絕對黑體

所謂絕對黑體，就是指這樣一種物體，它能夠在任何溫度下將輻射到它表面上的任何波長的能量全部吸收。

當物體的吸收率α=1時，則表示該物體能全部吸收投射來的各種波長的熱輻射線，這種物體稱為絕對黑體，或簡稱黑體（black body）。黑體是對熱輻射線吸收能力最強的一種理想化物體，實際物體沒有絕對黑體。但在理論研究中可設計種種絕對黑體。例如：設有一個空心容器，器壁由不透明材料製成，器壁上開有一個小孔，這樣即可構成一個黑體。因為當射線射入小孔後，將在空腔中進行多次反射，每次反射器壁的內表面就吸收一部份能量，若小孔孔徑開得很小，遠遠小於容器的表面積。這樣，射線即可認為被小孔全部吸收。小孔就可認為是絕對黑體。絕對黑體的發射率也為1。

基本介紹

• 中文名：絕對黑體
• 外文名：absolute black body
• 特點：投射的輻射熱全被該物體吸收
• 簡稱：黑體
• 理論黑體：現實中沒有絕對黑體
• 領域：物理

絕對黑體相關

絕對黑體的吸收率

一般物體收到輻射時，對輻射能量總是有吸收、有反射。吸收部分占總能量的份額稱為吸收率，其值在0-1之間。黑顏色的物體吸收能力大於白顏色的物體，吸收係數也比較大。如果吸收係數為1，表示全部能量都被吸收而沒有反射。具有這種能力的物體稱為絕對黑體。自然界並不存在絕對黑體。絕對黑體是一個理想化的參考模型。

絕對黑體與溫度

在遙感熱紅外掃瞄器系統中，裝有高溫黑體和低溫黑體，作為探測地物熱輻射的參考源。實用的絕對黑體是由人工方法製成的。一般說，物體的輻射能量與其表面溫度有關，溫度越高，輻射能量越大。換句話說，物體的輻射能隨其溫度變化，輻射能的光譜分布也隨之變化。

絕對黑體及其發光顏色

煤炭呈黑色，是因為它吸收了投射到其表面上的幾乎所有可見光，煤炭燃燒時發熱發光的能力也很強，所以煤炭成為人類極佳的燃料。大量事實證明，物體越黑，吸收可見光的本領越大，其加熱後的光輻射能力也越強。在發光體中，有這樣一種物體，能把投射到它表面的所有可見光全部吸收，既不反射也不透射，具有這種性質的物體稱為絕對黑體。如果在絕對黑體上加用其他燈光照射，我們看不到它有亮度上和顏色上的任何變化，看到的還是只有均勻的黑色。自然界不存在這種絕對黑體，煤炭也只是一種近似絕對黑體，因為當我們用手電筒照射它時，能看見它表面的亮度的改變。人造黑體可以仿製（如圖），黑體的結構一般用耐火金屬製成一個具有小孔的空心金屬容器（黑體腔），從小孔進入空心容器的光線，將通過多次反射和多次吸收，直至能量全部吸收，所以這種金屬空心容器就是一個絕對黑體。除空心黑體腔外，其組成還有對它加熱的加熱熱裝置，保持黑體腔恆溫的保溫層，與外界隔熱和使黑體冷卻的冷卻裝置。我們的眼睛就類似於一個黑體，光線入射到很小的瞳孔上便進入一個眼球內部。煉鋼爐上的小孔就是一個很好的黑體輻射源，如果我們用手電筒照射它（小孔），其亮度和顏色都不會有變化，因為小孔吸收了照射它的所有光線。

黑體的結構

絕對黑體也是這樣的光源，當非金屬空心容器加熱時，其內部會發光，發出的光線將從小孔射出，其顏色就像煤炭燃燒時一樣，隨著加熱溫度由低到高，其發光顏色也發生變化，隨著溫度升高，顏色逐漸由紅色變為橙色、黃色、白色、直至藍色。絕對黑體的發光顏色不僅取決於加熱溫度，而且僅僅只取決於加熱溫度，這等同於絕對黑體輻射的光譜能量分布（下圖）。正是因為黑體的發光顏色僅僅與它的加熱溫度有關，加熱後輻射光譜能量的大小也僅與它的溫度有關，即給予絕對黑體一個確定的加熱溫度，就只有一種確定的光色或只有一條確定的相對光譜能量分布與之對應，從右圖中也很清楚看出溫度與顏色的關係，每一個溫度值僅僅只對應著一條確定的光譜能量分布曲線。黑體的溫度越高，它輻射的光越多，而且是輻射的短波光越多，發光顏色就越偏向藍色。對所有的熱光源都是這樣，加熱溫度低時，發射紅色光，隨著溫度升高，發射光的顏色也逐漸由紅色變成橙色、黃色、白色、直至藍色，所以，每一個溫度值只與一個確定的顏色對應。

黑體的光譜能量分布

絕對黑體的模型

如圖所示，空心容器是用不透明材料（比如金屬）製成的，在器壁上開一個很小的孔O。當電磁波射入小孔O後，電磁波將在空腔內壁經過多次反射，每反射一次空腔內壁將吸收一部分能量。設吸收率為α，射入小孔O的電磁波總能量為1，那么經過N次反射
後，再由容器小孔O射出容器外的能量將為（1-N）^α。設計小孔O的面積遠小於容器內表面總面積，則N將很大（1-N）^α的值將非常小，趨近於零。這意味著由小孔O射入空腔的電磁波的能量幾乎全部被吸收，吸收率幾乎為1。因此，可以把小孔空腔看作是絕對黑體的模型，而空腔中的電磁輻射常稱為黑體輻射（black—bodyradiation）。

帶有小孔的空腔

如果把空心容器的內腔的腔壁加熱，並讓其保持在一定的溫度T，則由小孔內向外的輻射可以認為是絕對黑體在溫度為T時的輻射。換句話說，由小孔射出的輻射，相當於從面積等於小孔面積，溫度為T的絕對黑體表面所射出。

在常溫下，所有物體的輻射都很弱，黑色物體或空腔小孔的反射又極少，所以看起來它們就很暗，例如，白天看建築物的視窗時，視窗看起來很黑，就是這個道理。但是，在高溫下，黑體的輻射最強，故看起來它們最明亮。

黑體輻射基本定律

理論和實踐證明，絕對黑體的特性可用以下四個基本定律予以描述。

1．普朗克黑體輻射方程

黑體的光譜面輻射度（W/m²）為

R_λ=2πc²h/[λ⁵（e^hc/αkT-1）] （1a）

式中：λ——波長（m）；
h——普朗克常數（=6.626 075 5×10^-34 J·s）；
c——真空中的光速（=3×10⁸ m/s）；
k——玻耳茲曼常數（=1.380 658×10^-23 J/K）；
T——絕對溫度（K）。

由於黑體是朗伯輻射源，其面輻射度R=L_λ·π，所以，黑體輻射亮度

L_λ=2c²h/[λ⁵（e^hc/λkT-1）] （1b）

2．瑞利一琴斯定律

對於hv=hc/λ《kT，即黑體溫度較高，或波長較長時，由式（1b）可導出瑞利一琴斯定律：

L_λ≈2kTν²/c²（2）

式（2）在理解3～5μm、8～12μm紅外成像評價理論時有實際意義。此時，在既定溫度（T）下，目標的亮度（ L_λ）與其亮度對比度和溫差對比度具有同樣的量綱和隨大氣距離衰減的類似規律，下圖所示是絕對黑體輻射亮度光譜分布曲線。

絕對黑體輻射亮度光譜分布曲線

3．史蒂芬一玻耳茲曼方程

該方程給出黑體輻射的所有波長的總面輻射度R，即

R=R_λdλ=σT⁴ （3）

式中：σ——史蒂芬一玻耳茲曼常數，其值為2π⁵k⁴/（15h³c²）。

式（3）的物理意義說明，絕對黑體的總面輻射度與溫度的四次方成正比。

4．維恩位移定律

該定律給出黑體輻射光譜峰值面輻射度所對應的波長λ_m與其溫度T的關係。可以證明
λ_mT=2 898μm·K（4）

這說明，黑體溫度越高，其輻射峰值波長越移向短波。人們仔細觀察火焰時不難發現，隨著火焰溫度的升高，其顏色將按紅一黃一綠一藍規律變化。雖說火焰不是黑體，但現象是類似的。