Абсолютно чёрное тело

Абсолютно чёрное тело — физическое тело, которое при любой температуре поглощает всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах.

Таким образом, у абсолютно чёрного тела поглощательная способность (отношение поглощённой энергии к энергии падающего излучения) равна 1 для излучения всех частот, направлений распространения и поляризаций.

Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только его температурой.

Важность абсолютно чёрного тела в вопросе о спектре теплового излучения любых (серых и цветных) тел вообще, кроме того, что оно представляет собой наиболее простой нетривиальный случай, состоит ещё и в том, что вопрос о спектре равновесного теплового излучения тел любого цвета и коэффициента отражения сводится методами классической термодинамики к вопросу об излучении абсолютно чёрного тела (и исторически это было уже сделано к концу XIX века, когда проблема излучения абсолютно чёрного тела вышла на первый план).

Близким к единице коэффициентом поглощения обладают сажа и платиновая чернь. Сажа поглощает до 99 % падающего излучения (то есть имеет альбедо, равное 0,01) в видимом диапазоне длин волн, однако инфракрасное излучение поглощается ею значительно хуже. Наиболее чёрное из всех известных веществ — изобретённая в 2014 году субстанция Vantablack, состоящая из параллельно ориентированных углеродных нанотрубок, — поглощает 99,965 % падающего на него излучения в диапазонах видимого света, микроволн и радиоволн.

Среди тел Солнечной системы свойствами абсолютно чёрного тела в наибольшей степени обладает Солнце. Максимум энергии излучения Солнца приходится примерно на длину волны 450 нм, что соответствует температуре наружных слоёв Солнца около 6000 K (если рассматривать Солнце как абсолютно чёрное тело).

Термин «абсолютно чёрное тело» был введён Густавом Кирхгофом в 1862 году.

Источник: Википедия

Упоминания в литературе

Вторым, по мнению лорда Кельвина (У. Томсона), недостающим элементом для завершения здания физики на рубеже XIX–XX в. было серьезное расхождение между теорией и экспериментом при исследовании законов теплового излучения абсолютно черного тела. Согласно господствующей теории оно должно быть непрерывным, континуальным. Однако это приводило к парадоксальным выводам вроде того, что общая энергия, излучаемая черным телом при данной температуре, равна бесконечности (формула Релея-Джина). Для решения проблемы немецкий физик Макс Планк выдвинул в 1900 г. гипотезу, что вещество не может излучать или поглощать энергию, иначе как конечными порциями (квантами), пропорциональными излучаемой (или поглощаемой) частоте. Энергия одной порции (кванта)

Коллектив авторов, Концепции современного естествознания. Учебное пособие, 2009

Под абсолютно черным телом в физике понимается такой объект, который при любой температуре полностью поглощает падающее на него электромагнитное излучение. Реальные физические объекты не являются абсолютно черными, однако некоторые из них, такие, как сажа, платиновая чернь, черный бархат и другие, в области видимого светового излучения проявляют свойства, весьма близкие к свойствам абсолютно черного тела. Например, поверхность, покрытая чистым углеродом, поглощает примерно 97 % падающего на нее света.

Г. П. Шалаева, Кто есть кто в мире звезд и планет, 2009

Согласно закону теплового излучения, плотность потока световой энергии абсолютно черного тела можно определить в соответствии со следующей закономерностью:

Ю. А. Ижко, Современное состояние биосферы и экологическая политика, 2007

Возьмем две простые расчетные модели лучистого теплообмена между Солнцем, Землей и окружающим космосом (рисунок 4). Предположим, что Земля представляет собой безатмосферное идеально шарообразное абсолютно черное тело, то есть такое тело, которое поглощает все падающие на него лучи полностью и испускает только равновесное тепловое излучение, соответствующее абсолютно черному телу. В первом варианте предположим, что Земля абсолютно нетеплопроводна, а теплоемкость поверхностного слоя, прогреваемого Солнцем, очень мала. В этом случае наиболее горячая точка будет находиться под солнечным зенитом, где-то в тропической зоне, а наиболее холодной поверхность будет на ночной стороне, просто в силу того, что тепло с подсолнечной стороны не передается, а теплоемкость грунта очень мала. Это означает, что поверхность очень быстро нагревается и столь же быстро остывает. Воспользуемся законом Стефана-Больцмана для мощности излучения абсолютно черного тела. J = qT4 где q – постоянная величина, равная 5,6704?10-8 Ватт/(м2?К4). Как видите, мощность теплового излучения пропорциональна температуре в четвертой степени. Поскольку подсолнечная поверхность Земли в нашей модели получает известное количество энергии и его же она должна тут же излучить в космос, сделав подсчет, получим температуру этой поверхности равную 394 Кельвина, то есть 121 градус по Цельсию. На противоположной стороне планеты будет царить космический холод в равновесии с температурой реликтового фонового излучения, это около 2,7 градусов по Кельвину.

Владимир Коляда, Аз есмь. Поля Гермеса, 2017

В таком случае негаэнтропийный ресурс Земли определяется разностью энтропии падающего и рассеянного излучения. Пользуясь моделью абсолютно черного тела и законом Стефана-Больцмана, можно определить приращение энтропии излучения ?S. Эта величина в свою очередь равна негаэнтропии отбираемой Землей ?N:

А. П. Рыженков, Физика окружающей среды, 2018

Коэффициент отражения абсолютно черного тела составляет 0, абсолютно белого – 100%, практически же он колеблется от 4 до 90% и для различных цветных поверхностей равен: для черной – 4%, красной – 13, зеленой – 16, желтой – 55, белой – 70-90%.

В. А. Барановский, Проекты мебели для вашего дома