地球科学1 星体的物理量 - 黑体辐射

这篇文章将探讨地球科学1中关于黑体辐射的内容。

如果你对星体的光谱型、光度等级或黑体辐射理论的历史感兴趣，请参考之前的文章。

在讨论黑体辐射之前，我们先了解三种能量传递方式。

如果不了解这些，请参考以下文章。

热平衡与能量传递方式 - 初中科学

在给中学生讲授地球的辐射平衡时，听说这个概念相当复杂。即使在网上查找，也没有专门给中学生写的文章，所以试着写一篇。此篇讨论热平衡与能量传递方式，下一篇会讨论地球的辐射平衡...

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1. 物体的温度与辐射的关系

上图是烧红的金属。从照片中可以看到哪一部分最热。

最亮的尖端部位就是温度最高的部分。

此外，仔细看颜色也有些不同。

物体温度高的部分是橙色，温度低的部分是更红的颜色。

这是因为根据物体的温度，发射的辐射能量的量以及最大能量发射的波长不同。

通过定量研究和计算，我们可以仅根据物体的颜色和亮度推测物体的温度。

这就是所谓的'辐射定律'。

2. 什么是黑体？

辐射定律是以所有物体被假定为“黑体”为起点。

黑体是指能够吸收来自任何方向的所有辐射能量，并释放所吸收的辐射能量的理想化物体。

如果黑体的温度不高，当照射可见光时，黑体会吸收所有波长的光，因此看起来完全黑暗。

为何假设这样的黑体呢？

上图拍摄的是黑色皮革。受光的地方显得明亮，阴影部分显得暗淡。

这是因为黑色皮革表面反射了部分光。

通常来说，黑色被认为是吸收光的颜色，但在所有物体上都会同时发生光的吸收和反射。

而且根据材料的不同，反射率（光的反射程度）也不同。

因此，假设黑体可以省去考虑粒子的种类、角度等因素对辐射反射率的影响，从而使公式变得简单。

3. 黑体辐射

高温黑体向周围释放能量，而当黑体的温度固定时发射的辐射称为黑体辐射。

辐射是指以电磁波的形式传递热量。

电磁波根据波长、频率可以分为无线电波、微波、红外线、可见光等。

黑体会在整个电磁波范围内释放能量。

但问题是每种波长释放的能量量不同，并且随着黑体的温度，释放的量也会改变。

将其进行定量计算的公式是普朗克辐射定律。将其绘制成图表即为普朗克曲线。

4. 普朗克曲线

普朗克曲线是根据波长显示黑体辐射能量强度的曲线。

例如，绝对温度为5000K的黑体在可见光范围内释放最多能量，在紫外线或红外线中释放更少能量。

而在观察其总能量（普朗克曲线下的面积）时，温度越高，释放的能量越多。

维恩位移定律和斯特藩-玻尔兹曼定律很好地解释了温度对普朗克曲线的影响。

5. 维恩位移定律

维恩位移定律指出，黑体最大能量释放的波长会随着黑体温度的升高而变短。

从上图可以看出，黑体的温度越高，峰值点（最大能量释放的波长）就向左移动。

公式表达如下。

虽然经常强调，高考不需要记忆常数，重要的是，最大能量释放的波长(λ max)和黑体温度(T)成反比。

利用这一点，如果知道最大能量释放的波长，也可以求出黑体的温度。

让我们用维恩位移定律来计算太阳发射辐射能量最强的波长。

太阳表面的光球层温度约为5800K。将其代入温度T，得到以下值。

如我们通常所知，太阳在可见光范围内释放最大辐射能量。

6. 斯特藩-玻尔兹曼定律

斯特藩-玻尔兹曼定律是关于黑体辐射总能量的公式。

黑体释放的辐射总能量是各个波长释放的能量之和，等于普朗克曲线下的面积，公式如下。

E表示黑体辐射的总能量, T是黑体的温度。

去掉前后烦人的常数σ和单位，公式如下。

黑体释放的总能量与温度的四次方成正比。

高温黑体比低温黑体释放更多能量。

7. 结论

总结上述主要内容如下。

• 黑体以电磁波的所有波长释放辐射能量。

• 高温黑体比低温黑体在单位时间内的所有波长上释放更多能量。

• 黑体释放能量最大波长的长度与黑体温度成反比。——维恩位移定律

• 黑体在单位时间、单位面积上释放的总能量与黑体温度的四次方成正比。——斯特藩-玻尔兹曼定律

虽然写得有点长，但希望能帮助学生们理解黑体辐射。

下一篇文章将简单探讨为何假设星体为黑体。