Zwarte-lichaamsstraling

Alle voorwerpen met een temperatuur boven het absolute nulpunt (0 K, -273,15 oC) zenden energie uit in de vorm van elektromagnetische straling.
Een zwart lichaam is een theoretisch of model-voorwerp dat alle straling absorbeert die erop valt, en geen straling reflecteert of uitzendt. Het is een hypothetisch voorwerp dat een “perfecte” absorber en een “perfecte” uitzender van straling is over alle golflengten.

De spectrale verdeling van de thermische energie die door een blackbody wordt uitgestraald (d.w.z. het patroon van de intensiteit van de straling over een reeks golflengten of frequenties) hangt alleen af van zijn temperatuur.

Blackbody stralingskrommen bij verschillende temperaturen.
Credit: Swinburne

De eigenschappen van blackbody straling kunnen worden beschreven in termen van verschillende wetten:

1. De wet van Planck voor blackbody-straling, een formule om de spectrale energiedichtheid van de emissie op elke golflengte (Eλ) bij een bepaalde absolute temperatuur (T) te bepalen.

$E_{\lambda} = {{8 \pi h c}\over{\lambda}^5}{(e^{({hc}/{\lambda \kappa T})}-1)}}}$

2. De verplaatsingswet van Wien, die stelt dat de frequentie van de piek van de emissie (fmax) lineair toeneemt met de absolute temperatuur (T). Omgekeerd neemt de golflengte bij de emissiepiek af naarmate de temperatuur van het lichaam toeneemt.

$f_{max} \{propto T$

3. De wet van Stefan-Boltzmann, die de totale uitgezonden energie (E) relateert aan de absolute temperatuur (T).

$E \propto T^4$

In de bovenstaande afbeelding valt op dat:

De stralingskrommen van de blackbody hebben een vrij complexe vorm (beschreven door de Wet van Planck).
Het spectrale profiel (of de curve) bij een bepaalde temperatuur komt overeen met een bepaalde piekgolflengte, en omgekeerd.
Als de temperatuur van het blackbody toeneemt, neemt de piekgolflengte af (wet van Wien).
De intensiteit (of flux) op alle golflengten neemt toe als de temperatuur van het blackbody toeneemt.
De totale energie die wordt uitgestraald (het gebied onder de curve) neemt snel toe als de temperatuur toeneemt (Wet van Stefan-Boltzmann).
Hoewel de intensiteit bij zeer korte of lange golflengten zeer laag kan zijn, wordt bij elke temperatuur boven het absolute nulpunt theoretisch bij alle golflengten energie uitgezonden (de zwartelichaamstralingskrommen bereiken nooit het nulpunt).

In de astronomie worden sterren vaak als zwartlichamen gemodelleerd, hoewel dit niet altijd een goede benadering is. De temperatuur van een ster kan worden afgeleid uit de golflengte van de piek van zijn stralingskromme.

In 1965 werd de kosmische microgolf-achtergrondstraling (CMBR) ontdekt door Penzias en Wilson, die later de Nobelprijs voor hun werk kregen. Het stralingsspectrum werd gemeten door de COBE-satelliet en bleek een opmerkelijke fit te hebben met een blackbody-curve met een temperatuur van 2,725 K en wordt geïnterpreteerd als bewijs dat het heelal al zo’n 13,7 miljard jaar aan het uitdijen en afkoelen is. Een recentere missie, WMAP, heeft de spectrale details met een veel hogere resolutie gemeten en daarbij minuscule temperatuurschommelingen in het vroege heelal gevonden die uiteindelijk hebben geleid tot de grootschalige structuren die we vandaag de dag zien.

Geef een reactie Antwoord annuleren