Sách Vật lý/Nhiệt/Nhiệt phóng xạ vật đen

Phóng xạ vật đen là hiện tượng phóng xạ nhiệt (giải tỏa năng lượng nhiệt) của vật chất tối khi tương tác với nhiệt ở nhiệt độ cao trên nhiệt độ hấp thụ cao nhứt của vật

Thí nghiệm Plankc

Planck biết rằng vật tối hấp thụ năng lượng nhiệt tốt nhứt . Planck thực hiện thí nghiệm trên vật tối và thấy rằng khi nhiệt độ tăng dần từ thấp đến cao

• Cường độ nhiệt tăng theo tần số thời gian
• Đỉnh sóng nhiệt ở bước sóng ngắn hơn
• Phát ra ánh sáng màu theo trình tự từ Trắng , Đỏ , Vàng , Tím , và Đen

Nhiệt độ	Màu	Cường độ nhiệt	Bước sóng
Lạnh	Trắng	Thấp	Ngắn
Ấm	Vàng	Trung	Trung
Nóng	Đen	Cao	Dài

Định luật phóng xạ vật đen

Định luật Planck

Định luật Planck (minh họa bằng các đường cong màu) miêu tả chính xác bức xạ vật đen và giải quyết vấn đề "thảm họa cực tím" (đường màu đen).

Định luật Planck miêu tả bức xạ điện từ phát ra từ vật đen trong trạng thái cân bằng nhiệt ở một nhiệt độ xác định. Định luật đặt tên theo Max Planck, nhà vật lý đã nêu ra nó vào năm 1900. Định luật này là bước đi tiên phong đầu tiên của vật lý hiện đại và cơ học lượng tử.

Đối với tần số ν, hoặc bước sóng λ, định luật Planck viết dưới dạng:

$B_{\nu }(T)={\frac {2h\nu ^{3}}{c^{2}}}{\frac {1}{e^{\frac {h\nu }{k_{\mathrm {B} }T}}-1}}$

hoặc

$B_{\lambda }(T)={\frac {2hc^{2}}{\lambda ^{5}}}{\frac {1}{e^{\frac {hc}{\lambda k_{\mathrm {B} }T}}-1}}$

Với

B ký hiệu của cường độ bức xạ (spectral radiance),

T là nhiệt độ tuyệt đối, kB là hằng số Boltzmann,

h là hằng số Planck, và c là tốc độ ánh sáng trong môi trường hoặc trong chân không.[1][2][3] Đơn vị SI của phương trình là W·sr−1·m−2·Hz−1 đối với Bν(T) và W·sr−1·m−3 đối với Bλ(T).

Định luật này cũng có thể biểu diễn theo cách khác, như số lượng photon phát ra tại một bước sóng xác định, hoặc mật độ năng lượng trong thể tích chứa bức xạ. Trong giới hạn đối với những tần số nhỏ (hay bước sóng dài), định luật Planck tương đương với định luật Rayleigh–Jeans, trong khi đối với những tần số lớn (bước sóng nhỏ) định luật này tương đương với xấp xỉ Wien hoặc định luật dịch chuyển Wien.

Max Planck đưa ra định luật vào năm 1900, với mục đích ban đầu để đo các hằng số bằng thực nghiệm, và sau đó ông chứng minh rằng, như định luật biểu diễn sự phân bố năng lượng, nó miêu tả duy nhất sự phân bố ổn định của bức xạ trong trạng thái cân bằng nhiệt.[4] Là định luật về sự phân bố năng lượng, nó là một trong các định luật về phân bố cân bằng nhiệt mà bao gồm phân bố Bose–Einstein, phân bố Fermi–Dirac và phân bố Maxwell–Boltzmann.

Định luật Wien

Bức xạ vật đen như một hàm của bước sóng trong các nhiệt độ khác nhau. Mỗi đường cong nhiệt độ đạt cực đại ở một bước sóng khác nhau và định luật của Wien mô tả sự dịch chuyển của đỉnh đó.

Định luật dịch chuyển Wien nói rằng đường cong bức xạ của vật đen đối với các nhiệt độ khác nhau sẽ đạt cực đại ở các bước sóng khác nhau tỷ lệ nghịch với nhiệt độ. Sự dịch chuyển của giá trị cực đại đó là hệ quả trực tiếp của định luật bức xạ Planck, mô tả độ sáng của phổ của bức xạ vật đen là một hàm của bước sóng ở bất kỳ nhiệt độ nào. Tuy nhiên, Wilhelm Wien đã tìm ra định luật này vài năm trước khi Max Planck phát triển phương trình tổng quát hơn, và mô tả toàn bộ sự dịch chuyển của phổ bức xạ vật đen sang bước sóng ngắn hơn khi nhiệt độ tăng.

Định luật dịch chuyển của Wien phát biểu rằng bức xạ quang phổ của bức xạ vật đen trên mỗi bước sóng đơn vị, cực đại ở bước sóng λ _max được cho bởi:

$\lambda _{\text{max}}={\frac {b}{T}}$

Trong đó

T là nhiệt độ tuyệt đối đo bằng kelvin.

b là hằng số tỷ lệ được gọi là hằng số dịch chuyển Wien, bằng 2897771955...×10−3 m⋅K,[1] hoặc để thu được bước sóng tính bằng micromet, b ≈ 2898 μm⋅K

Nếu đang xem xét mức phát xạ cơ thể đen trên mỗi tần số đơn vị hoặc trên mỗi băng thông tỷ lệ, thì phải sử dụng hằng số tỷ lệ khác nhau. Tuy nhiên, hình thức của định luật này vẫn giống nhau: bước sóng cực đại tỷ lệ nghịch với nhiệt độ và tần số cực đại tỷ lệ thuận với nhiệt độ.

Định luật dịch chuyển Wien có thể được gọi là "định luật Wien", một thuật ngữ cũng được sử dụng cho phương pháp tính gần đúng Wien.

Định luật Stefan–Boltzmann

Đồ thị hàm tổng năng lượng vật đen phát ra $j^{\star }$ tỷ lệ với nhiệt độ nhiệt động của nó $T\,$. Đường màu xanh là tổng năng lượng tính theo xấp xỉ Wien, $j_{W}^{\star }=j^{\star }/\zeta (4)\approx 0.924\,\sigma T^{4}\!\,$

Định luật Stefan–Boltzmann mô tả năng lượng bức xạ từ một vật đen tương ứng nhiệt độ cho trước. Cụ thể, định luật Stefan-Boltzmann nói rằng tổng năng lượng bức xạ trên một đơn vị diện tích bề mặt của một vật đen qua tất cả các bước sóng trong một đơn vị thời gian, $j^{\star }$, tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ nhiệt động của vật thể T:

$j^{\star }=\sigma T^{4}.$

Hệ số tỉ lệ σ, được gọi là hằng số Stefan-Boltzmann, nhận được từ những hằng số tự nhiên khác. Giá trị của nó là:

$\sigma ={\frac {2\pi ^{5}k^{4}}{15c^{2}h^{3}}}=5.670373\times 10^{-8}\,\mathrm {W\,m^{-2}K^{-4}} ,$

trong đó k là hằng số Boltzmann, h là hằng số Planck, và c là vận tốc ánh sáng trong chân không. Như vậy, tại 100°K thông lượng năng lượng là 5,67 W/m², tại 1000°K là 56700 W/m², v.v.

Bức xạ (oát trên mét vuông trên góc khối), được cho bởi công thức:

$L={\frac {j^{\star }}{\pi }}={\frac {\sigma }{\pi }}T^{4}.$

Vật thể mà không hấp thụ tất cả những bức xạ tới (còn được biết với tên vật xám) phát ra năng lượng tổng cộng ít hơn vật đen và được đặc trưng bởi độ phát xạ, emissivity, $\varepsilon <1$:

$j^{\star }=\varepsilon \sigma T^{4}.$

Độ rọi bức xạ (khả năng bức xạ), $j^{\star }$, có thứ nguyên của thông lượng năng lượng (năng lượng trên một đơn vị thời gian trên một đơn vị diên tích), và trong hệ đo lường SI là joule trên giây trên mét vuông, hoặc tương đương là oát trên mét vuông. Đơn vị SI của nhiệt độ tuyệt đối T là Kelvin, $\varepsilon$là độ phát xạ của vật xám, nếu nó là vật đen tuyệt đối thì $\varepsilon =1$. Trong trường hợp tổng quát hơn (thực tế), độ hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng $\varepsilon =\varepsilon (\lambda )$.

Để tìm tổng công suất phát ra từ một vật thể, ta nhân với diện tích bề mặt của nó, $A$:

$P=Aj^{\star }=A\varepsilon \sigma T^{4}.$

Những hạt có kích cỡ bước sóng hoặc một phần bước sóng,[1] siêu vật liệu,[2] và những cấu trúc nano khác không chịu giới hạn tia quang học và có thể là được thiết kế để mở rộng định luật Stefan-Boltzmann.