什么是黑体辐射（Blackbody radiation）？
发布时间：2023-03-06 08:00:00 阅读数： 531
黑体辐射是指在一个与周围环境处于热平衡状态的物体内部或周围辐射的电磁热辐射。热平衡是一种状态，在这种状态下，热接触的两个或更多的系统已经达到一个恒定的温度，并且它们之间没有热量的交换。换句话说，在热平衡状态下，各系统的温度是相同的，它们之间没有净热流。 发射体是一个理想的热发射体，称为黑体。黑体辐射的历史可以追溯到1860年，当时Gustav Kirchhoff提出了 "黑体 "一词。
黑体是一种理想化的不透明、非反射体，它吸收所有入射到它身上的辐射而不传递能量。这一特性适用于所有波长和入射角的辐射。因此，这些体是电磁辐射的完美吸收者和发射者，其具体强度由其温度决定。
黑体的出现
黑体辐射（BBR）只被解释为一种理论。现实世界物体自发发出的热辐射类似于黑体辐射。一个内部处于热平衡状态的完全绝缘的容器含有黑体辐射，如果洞口足够小，对平衡没有重大影响，就会通过其壁上的洞口辐射出来。
在室温下，黑体看起来是黑色的，因为它发出的大部分能量是在红外光谱中，而人眼是看不到的。当它变得更热一点时，它看起来是暗红色的。进一步提高温度会使它变成黄色、白色，最后变成蓝白色。
黑体辐射被用作行星和恒星所发射能量的第一近似值，尽管它们既不是完美的黑体，也没有与周围环境处于热平衡状态。黑洞几乎是理想的黑体，因为它们完全吸收撞击它们的所有辐射。有人假设它们会发出黑体辐射，也叫霍金辐射，其温度随黑洞的质量而变化。
黑体辐射的独特、连续的频谱完全取决于体温，被称为普朗克。在室温下，大部分的辐射发生在电磁波谱的红外区域。当温度上升到大约500摄氏度以上时，黑体开始产生大量的可见光。在黑暗中看到的第一个昏暗的照明对人眼来说是 "幽灵般的 "灰色。低强度的光只是激活了眼睛的灰阶传感器，即使可见光是真正的红色。
尽管黑体在所有频率下都会发射能量，但在较高频率（短波长）下，其强度很快就会归零。
黑体辐射规律
黑体辐射的特点可以用几个定律来描述。基尔霍夫定律、普朗克定律、维恩位移定律和斯特凡-波尔茨曼定律。
基尔霍夫定律
它指出，对于同一温度下的所有物体，某一特定波长λ的光谱发射功率eλ与光谱吸收率aλ之比是相同的，并且等于该温度下完全黑体的发射功率。
其中
是一个完全黑体的发射功率，
是λ和T的普遍函数。
普朗克定律
德国物理学家马克斯-普朗克推断，黑体的能量是以离散的数据包而不是持续的方式传递的，被称为量子。
普朗克定律指出，辐射的能量密度与辐射的频率成反比，并将其提高到四次方，可用于计算特定温度和波长下黑体辐射的强度。频谱有一个特定的峰值频率，随着温度的升高而改变为更高的频率，发射的总能量也随之增加。
Bν(T)是在温度为T的热平衡状态下每单位频率的ν辐射的光谱辐射密度。
h是普朗克常数
C是真空中的光速
K是玻尔兹曼常数
ν是电磁辐射的频率
T是身体的温度
维恩位移定律
维恩定律说明了黑体辐射光谱如何随温度变化，以及如何将任何温度下的光谱与任何其他温度下的光谱联系起来。可以将光谱强度表示为波长或频率的函数。
其中b是维恩的位移常数，等于2.897771955 × 10−3 mK。
斯特凡-波尔兹曼定律
辐射功率是指黑体单位表面积每秒辐射的能量，其公式为：
其中
σ为斯特凡-玻尔兹曼常数，约为5.67 x 10-8 W·m-2·K-4
如果辐射发射到表面的法线上，辐射的能量密度为 
，则表面的发射功率给定为
应用
黑体辐射最著名的用途之一是研究宇宙微波背景辐射，这种微弱的辐射弥漫在整个宇宙中，被认为是宇宙大爆炸时热的、密集的状态留下的。对这种辐射的研究提供了关于宇宙发展和组成的重要知识。天文学家利用这一概念来确定恒星的温度，并研究宇宙微波背景辐射，从而对早期宇宙有了深入了解。
BBR的概念可用于红外测温仪，测量物体发出的辐射强度以确定其温度。
BBR也被用于热交换器的设计，它将热量从一种介质转换到另一种介质。工程师可以为各种日常技术设计高效和有效的热交换器，如电加热器和白炽灯泡。这些设备的工作原理是将灯丝加热到高温，使其产生黑体辐射，然后转化为热量或可见光。
在材料科学领域，工程师可以利用这一概念来确定材料的导热性，这对于设计高效的热交换器和热管理系统至关重要。
通过了解太阳发出的辐射和黑体辐射的行为，工程师可以设计出更有效的太阳能电池板，从太阳中获取更多的能量。
