Trong vật lý học, vật đen tuyệt đối, hay ngắn gọn là vật đen, là vật hấp thụ hoàn toàn tất cả các bức xạ điện từ chiếu đến nó, bất kể bước sóng nào. Điều này có nghĩa là sẽ không có hiện tượng phản xạ hay tán xạ trên vật đó, cũng như không có dòng bức xạ điện từ nào đi xuyên qua vật.

Ý nghĩa vật lý về khả năng hấp thụ 100% bức xạ điện từ chiếu vào mang đến cái tên "đen" cho vật thể. Tuy nhiên, các vật thể này không đen, mà chúng luôn bức xạ trở lại môi trường xung quanh các bức xạ điện từ, tạo nên quang phổ đặc trưng cho nhiệt độ của vật, gọi là bức xạ vật đen. Quang phổ của vật đen là quang phổ liên tục và chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của vật đen.

Khi nhiệt độ của một vật không thay đổi, theo định luật bảo toàn năng lượng:

F0 = Fht + Fpx + Ftq = Fbxn

Ở đây:

  • F0thông lượng bức xạ điện từ chiếu vào vật
  • Fht là phần thông lượng bức xạ điện từ chiếu vào bị hấp thụ
  • Fpx là phần thông lượng bức xạ điện từ chiếu vào bị phản xạ (hay tán xạ)
  • Ftq là phần thông lượng bức xạ điện từ chiếu vào bị truyền qua
  • Fbxn là thông lượng bức xạ điện từ mà vật đen bức xạ trở lại môi trường

Ở trường hợp giới hạn lý tưởng, khi không có sự phản xạ, tán xạ hay truyền qua của các bức xạ điện từ chiếu đến vật, vật là một vật đen tuyệt đối (Fpx = 0, Ftq = 0):

F0 = Fht = Fbxn

Vật đen định nghĩa như trên là một vật lý tưởng, không tồn tại trong thực tế, có đặc tính biến tất cả năng lượng nhận được thành năng lượng bức xạ đặc trưng cho nhiệt độ của vật, với bất kỳ trị số nào của bước sóng. Mô hình vật đen là một mô hình lý tưởng trong vật lý, nhưng có thể áp dụng gần đúng cho nhiều vật thể thực tế. Các vật thể thực đôi khi được mô tả chính xác hơn bởi khái niệm vật xám. Vật thể trên thực tế gần đúng với khái niệm vật đen nhất là lỗ đen, là vật có lực hấp dẫn mạnh đến nỗi hút gần như tất cả các vật chất (hạt, sóng bức xạ) nào ở gần nó.

Chú ý là một vật màu đen không hẳn là một vật đen. Thí dụ: chiếc tàu lặn sơn đen đi trong đêm tối. Tuy chúng ta không thấy nó, nhưng nó vẫn bị phát hiện bởi radar, có nghĩa là nó vẫn phản xạ các tia đó với độ dài sóng radar.

Mô hình thực tếSửa đổi

Vật đen trong thực tế không tồn tại(Hố đen hấp thụ tất cả các bức xạ tới, nhưng nhiệt độ của Hố đen không thể kiểm tra), Do đó trong vật lý để kiểm nhiệm sử dụng model. Model là một khoang không trong suốt kín có một lỗ nhỏ, tường của khoang ở cùng một nhiệt độ. Ánh sáng, rơi vào bên trong khoang xuyên qua lỗ, sau nhiều lần phản xạ sẽ bị hấp thụ hoàn toàn, và lỗ trống từ bên ngoài sẽ nhìn thấy hoàn toàn màu đen. Nhưng khi tăng nhiệt độ cho khoang, bắt đầu xuất hiện bức xạ nhìn thấy được. Có thể nói rằng, Bức xạ bên trong khoang ở trạng thái cân bằng nhiệt động với tường. (Ở model này, lỗ trống không quan trọng, nó chỉ cần để nhấn mạnh khả năng quan sát bức xạ, nằm bên trong; lỗ trống có thể, ví dụ, đóng hoàn toàn, và nhanh chóng mở ra khi và chỉ khi cân bằng đã được thiết lập và có thể tiến hành đo đạc).

Định luật bức xạ của vật đenSửa đổi

Định luật bức xạ Wien số mộtSửa đổi

Năm 1893 nhà khoa học Wien đã sử dụng cân bằng nhiệt cổ điển, định luật sóng ánh sáng, đưa ra phương trình:

f(w/T)=ω^3*F(w/T),

trong đó:

f- Mật độ năng lượng bức xạ

ω-Tần số bức xạ

T- Nhiệt độ bức xạ vật

F- Hàm số, chỉ phụ thuộc vào tỉ số w/T. Hình dạng của hàm số này không thể thiết lập, chỉ xuất ra từ Cân bằng nhiệt.

Phương trình Wien đầu tiên đúng với tất cả tần số. Những công thức cụ thể hơn về sau( Ví dụ Planck) cần phải thỏa mãn công thức số 1 Wien.

Từ công thức số 1 Wien có thể đưa ra định luật dịch chuyển Wien(định luật lớn nhất) và định luật Stefan-Boltzmann, nhưng không thể tìm thấy giá trị hằng số trong các định luật này.

Về phương diện lịch sử, tên gọi đầu tiên của định luật Wien là định luật dịch chuyển, nhưng trong thời điểm hiện tại dùng với tên gọi "Định luật dịch chuyển Wien" hay gọi là định luật lớn nhất.

Định luật bức xạ Wien số haiSửa đổi

Năm 1896 Wien dựa trên những cơ sở giải định đưa ra phương trình Wien số 2:

f=C1*ω^3*exp(-C2*ω/T), trong đó:

C1,C2- Hằng số. Thí nghiệm chỉ ra rằng, công thức Wien số 2 chỉ đúng trong khoảng tần số cao( bước sóng ngắn). Công thức là trường hợp cụ thể riêng của định luật số 1.

Sau này Maxwell đã chỉ ra rằng, định luật số 2 của Wien là hệ quả từ định luật Planck đối với năng lượng lượng tử lớn, và ông cũng đã tìm ra hằng số C1,C2. Từ đó định luật số 2 Wien có thể được viết dưới dạng cụ thể hơn:

f=8πhω^3/c^3*exp(-hω/kT), trong đó:

h- Hằng số Planck,

k- Hằng số Maxwell,

c- Vận tốc ánh sáng trong chân không

Định luật Rayleigh–Jeans lawSửa đổi

Thí nghiệm ghi lại sự bức xạ của vật đen xuất hiện từ nguyên tắc cổ điển cân bằng nhiệt và điện tử học dẫn đến định luật Rayleigh–Jeans law:

f(w,T)=kTω^3/(π^2*c^3)

Công thức chỉ ra rằng, mật độ quang phổ của bức xạ tăng tỉ lệ bình phương tần số của bức xạ. Trong thực tế định luật có nghĩa là không thể có sự cân bằng nhiệt giữa vật chất và bức xạ, mặc dù đồng ý rằng tất cả năng lượng nhiệt phải chuyển sang năng lượng bức xạ trong vùng quang phổ. Hiện tượng này được gọi là Thảm họa tia cực tím.

Định luật chỉ đúng đối với vùng quang phổ dài, nơi mà mô tả đầy đủ bản chất cúa bức xạ. Giải thích yếu tố sự tương ứng như thế chỉ khi sử dụng Cơ lượng tử, đồng ý rằng bức xạ xảy ra một cách riêng lẻ. Từ các định luật lượng tử có thể suy ra công thức Planck, trong trường hợp hω/kT<<1 công thức Planck trùng với định luật Rayleigh–Jeans law.

Xem thêmSửa đổi

Tham khảoSửa đổi

Liên kết ngoàiSửa đổi