黑体 (物理学)

✍ dations ◷ 2025-06-28 14:10:56 #红外线,热力学,传热,电磁辐射,天体物理学

在热力学中,黑体(英语:Black body),旧称绝对黑体,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。随着温度上升,黑体所辐射出来的电磁波与光线则称做黑体辐射。这个名词在1862年由古斯塔夫·基尔霍夫所提出并引入热力学内。

黑体对于任何波长的电磁波的吸收系数为1,透射系数为0。但黑体未必是黑色的,即使不反射任何的电磁波,它也可以放出电磁波,而这些电磁波的波长和能量则全取决于黑体的温度,不因其他因素而改变。

对于人的视觉而言,黑体在700K以下时看起来是黑色的,这是由于在700K之下的黑体所放出来的辐射能量很小且辐射波长在可见光范围之外。若黑体的温度高过上述的温度的话,黑体则不会再是黑色的了,它会开始变成红色,并且随着温度的升高,而分别有橘色、黄色、白色等颜色出现,即黑体吸收和放出电磁波的过程遵循了光谱,其轨迹为普朗克轨迹(或称为黑体轨迹)。黑体辐射实际上是黑体的热辐射。在黑体的光谱中,由于高温引起高频率即短波长,因此较高温度的黑体靠近光谱结尾的蓝色区域而较低温度的黑体靠近红色区域。

在室温下,黑体放出的基本为红外线,但当温度涨幅超过了百度之后,黑体开始放出可见光,根据温度的升高过程,分别变为红色,橙色,黄色,白色和蓝色。当黑体变为白色的时候,它同时会放出大量的紫外线。

黑体单位表面积的辐射通量 P {\displaystyle P}

1898年,奥托·鲁默(Otto Lummer)和费迪南德·库尔鲍姆(Ferdinand Kurlbaum)发表了他们的腔辐射源的论文。至今为止,它们的设计在辐射测量方面几乎没有改变。 它是铂金盒壁上的一个孔,被隔膜隔开,其内部被氧化铁涂黑。 它是逐步改进测量结果的重要组成部分,从而导致了普朗克定律的发现。1901年描的版本,其内部被铬,镍和氧化钴的混合物涂黑。

人们感兴趣于用于伪装的类黑体材料和用于雷达隐身的雷达吸收材料。它们还可以用作太阳能收集器和红外热探测器。作为一种理想的辐射发射器,具有黑体行为的热物质会产生高效的红外加热器,尤其是在无法使用对流加热的空间或真空中。它们还可以用作望远镜和照相机的减反射表面,以减少杂散光,并收集有关高对比度区域中物体的信息(例如,观察恒星周围的行星),由于黑体的物质会吸收光来自非目标的来源。

人们早就知道,漆黑的涂层会使物体接近黑色。在制造的碳纳米管中发现了对碳烟 ( lamp-black )的改进。纳米多孔材料可以达到接近真空的折射率,在一种情况下,其平均反射率为0.045%。 2009年,一支日本科学家小组基于垂直排列的单壁碳纳米管,创建了一种接近于理想黑体的纳米黑材料。在从紫外线到远红外区域的光谱范围内,它吸收了98%至99%的入射光。

几乎完美的黑色材料的其他示例是通过化学刻蚀镍磷合金(nickel–phosphorus alloy),垂直排列的碳纳米管阵列( vertically aligned carbon nanotube arrays ) 和花朵碳纳米结构 ( flower carbon nanostructures ) ; 都吸收99.9%或更多的光。

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