째 희미한 빛은 "유령적인" 회색으로 나타난다(보이는 빛은 실제로 붉은색이지만, 저강도 빛은 눈의 회색 수준의 센서만 활성화한다). 온도가 올라가면 빛을 둘러싼 배경이 있을 때도 빛이 보인다. 처음에는 칙칙한 빨강으로, 다음에는 노랑으로, 그리고 결국에는 온도가 상승함에 따라 "푸르스름한-흰색"으로. 몸이 하얗게 나타나면 자외선 복사로써 에너지의 상당 부분을 방출하고 있는 것이다. 태양은 유효 온도가 약 5800K인 대략적인 검은 몸체로, 방출 스펙트럼이 가시 스펙트럼의 중심 황록색 부분에서 정점을 이루지만 자외선에서도 상당한 힘을 가지고 있다.


흑체

모든 정상(바이오닉) 물질은 절대 영도 이상의 온도를 가질 때 전자기 방사선을 방출한다. 방사선은 신체의 내부 에너지를 전자기 에너지로 변환하는 것을 나타내며, 따라서 열방사선이라고 불린다. 그것은 엔트로피의 복사 분포의 자발적인 과정이다. 반대로 모든 정상 물질은 전자기 방사선을 어느 정도 흡수한다. 어떤 파장에서든 그 위에 떨어지는 모든 방사선을 흡수하는 물체를 검은 몸이라고 한다. 흑체가 일정한 온도에 있을 때, 그 방출은 온도에 따라 달라지는 특징적인 주파수 분포를 가진다. 그것의 방출은 흑체 방사선이라고 불린다. 완벽한 흑체는 자연 속에 존재하지 않기 때문에 흑체의 개념은 이상화다. 흑연과 램프 검은색은 0.95 이상의 방사성을 가지지만 검은색 재료에 대한 좋은 근사치 입니다. 실험적으로, 흑체 복사는 완전히 불투명하고 부분적으로만 반사되는 강체 신체의 공동에서 궁극적으로 안정된 안정 상태 평형 방사선으로 가장 잘 확립될 수 있다. 일정한 온도에서 한쪽에 작은 구멍이 뚫린 흑연 벽의 닫힌 상자는 개구부에서 나오는 이상적인 흑체 방사선에 대한 좋은 근사치를 만들어낸다.


흑체 방사선은 복사 강도의 절대적으로 안정적인 분포를 가지며, 이는 공동의 열역학적 평형을 유지할 수 있다. 평형상태에서, 각 주파수에 대해, 몸에서 방출되고 반사되는 방사선의 총 강도(즉, 스펙트럼 광도라고 불리는 그것의 표면을 떠나는 방사선의 순량)는 평형온도에 의해서만 결정되며, 신체의 형태, 물질 또는 구조에 의존하지 않는다. 흑체(완벽한 흡수체)의 경우 반사 방사선이 없으므로 스펙트럼 광도는 전적으로 방출에 의한 것이다. 또한, 검은 몸체는 확산 방출체(배출물은 방향과 무관함)이다. 따라서 흑체 복사는 열 평형 상태에서 흑체에서 나오는 방사선으로 볼 수 있다.


흑체 복사는 물체의 온도가 충분히 높으면 가시광선이 된다. 드레이퍼 지점은 모든 고체가 약 798K의 희미한 붉은 빛을 발하는 온도다. 1000K에서는 바깥에서 바라본 크고 균일하게 가열된 불투명 벽 공동(오븐 등)의 벽에 작은 개구부가 붉은색으로 보인다 6000K에서는 하얀색으로 보인다. 오븐이 어떻게 만들어지든, 어떤 재료든, 그것이 벽에 거의 모든 빛이 흡수되도록 만들어지는 한, 그것은 흑체 방사선에 대한 좋은 근사치를 포함할 것이다. 나오는 빛의 스펙트럼, 즉 색깔은 캐비티 온도만의 기능이 될 것이다. 단위 부피 당 오븐 내부의 에너지량과 표시된 단위 주파수 간격 대 주파수를 나타내는 그래프를 흑체 곡선이라고 한다. 온도를 변화시켜 다른 곡선을 구한다.


같은 온도에 있는 두 개의 신체는 상호 열평형을 유지하므로 평균적으로 온도 T에서 빛의 구름으로 둘러싸인 온도 T의 신체는 방사 평형을 가리키는 Prevost의 교환원리에 따라 흡수되는 만큼의 빛을 구름 속으로 방출하게 된다. 세부 균형 원리는 열역학적 평형에서는 모든 기본적인 과정이 그 앞뒤의 감각에서 동등하게 작용한다고 말한다. Prevost는 또한 신체로부터의 방출은 논리적으로 자신의 내부 상태에 의해서만 결정된다는 것을 보여주었다. 열역학적(자발적) 배출에 대한 열역학적 흡수의 인과적 영향은 직접적이지는 않지만, 체내 상태에 영향을 미치기 때문에 간접적일 뿐이다. 즉, 열역학적 평형에서 검정색이든 아니든 간에 온도의 T에서 신체가 방출하는 열복사의 모든 방향의 모든 파장의 양은 온도 T에서 빛에 둘러싸여 있기 때문에 신체가 흡수하는 해당 양과 같다는 것을 의미한다.


몸이 검으면 흡수가 뻔하다. 흡수되는 빛의 양은 표면에 부딪히는 모든 빛이다. 파장보다 훨씬 큰 흑체의 경우 단위 시간당 λ의 어떤 파장에서 흡수되는 빛 에너지는 흑체 곡선에 엄격히 비례한다. 흑체 곡선이 흑체가 내뿜는 빛 에너지의 양이라는 뜻으로, 이 이름이 정당화된다. 이것이 키르흐호프의 열방사선법 적용의 조건이다. 흑체 곡선은 열광의 특징으로, 열광의 경우, 열광은 충치의 벽의 온도에만 의존하며, 충치의 벽이 완전히 불투명하고 반사성이 높지 않으며, 충치가 열역학적 평형 상태에 있다는 것을 전제로 한다. 검은 몸체가 작아서 그 크기가 빛의 파장에 필적할 때 흡수가 변형되는데, 이는 작은 물체가 긴 파장의 효율적인 흡수체가 아니라 열역학적 평형상태에서 방출과 흡수의 엄격한 균등의 원리가 항상 유지되기 때문이다.


실험실에서 흑체 복사는 부분적으로만 반사되는 완전히 불투명한 신체에서 큰 충치의 작은 구멍인 호흘라움에서 나오는 방사선에 의해 대략적으로 추정되며 일정한 온도로 유지된다. (이 기술은 대체 용어 캐비티 방사선으로 이어진다.) 구멍으로 들어오는 어떤 빛도 빠져나오기 전에 충치의 벽을 여러 번 반사해야 하는데, 그 과정에서 흡수될 것이 거의 확실하다. 흡수는 들어오는 방사선의 파장과 상관없이 발생한다(구멍에 비해 작을 경우). 그렇다면 그 구멍은 이론적 흑체의 가까운 근사치로, 만약 공동이 가열되면 구멍의 방사선 스펙트럼(즉, 각 파장의 구멍에서 방출되는 빛의 양)은 연속적이며, 온도와 벽이 불투명하고 최소한 부분흡수성이 있다는 사실에만 의존할 뿐, 그것에는 의존하지 않는다.


광도나 관측된 강도는 방향의 함수가 아니다. 따라서 흑체는 완벽한 람베르트 라디에이터다. 실제 물체는 결코 완전한 이상적 검은 물체로 작용하지 않으며, 대신 주어진 주파수에서 방출되는 방사선은 이상적인 방출의 일부분이다. 물질의 방출성은 실제 신체가 검은 신체에 비해 얼마나 에너지를 잘 발산하는지 명시한다. 이 발산성은 온도, 방출 각도, 파장 등의 요소에 따라 달라진다. 그러나 표면의 스펙트럼 방사성과 흡수성은 파장에 의존하지 않기 때문에 방출성이 상수라고 가정하는 것이 공학에서 전형적이다. 이것은 회색체 가정이라고 알려져 있다.


검은색이 아닌 표면에서 이상적인 흑체 행동의 편차는 거칠거나 미세한 표면 구조와 화학적 구성 모두에 의해 결정된다. "파장당" 기준으로, 국소 열역학적 평형 상태의 실제 물체는 여전히 Kirchhoff의 법칙을 따른다. 방사성은 흡수성과 같기 때문에 모든 입사광을 흡수하지 않는 물체는 또한 이상적인 검은 몸보다 더 적은 방사선을 방출할 것이다. 불완전한 흡수는 입사광의 일부가 신체를 통해 전달되거나 그 일부가 신체의 표면에 반사되기 때문일 수 있다.


천문학에서, 별과 같은 물체는 종종 흑체로 간주되지만, 이것은 종종 빈약한 근사치인 경우가 있다. 거의 완벽한 흑체 스펙트럼은 우주 마이크로파 배경 방사선에 의해 나타난다. 호킹 방사선은 블랙홀이 내뿜는 가상의 흑체 방사선으로, 구멍의 질량, 전하, 스핀에 따라 달라지는 온도다. 만약 이 예측이 정확하다면, 블랙홀은 광자와 다른 입자의 방출로 질량이 감소하면서 시간이 지남에 따라 매우 점차적으로 수축하고 증발할 것이다.


흑체는 모든 주파수에서 에너지를 발산하지만, 그 강도는 높은 주파수(짧은 파장)에서 빠르게 0이 되는 경향이 있다. 예를 들어 표면적이 1제곱미터인 상온(300K)의 흑체는 가시 범위(390~750nm)의 광자를 41초마다 평균 광자 1개의 비율로 방출하게 되는데, 이는 대부분의 실용적인 목적을 위해 그러한 흑체는 가시 범위 내에서 방출되지 않는다는 것을 의미한다. 흑체의 법칙에 대한 연구와 이를 설명하는 고전물리학의 실패는 양자역학의 기초를 확립하는 데 도움이 되었다.

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