Абсолютно чорне тіло (АЧТ): види і значення

Абсолютно чорне тіло (АЧТ) – це поняття, що відноситься до теорії теплового випромінювання. Воно позначає тіло, що має властивість повністю поглинати будь-що потрапляє на його поверхню електромагнітне випромінювання незалежно від довжини хвилі і температури своїй поверхні. Що поглинає коефіцієнт такого тіла дорівнює 1.

Коефіцієнт відображає ставлення поглинається енергії до енергії падаючого потоку. Для нього характерна наявність власного електромагнітного випромінювання будь-якої частоти. Спектри його випромінювання здатні визначаться тільки в температурному вираженні.

Абсолютно чорне тіло в природі

Варто відзначити, що поняття абсолютного чорного тіла є абстрактним, оскільки не існує жодного предмета або явища, здатного поглинати електромагнітне випромінювання, маючи при цьому коефіцієнт рівний 1. Знаходяться в космосі чорні діри не беруться до уваги, оскільки неможливо проконтролювати їх температуру, щоб вирахувати рівень випромінювання і фактичний коефіцієнт, якщо він взагалі є.

Коефіцієнт поглинання на рівні 1 це ідеал, якого не існує. Тим не менш, є речовини, які дуже близькі до цього результату. В першу чергу до них відноситься сажа і платинова чернь. Поверхня сажі здатна поглинати до 99% падаючого випромінювання. Такий показник досягається тільки при роботі з видимими хвилями. При попаданні інфрачервоних хвиль випромінювання здійснюється значно краще, тому сажа втрачає свою наближеність до абсолютного чорного тіла.

З космічних тіл сонячної системи практично властивостями АЧТ володіє Сонце. Справа в тому, що його випромінювання відбувається з довжиною хвилі 450 нм, при фактичній температурі зовнішніх шарів в 6000 К. Це фактично має близький результат до коефіцієнта 1.

Абсолютно чорне тіло – це одна з головних причина появи такого поняття, а в подальшому і дисципліни як квантова механіка. Також абсолютно чорне тіло актуально в термодинаміки, астрономії і теорії теплового випромінювання.

Щоб візуально продемонструвати принцип роботи абсолютного чорного тіла застосовується нескладна у виготовленні модель. Її можна зробити навіть самостійно використовуючи недороге підручний обладнання. Для цього необхідно взяти непрозорий ящик. Як нього може використовуватися картонна коробка від взуття або різних продуктів харчування. Одну з її бічних стінок необхідно пофарбувати в чорний колір або наклеїти щільну чорний папір. Чим вона темніше, тим краще. У центрі обклеєній стінки робиться наскрізний отвір. Тепер, якщо дивитися на цю коробку, коли вона знаходиться в закритому стані, можна побачити, що пророблений отвір набагато чорніше, ніж чорна папір обклеєна навколо нього.

Оскільки отвір в коробці невелике, то тонкий пучок світла, що потрапляє в її порожнину, багаторазово відображається від стінок. Як наслідок хвиля повільно згасає. Якщо вона і зможе відобразитися таким чином, щоб вийти назад в отвір, через яке потрапила, то зазнає настільки сильне зміни, що практично не буде помітною.

У лабораторних умовах застосовуються більш складні макети, зроблені з термостійкого матеріалу. При такому макеті можливо проводити його нагрівання, що призведе до появи власного видимого випромінювання. Це розширює діапазон експериментів.

Найчорніший матеріал у світі

За принципом абсолютного чорного тіла був розроблений матеріал під назвою Vantablack 2, який не піддається виміру спектрометром. Він був отриманий в 2014 році і є самим темним предметом відомим людині. Він складається з мініатюрних нанотрубок. Потрапляє в їх отвори світло назад практично не повертається. Коефіцієнт їх відображення наскільки низький, що становить всього 0,036%.

При дослідженні даного матеріалу можна побачити безліч цікавих властивостей. Наприклад, якщо навести на таке абсолютно чорне тіло лазерну указку, то вона взагалі не відображається. Лазерна точка стануть невидимими поверхні, в результаті чого створюється враження, що указка не включена. Те ж саме стосується і будь-якого іншого світлового обладнання.

Якщо з цього матеріалу зробити об’ємну річ, то при погляді прямо вона завжди виглядає як плоске пляма, оскільки контури виступів абсолютно не проглядаються. Існує кілька предметів мистецтва, зроблені сучасними художниками із застосуванням матеріалу Vantablack 2.

Для виготовлення даного матеріалу застосовуються нанотрубки, товщина яких складає всього 20 нанометрів. Це дійсно мало, навіть в порівнянні з людським волоссям. Фактично така трубка в 3500 разів тонше волосся. Один квадратний сантиметр поверхні такого матеріалу складається з мільярда нанотрубок.

Принцип дії такого чорного тіла можна порівняти з лісовими деревами. Відвідуючи ліс або парк де є дерева висотою в 20 м можна помітити, що сонячне світло практично не досягає поверхні землі. Щоб провести аналогію з Vantablack 2 потрібно, щоб висота таких дерев становила 3000 м, що і дозволить досягти того ефекту, який створюється між стінками нанотрубок.

Перспективні напрямки використання АЧТ

Будь-яка речовина, що працює як абсолютно чорне тіло, набуває вельми цінні властивості. Вони поглинають спектр видимого світла, ультрафіолету, інфрачервоного випромінювання і так далі. Це дуже перспективний напрямок розвитку військової техніки, яка при володінні такими властивостями могла б стати невидимою для технічного виявлення. Що стосується наукового застосування, то абсолютно чорні тіла можуть використовуватися для калібрування оптичного устаткування. Існують установки, які працює за принципом розглянутому на прикладі коробки з отвором. З їх допомогою здійснюється перевірка і налаштування роботи безконтактного термометра. Подібні прилади використовуються як еталон, що застосовується при вимірюванні високих температур за допомогою пірометрів.

Закон Стефана-Больцмана

Оскільки для абсолютно чорного тіла характерна неможливість фіксації випромінювання з застосуванням технічних приладів, то для цього застосовується закон Стефана-Больцмана. Це інтегральний закон дозволяє визначати залежність щільності потужності випромінювання від температури АЧТ. Словесна форма закону звучить наступним чином. Повна об’ємна щільність рівноважного випромінювання і видільної здатність пропорційні четвертого ступеня температури абсолютно чорного тіла.

Свою назву закон отримав від імен двох вчених. Спочатку він був відкритий Стефаном в 1879 році. Однак його теоретична складова не була закінчена. Саме цю частину закону і вивів Больцман.

Посилання на основну публікацію