Bức xạ vật đen

Vật đen là một mô hình, không phải vật chỉ được sơn đen

Vật đen lý tưởng hấp thụ mọi bức xạ điện từ tới, bất kể bước sóng và hướng. Ở cân bằng nhiệt, nó cũng cho phổ chuẩn của phát xạ nhiệt. Một lỗ nhỏ trên khoang kín đục là gần đúng vật lý tốt: bức xạ đi vào phản xạ nhiều lần và rất khó thoát trở lại.

Từ “đen” nói về hấp thụ hoàn hảo chứ không nói màu mắt thấy khi vật nóng. Vật đen đủ nóng có thể phát đỏ, trắng hoặc trắng xanh vì bức xạ trong vùng khả kiến trở nên mạnh.

Nhiệt độ làm thay đổi toàn bộ phổ

Ở mọi nhiệt độ hữu hạn, vật đen phát trên dải bước sóng rộng. Nếu vẽ công suất phổ trên mỗi đơn vị bước sóng, đường cong có một cực đại. Khi nhiệt độ tăng, đường cong cao hơn ở mọi bước sóng và đỉnh chuyển sang trái, về bước sóng ngắn.

Định luật dịch chuyển Wien: λmax T=b, với b≈2,898×10⁻³ m·K. Phải dùng nhiệt độ tuyệt đối. Luật cho vị trí đỉnh khi phổ biểu diễn theo đơn vị bước sóng, không có nghĩa vật chỉ phát tại λmax.

Khám phá bằng cách thay đổi nhiệt độ

Di chuyển nhiệt độ và so sánh hai dự đoán cùng lúc: bước sóng đỉnh từ định luật Wien, còn tổng công suất phát trên một mét vuông từ định luật Stefan–Boltzmann.

Tổng bức xạ nhiệt tăng theo T⁴

Đối với vật đen lý tưởng, M=σT⁴, với σ=5,670×10⁻⁸ W m⁻² K⁻⁴.

Lũy thừa bậc bốn làm nhiệt độ có ảnh hưởng rất mạnh. Hai bề mặt cùng diện tích mà một bề mặt có nhiệt độ tuyệt đối gấp đôi thì phát tổng công suất trên đơn vị diện tích gấp 16 lần. Bề mặt thực thường có độ phát xạ ε<1; vật đen lý tưởng có ε=1.

Biểu thức này mô tả công suất phát. Muốn tính trao đổi nhiệt bức xạ ròng với môi trường còn phải tính bức xạ từ môi trường tới vật.

Vì sao vật lý cổ điển thất bại và ý tưởng Planck thành công

Các mô hình cổ điển không tái hiện được phổ vật đen đo được ở bước sóng ngắn. Planck thu được dạng phổ đúng bằng cách xem trao đổi năng lượng giữa vật chất và các mode điện từ là lượng tử hóa theo những lượng liên hệ với tần số bởi E=hf.

Phân bố Planck đầy đủ dự đoán phổ rộng, sự phụ thuộc nhiệt độ và dẫn tới cả định luật Wien lẫn Stefan–Boltzmann. Vì vậy bức xạ vật đen là một trong các quan sát buộc vật lý chuyển sang ý tưởng lượng tử.

Ví dụ có lời giải

1. Đỉnh của bề mặt giống Mặt Trời

Ước lượng λmax ở T=5800 K.

2. Vật ở nhiệt độ phòng

Tính λmax ở T=300 K.

3. Gấp đôi nhiệt độ tuyệt đối

Hai vật đen có cùng diện tích, B có nhiệt độ Kelvin gấp đôi A.