Rayonnement du corps noir

Un corps noir est un modèle idéal qui absorbe tout le rayonnement électromagnétique incident. À l’équilibre thermique, il fournit aussi le spectre de référence de l’émission thermique. Ce modèle relie directement la forme du spectre à la température.

Un modèle idéal, pas simplement un objet peint en noir

A cavity with a small opening approximates a blackbody rayonnement entrantréflexions multiples : forte absorptionpetite ouverture rayonnement sortantrévèle le spectre
Une cavité explique pourquoi le modèle du corps noir est utile expérimentalement. À l’équilibre, le spectre qui sort d’une petite ouverture dépend principalement de la température de la cavité.

Une petite ouverture dans une cavité opaque approche bien ce comportement : un rayonnement entrant subit de nombreuses réflexions et a peu de chances de ressortir sans être absorbé.

Le mot « noir » décrit l’absorption parfaite. Un corps noir suffisamment chaud peut paraître rouge, blanc ou bleuté parce qu’il émet fortement dans le visible.

La température remodèle tout le spectre

Blackbody spectra for three temperatures, with hotter curves taller and peaking at shorter wavelengths longueur d’ondeémission spectrale plus froidplus chaudtrès chaudλ plus courteλ plus longue
Deux effets se produisent ensemble. Quand la température augmente, l’émission devient plus intense et le maximum se déplace vers les longueurs d’onde plus courtes.

λmaxT = b, avec b ≈ 2,898 × 10⁻³ m K.

La loi de déplacement de Wien indique où se trouve le maximum du spectre lorsqu’on le représente par unité de longueur d’onde. Elle ne signifie pas que le corps émet uniquement à λmax.

La température doit être exprimée en kelvins.

Faire varier la température

Le curseur combine la loi de Wien et la loi de Stefan-Boltzmann.

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La puissance thermique totale croît comme T⁴

M = σT⁴

Pour un corps noir idéal, M est la puissance rayonnée par unité de surface et σ = 5,670 × 10⁻⁸ W m⁻² K⁻⁴. Doubler la température absolue multiplie M par 16.

Une surface réelle peut être décrite par une émissivité ε < 1. Pour un bilan net avec l’environnement, il faut aussi compter le rayonnement reçu.

Pourquoi la physique classique a échoué

Les modèles classiques ne reproduisaient pas le spectre observé aux courtes longueurs d’onde. Planck a obtenu la bonne forme en introduisant des échanges d’énergie quantifiés, liés à la fréquence par E = hf.

La loi complète de Planck explique la forme du spectre et conduit aux lois de Wien et de Stefan-Boltzmann. Le rayonnement du corps noir a ainsi joué un rôle majeur dans la naissance de la physique quantique.

Exercices résolus

1. Surface comparable au Soleil

Estimer λmax pour T = 5800 K.

Solution

λmax = 2,898 × 10⁻³ / 5800 ≈ 5,00 × 10⁻⁷ m = 500 nm, dans le visible.

2. Objet à 300 K

Quel est λmax à 300 K ?

Solution

λmax ≈ 9,66 × 10⁻⁶ m = 9,66 μm, dans l’infrarouge.

3. Température doublée

Deux corps noirs ont la même aire ; le second est à deux fois la température absolue du premier. Comparer leurs puissances émises.

Solution

P₂/P₁ = 2⁴ = 16. Wien prédit en même temps un maximum à une longueur d’onde deux fois plus courte.