흑체 방사(blackbody radiation)

Black body (흑체)란?

흑체 복사(Black body Radiation)에서 흑체(Black body)란 외부에서 주어진 빛을 완전히 흡수했다가, 재방출하는 물체를 뜻한다. 실제로 흑체와 똑같은 물체는 존재하지 않지만, 별과 같이 흑체와 비슷한 성질을 갖는 물체는 많이 있다.

• 입사되는 모든 방사에너지를 흡수하고, 모든 파장의 전자기파를 방출할 수 있는 물체
• 모든 진동수의 빛을 흡수하고 방출할 수 있는 이상적인(ideal) 빛의 흡수체이자 발산체

 

1) 흑체의 주요특징

흑체(Blackbody)는 모든 파장에서 완벽하게 흡수하고 모든 파장에서 완벽하게 복사하는 물체를 나타냅니다. 흑체는 이상적인 물체로, 어떤 종류의 빛이나 전자기파도 완전히 흡수하고, 또한 모든 파장에서 완벽하게 복사할 수 있는 능력을 갖춘 물체입니다.

흑체 방사의 주요 특징은 다음과 같습니다:

완벽한 흡수: 흑체는 들어오는 모든 빛을 완전히 흡수합니다. 어떤 파장에서도 빛이 반사되거나 투과되지 않습니다.

완벽한 복사: 흑체는 모든 파장에서 완벽하게 복사합니다. 따라서 흑체는 어떠한 파장에서도 열 방출이 가능하며, 이것이 흑체 복사라고 불리는 열 복사의 기본 원리 중 하나입니다.

온도에 따른 에너지 방출: 흑체는 온도에 따라 다르게 복사된 에너지를 방출합니다. 스테판 볼츠만 법칙과 관련이 있어서, 온도가 높을수록 빛의 강도가 증가하고 파장이 짧아지는 경향이 있습니다.

흑체 복사의 스펙트럼: 흑체 복사는 특정 온도에서 특정한 스펙트럼을 갖습니다. 이것을 플랑크의 법칙이라고도 합니다.

 

 

2) 플랑크의 법칙 (Planck's Law)

Planck의 법칙: 맥스 플랑크(Max Planck)는 1900년에 흑체 방사의 파장 분포를 설명하는 수식인 Planck의 법칙을 개발했습니다. 이 법칙은 온도와 파장 간의 관계를 나타내며, 고체, 액체, 기체 등 모든 물질에 대한 방사를 설명합니다.

파장 분포: 흑체 방사는 다양한 파장에서 전자기 파를 방출합니다. 이 파장 분포는 온도에 따라 변하며, 높은 온도에서는 높은 에너지의 짧은 파장에서 더 많은 방사가 관찰됩니다. 이것을 플랑크 분포(Planck distribution)라고 합니다.

스펙트럼의 이동: 온도가 상승하면 흑체 방사의 주요 에너지가 높은 에너지 부분으로 이동하며, 이를 플랑크 이동(Planck shift)이라고 합니다. 이것은 물체의 온도가 높을수록 더 빛나는 것을 의미합니다.

여기서 

• T는 절대온도(Kelvin)
• c : 빛의 속도(3×105km/s)
• k : 볼츠만 상수(1.38×10-23j/k)
• h : 플랑크 상수(6.62×10-34j∙s)

 

3) 스테판-볼츠만 법칙 (Stefan-Boltzmann law)

스테판 볼츠만 법칙(Stefan-Boltzmann Law)은 열역학에서 물체의 복사 에너지(방출되는 열)와 온도 간의 관계를 설명하는 법칙입니다. 이 법칙은 1879년에 Josef Stefan과 Ludwig Boltzmann에 의해 제시되었습니다.

스테판-볼츠만 법칙(Stefan-Boltzmann law)은 흑체 방사의 총 에너지 방출량을 나타내며, 온도의 네제곱에 비례합니다. 이 법칙은 흑체 방사의 총 방출 에너지를 계산하는 데 사용됩니다.

스테판 볼츠만 법칙은 다음과 같이 표현됩니다: