흑체복사 (Blackbody Radiation)

1. 흑체란?

흑체란 "파장(진동수)과 입사각에 관계없이 입사하는 모든 전자기 복사를 흡수하는 이상적인 물체"이다. 즉 받은 빛과 열 등 모든 에너지를 흡수하는 물체를 뜻한다.

 

흑체	반사율 1, 반사율 0인 물체	받은 빛을 모두 흡수하므로 검정색으로 보인다.
회색체	반사율 1보다 자고 0보다 큰 물체	받은 빛 일부를 흡수하고 일부를 반사하므로 회색으로 보인다.
백체	반사율 0, 반사율 1인 물체	받은 빛을 모두 반사하므로 흰색으로 보인다.

 

2. 흑체복사의 정의

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.

 

흑체를 진공에 두고 빛을 흡수하기만 하는 검은 물체라고 가정했을 때 흑체는 열적 평형을 유지하기 위해 내보내는 빛과 흡수하는 빛의 양이 같게 됩니다. 이러한 상황에서는 물체는 오로지 온도만으로 복사의 성질이 결정되게 된다.

 

태양(약 6000K)과 같은 별의 온도 측정에도 ‘흑체(black body)복사’의 원리가 이용된다. 화학 반응이나 핵반응이 전혀 없는 상태에서도 물체를 구성하는 입자들의 진동에 의해 빛이 방출될 수 있다. 또한 방출된 빛이 입자를 만나면 빛에너지가 모두 흡수되어 입자를 진동시킬 수 있다. 이와 같이 모든 빛을 흡수함과 동시에 빛을 방출할 수 있는 물체를 흑체라 한다. 온도는 입자의 진동을 나타내는 변수이므로, 흑체복사 원리를 이용하여 온도를 측정할 수 있다.

 

 

별은 표면온도에 따라 독특한 스펙트럼이 나타납니다. 따라서 별의 스펙트럼을 관측하면 더 정확하게 표면온도를 알 수 있습니다. 별은 스펙트럼의 특징에 따라 O, B, A, F, G, K, M의 7가지 형으로 분류되는데, 이것을 별의 분광형 또는 스펙트럼형이라고 합니다. 별은 O형으로 갈수록 표면온도가 높고, M형으로 갈수록 표면온도가 낮습니다.

우주는 거의 투명하다. 하지만 팽창하는 우주를 거슬러 과거로 가면 원자가 이온화되어 전자들이 자유롭게 다닐 수 있는 플라스마 상태에 도달한다. 이때는 우주 전체가 흑체로 근사될 수 있다. 이 초기 우주의 온도는 3000켈빈에 해당한다. 이후 중성인 우주가 팽창하면서 우주배경복사의 온도가 2.7켈빈으로 낮아진 것이다.

 

3. 흑체복사의 특징

19세기 플랑크, 스테판, 볼쯔만 등 물리학자들이 다수의 복사 법칙들을 정립하였다. 

 

1) 빈의 변이 법칙

온도가 높아질수록 복사에너지가 최대로 방출되는 파장이 짧아짐을 보았다. 이러한 특성을 인식한 Wilhelm Wien(1864-1928)은 1893년에 에너지가 최대로 방출되는 파장 ( )과 방출체의 온도와의 관계를 나타내는 이론을 발전시켰다.

 

여기서 T는 절대온도 (K)이고 λ는 파장(μm)이다. 분자의 상수는 단위 (μmK-1) 를 가진다. 온도가 높아질수록 최대 에너지를 방출하는 파장이 짧아짐을 볼 수 있으며 이를 비인의 변위법칙이라 한다. 태양복사 의 경우 온도를 6000K로 할 경우 는 약 0.5μm이고 지구의 경우 온도 를 300K로 하면 는 약 10.0μm이다.

 

 

2) 스테판-볼쯔만 법칙

온도가 높아질수록 흑체가 복사하는 총 복사에너지 량 (복사조도)이 급격히 증가됨을 알 수가 있다. 즉, 각 온도별 단색복사조도 선 아래의 면적이 급격히 증가되고 있음을 알 수가 있는데 이를 인식 한 오스트리아 물리학자인 Josef Stefan (1835 - 1893)은 1879년에 실험적 으로 흑체 복사조도가 다음과 같이 주어짐을 증명했다.

절대온도 T를 갖는 흑체표면의 단위면적에서 단위시간당 방출되는 전 파장의 복사에너지(흑체의 전 복사조도)는 절대온도의 4승에 비례하며 이 를 스테판-볼쯔만의 법칙이라 한다.

 

3) 키리히호프의 법칙

흑체 복사는 주어진 온도에서 물질이 방출할 수 있는 복사에너지의 상한을 나타낸다. 흑체는 지구상에 존재하는 물체가 아닌 가상의 물체임으로 지구 상에 존재하는 물체들은 흑체보다 적은 복사에너지를 방출하게 되는데 흑체에서의 복사에너지에 대한 일반 물체의 복사에너지의 비를 방출율이라 하며 주어진 파장에서의 방출률은 다음과 같이 정의된다.

그러므로 방출률은 특정 파장에서 물체가 복사 방출을 얼마나 효율적으로 하는지를 나타내는 척도라고 할 수 있다. 이에 대응하는 흡수율은 다음 과 같이 정의한다.

1855년에 독일 과학자 Gustav Kirchhoff(1824-1887)는 열적 평형 상태 에 있는 물체에 대해 다음과 같은 관계를 발견했다.

즉, 같은 온도의 물체는 종류에 관계없이 복사 스펙트럼이 같다.