Ein schwarzer Körper ist ein idealisierter physischer Körper, der das ganze Ereignis elektromagnetische Radiation, unabhängig von der Frequenz oder dem Einfallswinkel absorbiert.

Ein schwarzer Körper im Thermalgleichgewicht (d. h. bei einer unveränderlichen Temperatur) strahlt elektromagnetische Radiation genannt Radiation des schwarzen Körpers aus. Die Radiation wird gemäß dem Gesetz von Planck ausgestrahlt, bedeutend, dass es ein Spektrum hat, das durch die Temperatur allein bestimmt wird (sieh Zahl am Recht), nicht durch die Gestalt oder Zusammensetzung des Körpers.

Ein schwarzer Körper im Thermalgleichgewicht hat zwei bemerkenswerte Eigenschaften:

1. Es ist ein idealer Emitter: Es strahlt so viel oder mehr Energie an jeder Frequenz aus als jeder andere Körper bei derselben Temperatur.
2. Es ist ein weitschweifiger Emitter: Die Energie wird isotropisch ausgestrahlt, von der Richtung unabhängig.

Eine ungefähre Verwirklichung eines schwarzen Körpers ist ein Loch in der Wand einer großen Einschließung (sieh unten). Jedes Licht, das ins Loch eingeht, wird unbestimmt widerspiegelt oder innen absorbiert und wird kaum wiedererscheinen, das Loch einen fast vollkommenen Absorber machend. Die in solch einer Einschließung beschränkte Radiation kann oder kann nicht im Thermalgleichgewicht, abhängig von Natur der Wände und dem anderen Inhalt der Einschließung sein.

Echte Materialien strahlen Energie an einem Bruchteil aus — hat das Emissionsvermögen — von Energieniveaus des schwarzen Körpers genannt. Definitionsgemäß hat ein schwarzer Körper im Thermalgleichgewicht ein Emissionsvermögen dessen. Eine Quelle mit dem niedrigeren Emissionsvermögen, das der Frequenz häufig unabhängig ist, wird einen grauen Körper genannt.

Aufbau von schwarzen Körpern mit dem Emissionsvermögen so in der Nähe von bleibt man wie möglich ein Thema vom aktuellen Interesse. Ein weißer Körper ist ein mit einer "rauen Oberfläche [die] alle Ereignis-Strahlen völlig und gleichförmig in allen Richtungen widerspiegelt."

In der Astronomie wird die Radiation von Sternen und Planeten manchmal in Bezug auf eine wirksame Temperatur, die Temperatur eines schwarzen Körpers charakterisiert, der denselben Gesamtfluss der elektromagnetischen Energie ausstrahlen würde.

Definition

Die Idee von einem schwarzen Körper wurde ursprünglich von Gustav Kirchhoff 1860 wie folgt eingeführt:

Eine modernere Definition lässt die Verweisung auf die "ungeheuer kleine Dicke" fallen:

Idealisierungen

Diese Abteilung beschreibt einige im Zusammenhang mit schwarzen Körpern entwickelte Konzepte.

Höhle mit einem Loch

Ein weit verwendetes Modell einer schwarzen Oberfläche ist ein kleines Loch in einer Höhle mit Wänden, die zur Radiation undurchsichtig sind. Das Strahlenereignis auf dem Loch wird in die Höhle gehen, und wird kaum wiederausgestrahlt, wenn die Höhle groß ist. Das Loch ist nicht ganz ein vollkommener schwarzer Körper — insbesondere wenn die Wellenlänge der Ereignis-Radiation länger ist als das Diameter des Loches, wird Teil widerspiegelt. Ähnlich sogar im vollkommenen Thermalgleichgewicht wird die Radiation innerhalb einer begrenzt-großen Höhle kein Ideal Spektrum von Planck für Wellenlängen haben, die damit vergleichbar sind oder größer sind als die Größe der Höhle.

Nehmen Sie an, dass die Höhle bei einer festen Temperatur T gehalten wird und die innerhalb der Einschließung gefangene Radiation am Thermalgleichgewicht mit der Einschließung ist. Das Loch in der Einschließung wird einer Radiation erlauben zu flüchten. Wenn das Loch klein ist, hat Radiation, die in und aus dem Loch geht, unwesentliche Wirkung auf das Gleichgewicht der Radiation innerhalb der Höhle. Diese flüchtende Radiation wird Radiation des schwarzen Körpers näher kommen, die einen Vertrieb in der Energieeigenschaft der Temperatur T ausstellt und von den Eigenschaften der Höhle oder des Loches mindestens für Wellenlängen nicht abhängt, die kleiner sind als die Größe des Loches. Sieh die Zahl in der Einführung für das Spektrum als eine Funktion der Frequenz der Radiation, die mit der Energie der Radiation durch die Gleichung E=hf, mit E = Energie, h = die Konstante von Planck, f = Frequenz verbunden ist.

Zu jeder vorgegebenen Zeit kann die Radiation in der Höhle nicht im Thermalgleichgewicht sein, aber das zweite Gesetz der Thermodynamik stellt fest, dass, wenn verlassen, unbeeinträchtigt es schließlich Gleichgewicht erreichen wird, obwohl die Zeit, die man braucht, um so zu tun, sehr lang sein kann. Gewöhnlich wird Gleichgewicht durch die dauernde Absorption und Wiederemission der Radiation durch das Material in der Höhle oder seine Wände erreicht. Radiation, die in die Höhle eingeht, wird "thermalized" sein; durch diesen Mechanismus: Die Energie wird neu verteilt, bis das Ensemble von Fotonen einen Vertrieb von Planck erreicht. Die für thermalization genommene Zeit ist mit der kondensierten Sache-Gegenwart viel schneller als mit der rarefied Sache wie ein verdünntes Benzin. Bei Temperaturen unter Milliarden von Kelvin sind direkte Wechselwirkungen des Foton-Fotons gewöhnlich im Vergleich zu Wechselwirkungen mit der Sache unwesentlich. Fotonen sind ein Beispiel von aufeinander wirkendem boson Benzin, und wie beschrieben, durch den H-Lehrsatz unter sehr allgemeinen Bedingungen irgendwelcher, boson Benzin aufeinander wirkend, wird sich Thermalgleichgewicht nähern.

Übertragung, Absorption und Nachdenken

Ein Verhalten eines Körpers hinsichtlich der Thermalradiation wird durch seine Übertragung τ, Absorption α, und Nachdenken ρ charakterisiert.

Die Grenze eines Körpers bildet eine Schnittstelle mit seinen Umgebungen, und diese Schnittstelle kann rau oder glatt sein. Nicht reflektierende Schnittstelle-Trennen-Gebiete mit verschiedenen Refraktionsindizes müssen rau sein, weil die Gesetze des Nachdenkens und der Brechung, die durch die Gleichungen von Fresnel für eine glatte Schnittstelle geregelt ist, einen widerspiegelten Strahl verlangen, wenn sich die Refraktionsindizes des Materials und seiner Umgebungen unterscheiden. Einigen idealisierten Typen des Verhaltens wird besondere Namen gegeben:

Ein undurchsichtiger Körper ist derjenige, der keine der Radiation übersendet, die es erreicht, obwohl einige widerspiegelt werden können. D. h. τ = 0 und α +ρ = 1

Ein durchsichtiger Körper ist derjenige, der die ganze Radiation übersendet, die es erreicht. D. h. τ = 1 und α =ρ = 0.

Ein grauer Körper ist derjenige, wo α, ρ und τ für alle Wellenlängen gleichförmig sind. Dieser Begriff wird auch gebraucht, um einen Körper zu bedeuten, für den α Temperatur und unabhängige Wellenlänge ist.

Ein weißer Körper ist ein, für den die ganze Ereignis-Radiation gleichförmig in allen Richtungen widerspiegelt wird: τ = 0, α = 0, und ρ = 1.

Für einen schwarzen Körper, τ = 0, α = 1, und ρ = 0. Planck bietet ein theoretisches Modell für vollkommen schwarze Körper an, die er bemerkt hat, bestehen in der Natur nicht: Außer ihrem undurchsichtigen Interieur haben sie Schnittstellen, die vollkommen übersenden und nichtreflektierend.

Die vollkommenen schwarzen Körper von Kirchhoff

Kirchhoff 1860 hat das theoretische Konzept eines vollkommenen schwarzen Körpers mit einer völlig fesselnden Oberflächenschicht der ungeheuer kleinen Dicke eingeführt, aber Planck hat einige strenge Beschränkungen auf diese Idee bemerkt. Planck hat drei Voraussetzungen auf einen schwarzen Körper bemerkt: Der Körper muss (i), Radiation erlauben, hereinzugehen, aber nicht nachzudenken; (ii) besitzen eine minimale Dicke, die entsprechend ist, um die Ereignis-Radiation zu absorbieren und seine Wiederemission zu verhindern; (iii) befriedigen strenge Beschränkungen nach dem Zerstreuen, um Radiation davon abzuhalten, hereinzugehen und zu springen, treten zurück. Demzufolge können die vollkommenen schwarzen Körper von Kirchhoff, die die ganze Radiation absorbieren, die auf ihnen fällt, nicht in einer ungeheuer dünnen Oberflächenschicht begriffen werden, und Bedingungen dem Zerstreuen des Lichtes innerhalb des schwarzen Körpers auferlegen, die schwierig sind zu befriedigen.

Verwirklichungen

Eine Verwirklichung eines schwarzen Körpers ist eine echte Welt, physische Verkörperung. Hier sind einige.

Höhle mit einem Loch

1898 haben Otto Lummer und Ferdinand Kurlbaum eine Rechnung ihrer Höhle-Strahlenquelle veröffentlicht. Ihr Design ist größtenteils unverändert für Strahlenmaße bis zu den heutigen Tag verwendet worden. Es war ein Loch in der Wand eines Platin-Kastens, der durch Diaphragmen mit seinem mit Eisenoxid geschwärzten Interieur geteilt ist. Es war eine wichtige Zutat für die progressiv verbesserten Maße, die zur Entdeckung des Gesetzes von Planck geführt haben. Eine 1901 beschriebene Version hatte sein Interieur, das mit einer Mischung von Chrom, Nickel und Kobalt-Oxyden geschwärzt ist.

Nah-schwarze Materialien

Es gibt Interesse an blackbody ähnlichen Materialien für die Tarnung und radarabsorbierenden Materialien für die Radarunsichtbarkeit. Sie haben auch Anwendung als Sonnenenergiesammler und Infrarotthermalentdecker. Als ein vollkommener Emitter der Radiation würde ein heißes Material mit dem schwarzen Körperverhalten eine effiziente Infrarotheizung besonders im Raum oder in einem Vakuum schaffen, wo Convective-Heizung nicht verfügbar ist. Sie sind auch in Fernrohren und Kameras nützlich, weil Antinachdenken erscheint, um Streulicht zu reduzieren, und Information über Gegenstände in Hoch-Kontrastgebieten zu sammeln (zum Beispiel, Beobachtung von Planeten in der Bahn um ihre Sterne), wo blackbody ähnliche Materialien Licht absorbieren, das aus den falschen Quellen kommt.

Es ist lange bekannt gewesen, dass ein Lampenruß-Überzug einen Körper fast schwarz machen wird. Eine Verbesserung auf dem Lampenruß wird in verfertigtem Kohlenstoff nanotubes gefunden. Nano-poröse Materialien können Refraktionsindizes fast dieses des Vakuums, in einem Fall-Erreichen-Durchschnitt reflectance 0.045 % erreichen. 2009 hat eine Mannschaft von japanischen Wissenschaftlern ein Material in der Nähe von einem idealen schwarzen Körper geschaffen, der auf vertikal ausgerichtetem einzeln ummauertem Kohlenstoff nanotubes gestützt ist. Das absorbiert zwischen 98 % und 99 % des eingehenden Lichtes in der geisterhaften Reihe vom ultravioletten bis die Weit-Infrarotgebiete.

Ein anderes Beispiel eines fast vollkommenen schwarzen Materials ist super schwarz, durch das chemische Ätzen einer Legierung des Nickel-Phosphors gemacht.

Sterne und Planeten

Ein Stern oder Planet werden häufig als ein schwarzer Körper und elektromagnetische Radiation modelliert, die von diesen Körpern als Radiation des schwarzen Körpers ausgestrahlt ist. Die Zahl zeigt einen hoch schematischen Querschnitt, um die Idee zu illustrieren. Der Photobereich des Sterns, wo das ausgestrahlte Licht erzeugt wird, wird als eine Schicht idealisiert, innerhalb deren die Fotonen des Lichtes mit dem Material im Photobereich aufeinander wirken und eine allgemeine Temperatur T erreichen, der im Laufe eines langen Zeitraumes der Zeit aufrechterhalten wird. Einige Fotonen flüchten und werden in den Raum ausgestrahlt, aber die Energie, die sie wegtragen, wird durch die Energie aus dem Stern ersetzt, so dass die Temperatur des Photobereichs fast unveränderlich ist. Änderungen im Kern führen zu Änderungen in der Versorgung der Energie zum Photobereich, aber solche Änderungen sind auf dem zeitlichen Rahmen von Interesse hier langsam. Das Annehmen dieser Verhältnisse kann begriffen werden, die Außenschicht des Sterns ist dem Beispiel einer Einschließung mit einem kleinen Loch darin mit dem Loch etwas analog, das durch die beschränkte Übertragung in den Raum an der Außenseite des Photobereichs ersetzt ist. Mit allen diesen Annahmen im Platz strahlt der Stern Radiation des schwarzen Körpers bei der Temperatur des Photobereichs aus.

Das Verwenden dieses Modells die wirksame Temperatur von Sternen wird geschätzt, als die Temperatur eines schwarzen Körpers definiert, der denselben Oberflächenfluss der Energie wie der Stern nachgibt. Wenn ein Stern ein schwarzer Körper wäre, würde sich dieselbe wirksame Temperatur aus jedem Gebiet des Spektrums ergeben. Zum Beispiel führen Vergleiche im B (blau) oder V (sichtbare) Reihe zum so genannten B-V-Farbenindex, der röter der Stern mit der Sonne vergrößert, die einen Index +0.648 ± 0.006 hat. Das Kombinieren des U (ultraviolett) und die B Indizes führt zum U-B Index, der negativer das heißere der Stern und mehr die UV Radiation wird. Das Annehmen der Sonne ist ein Stern des Typs G2 V, sein U-B Index ist +0.12. Die zwei Indizes für zwei Typen von Sternen werden in der Zahl mit der wirksamen Oberflächentemperatur der Sterne verglichen, die annehmen, dass sie schwarze Körper sind. Es kann gesehen werden, dass es nur eine raue Korrelation gibt. Zum Beispiel, für einen gegebenen B-V Index vom blau-sichtbaren Gebiet des Spektrums. Die Kurven für beide Typen des Sterns liegen unter dem entsprechenden schwarzen Körper U-B Index, der das ultraviolette Spektrum einschließt, zeigend, dass beide Typen des Sterns weniger ultraviolettes Licht ausstrahlen als ein schwarzer Körper mit demselben B-V Index. Es ist vielleicht überraschend, dass sie eine schwarze Körperkurve passen sowie sie tun, denkend, dass Sterne sehr verschiedene Temperaturen an verschiedenen Tiefen haben. Zum Beispiel hat die Sonne eine wirksame Temperatur von 5780 K, die im Vergleich zur Temperatur des Photobereichs der Sonne sein können (das Gebiet, das das Licht erzeugt), der von ungefähr 5000 K an seiner Außengrenze mit dem chromosphere zu ungefähr 9500 K an seiner inneren Grenze mit der Konvektionszone etwa 500 km tief anordnet.

Schwarze Löcher

Ein schwarzes Loch ist ein Gebiet der Raum-Zeit, aus der nichts flüchtet. Um ein schwarzes Loch gibt es eine mathematisch definierte Oberfläche genannt einen Ereignis-Horizont, der den Punkt keiner Rückkehr kennzeichnet. Es wird "schwarz" genannt, weil es das ganze Licht absorbiert, das den Horizont schlägt, nichts widerspiegelnd, es fast einen idealen schwarzen Körper machend (Radiation mit einer Wellenlänge, die dem gleich ist oder größer ist, als der Radius des Loches nicht absorbiert werden darf, so sind schwarze Löcher nicht vollkommene schwarze Körper). Physiker glauben, dass einem Außenbeobachter schwarze Löcher eine Nichtnulltemperatur haben und Radiation mit einem fast vollkommenen Spektrum des schwarzen Körpers ausstrahlen, schließlich verdampfend. Der Mechanismus für diese Emission ist mit Vakuumschwankungen verbunden, in denen ein virtuelles Paar von Partikeln durch den Ernst des Loches, ein Mitglied getrennt wird, das ins Loch und den anderen wird saugt, ausgestrahlt werden. Der Energievertrieb der Emission wird durch das Gesetz von Planck mit einer Temperatur T beschrieben:

wo c die Geschwindigkeit des Lichtes ist, ist  der reduzierte unveränderliche Planck, k ist unveränderlicher Boltzmann, G ist die Gravitationskonstante, und M ist die Masse des schwarzen Loches. Diese Vorhersagen sind entweder Beobachtungs- oder experimentell noch nicht geprüft worden.

Kosmische Mikrowellenhintergrundradiation

Die Urknall-Theorie basiert auf den kosmologischen Grundsatz, der feststellt, dass auf großen Skalen das Weltall homogen und isotropisch ist. Gemäß der Theorie das Weltall ungefähr eine Sekunde nachdem war seine Bildung ein nah-idealer schwarzer Körper im Thermalgleichgewicht bei einer Temperatur über 10 K. Die Temperatur hat als das Weltall ausgebreitet und die Sache und Radiation darin abgekühlt abgenommen. Die kosmische Mikrowellenhintergrundradiation beobachtet ist heute "der vollkommenste schwarze in der Natur jemals gemessene Körper". Es hat fast Ideal Spektrum von Planck bei einer Temperatur ungefähr 2.7K. Es weicht von der vollkommenen Isotropie der wahren Radiation des schwarzen Körpers durch einen beobachteten anisotropy ab, der sich mit dem Winkel auf dem Himmel nur zu ungefähr einem Teil in 100,000 ändert.

Das Strahlungsabkühlen

Die Integration des Gesetzes von Planck über alle Frequenzen stellt die Gesamtenergie pro Einheit der Zeit pro Einheit der Fläche zur Verfügung, die durch einen schwarzen Körper ausgestrahlt ist, der bei einer Temperatur T aufrechterhalten ist, und ist als das Gesetz von Stefan-Boltzmann bekannt:

wo σ ist der unveränderliche Stefan-Boltzmann, um im Thermalgleichgewicht bei der unveränderlichen Temperatur T zu bleiben, der schwarze Körper muss absorbieren oder innerlich diesen Betrag der Macht P über das gegebene Gebiet A. erzeugen

Dem Abkühlen eines Körpers wegen der Thermalradiation wird häufig mit dem Gesetz von Stefan-Boltzmann näher gekommen, das mit einem "grauen Körper" Emissionsvermögen ergänzt ist, Die Rate der Abnahme der Temperatur des Ausstrahlen-Körpers kann von der Macht ausgestrahlt und die Hitzekapazität des Körpers geschätzt werden. Diese Annäherung ist eine Vereinfachung, die Details der Mechanismen hinter der Hitzeneuverteilung ignoriert (der sich ändernde Zusammensetzung, Phase-Übergänge oder das Umstrukturieren des Körpers einschließen kann), die innerhalb des Körpers vorkommen, während es kühl wird und annimmt, dass in jedem Moment rechtzeitig der Körper durch eine einzelne Temperatur charakterisiert wird. Es ignoriert auch andere mögliche Komplikationen, wie Änderungen im Emissionsvermögen mit der Temperatur und die Rolle anderer Begleitformen der Energieemission, zum Beispiel, Emission von Partikeln wie neutrinos.

Wenn, wie man annimmt, ein heißer Ausstrahlen-Körper dem Gesetz von Stefan-Boltzmann und seiner Macht-Emission P folgt und Temperatur T bekannt ist, kann dieses Gesetz verwendet werden, um die Dimensionen des Ausstrahlen-Gegenstands zu schätzen, weil die ausgestrahlte Gesamtmacht zum Gebiet der Ausstrahlen-Oberfläche proportional ist. Auf diese Weise wurde es dass Röntgenstrahl-Brüche gefunden, die von Astronomen beobachtet sind, die in Neutronensternen mit einem Radius von ungefähr 10 km, aber nicht schwarzen Löchern, wie ursprünglich vermutet, hervorgebracht sind. Es sollte bemerkt werden, dass eine genaue Schätzung der Größe einige Kenntnisse des Emissionsvermögens, besonders seine geisterhafte und winkelige Abhängigkeit verlangt.

Links

• Eine Beschreibung und Video der geleisteten Arbeit, die "als Wurf schwärzere" Materialien mit Kohlenstoff nanotubes an der NASA Raumflugzentrum von Goddard macht.

Zitate

Bibliografie

• eine Übersetzung von Frühgeschichte der Quantentheorie (1899-1913), Physik Verlag, Mosbach/Baden.
• Übersetzt von Guthrie, F. als