什么是黑体

黑体是一个理想化的物体，它能够吸收外来的全部电磁辐射，并且不会有任何的反射与透射，物理学家以此作为热辐射研究的标准物体。

在室温下，黑体辐射的能量集中在长波电磁辐射和远红外波段。当黑体温度到几百摄氏度之后，黑体开始发出可见光。

任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领.辐射出去的电磁波在各个波段是不同的,也就是具有一定的谱分布.这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关,因而被称之为热辐射.为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律,物理学家们定义了一种理想物体——黑体(black body),以此作为热辐射研究的标准物体.

所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收,既没有反射,也没有透射( 当然黑体仍然要向外辐射).显然自然界不存在真正的黑体,但许多地物是较好的黑体近似( 在某些波段上).黑体辐射情况只与其温度有关,与组成材料无关.

基尔霍夫辐射定律(Kirchhoff),在热平衡状态的物体所辐射的能量与吸收的能量之比与物体本身物性无关,只与波长和温度有关.按照基尔霍夫辐射定律,在一定温度下,黑体必然是辐射本领最大的物体,可叫作完全辐射体.用公式表达如下：

Er =α*Eo

Er——物体在单位面积和单位时间内发射出来的辐射能；

α——该物体对辐射能的吸收系数；

Eo——等价于黑体在相同温度下发射的能量,它是常数.

普朗克辐射定律(Planck)则给出了黑体辐射的具体谱分布,在一定温度下,单位面积的黑体在单位时间、单位立体角内和单位波长间隔内辐射出的能量为

B(λ,T)=2hc2 /λ5 ·1/exp(hc/λRT)-1

B(λ,T)—黑体的光谱辐射亮度(W,m-2 ,Sr-1 ,μm-1 )

λ—辐射波长(μm)

T—黑体绝对温度(K、T=t+273k)

C—光速(2.998×108 m·s-1 )

h—普朗克常数,6.626×10-34 J·S

K—波尔兹曼常数(Bolfzmann),1.380×10-23 J·K-1 基本物理常数

由图2.2可以看出：

①在一定温度下,黑体的谱辐射亮度存在一个极值,这个极值的位置与温度有关,这就是维恩位移定律(Wien)

λm T=2.898×103 (μm·K)

λm —最大黑体谱辐射亮度处的波长(μm)

T—黑体的绝对温度(K)

根据维恩定律,我们可以估算,当T～6000K时,λm 0.48μm(绿色).这就是太阳辐射中大致的最大谱辐射亮度处.

当T～300K,λm～9.6μm,这就是地球物体辐射中大致最大谱辐射亮度处.

②在任一波长处,高温黑体的谱辐射亮度绝对大于低温黑体的谱辐射亮度,不论这个波长是否是光谱最大辐射亮度处.

如果把B(λ,T)对所有的波长积分,同时也对各个辐射方向积分,那么可得到斯特番—波耳兹曼定律(Stefan-Boltzmann),绝对温度为T的黑体单位面积在单位时间内向空间各方向辐射出的总能量为B(T)

B(T)=δT4 (W·m-2 )

δ为Stefan-Boltzmann常数,等于5.67×10-8 W·m-2 ·K-4

但现实世界不存在这种理想的黑体,那么用什么来刻画这种差异呢?对任一波长,定义发射率为该波长的一个微小波长间隔内,真实物体的辐射能量与同温下的黑体的辐射能量之比.显然发射率为介于0与1之间的正数,一般发射率依赖于物质特性、 环境因素及观测条件.如果发射率与波长无关,那么可把物体叫作灰体(grey body),否则叫选择性辐射体.

[编辑本段]黑体的模型 (热力学)

黑体的吸收率α=1,这意味着黑体能够全部吸收各种波长的辐射能.尽管在自然界并不存在黑体,但用人工的方法可以制造出十分接近于黑体的模型.黑体模型的原理如下：取工程材料（它的吸收率必然小于黑体的吸收率）制造一个球壳形的空腔,使空腔壁面保持均匀的温度,并在空腔上开一个小孔.射入小孔的辐射在空腔内要经过多次的吸收和反射,而每经历一次吸收,辐射能就按照内壁吸收率的大小被减弱一次,最终能离开小孔的能量是微乎其微的,可以认为所投入的辐射完全在空腔内部被吸收.所以,就辐射特性而言,小孔具有黑体表面一样的性质.值得指出的是,小孔面积占空腔内壁总面积的比值越小,小孔就月接近黑体.若这个比值小于0.6%,当内壁吸收率为60%时,计算表明,小孔的吸收率可达99.6%.应用这种原理建立的黑体模型,在黑体辐射的实验研究以及为实际物体提供辐射的比较标准等方面都十分有用.