Абсолютно черно тяло и неговото излъчване

Абсолютно черно тяло се нарича така, защото абсорбира цялата радиация, която се случва върху него (или по-скоро в него), както във видимия спектър, така и извън него. Но ако тялото не се нагрява, енергията се връща обратно. Това излъчване, излъчено от абсолютно черно тяло, е от особен интерес. Първите опити да се проучат неговите свойства бяха направени преди появата на самия модел.

В началото на 19-ти век Джон Лесли провежда експерименти с различни вещества. Както се оказа, черният сажд не само поглъща цялата видима светлина, която пада върху него. Излъчваната в инфрачервения диапазон е много по-силна от другите, по-леки вещества. Това е топлинна радиация, която се различава от всички други видове в няколко свойства. Излъчването на едно абсолютно черно тяло е равновесно, хомогенно, става без трансфер на енергия и зависи само от него телесна температура. При достатъчно висока температура на обекта топлинно излъчване става видима и след това всяко тяло, включително абсолютно черно, придобива цвят.

Такъв уникален обект, който излъчва изключително дефиниран форма на енергия, не може да помогне за привличането на внимание. Тъй като става дума за топлинна радиация, в рамките на термодинамиката са предложени първите формули и теории за това как трябва да изглежда спектърът. Класическата термодинамика е в състояние да определи кое дължина на вълната трябва да има максимална радиация при дадена температура, в каква посока и колко ще се промени с отопление и охлаждане. Не е възможно обаче да се предскаже какво е енергийното разпределение в спектъра на абсолютно черно тяло при всички дължини на вълните и по-специално в ултравиолетовия диапазон.

Според идеите на класическата термодинамика, енергията може да бъде излъчвана от всякакви части, включително произволно малки. Но за абсолютно черно тяло, което да излъчва на къси вълни, енергията на някои от неговите частици трябва да е много голяма и в района на ултра-късните вълни тя ще стигне до безкрайност. В действителност това е невъзможно, безкрайността се появи в уравненията и получи името ултравиолетово бедствие. Само теорията на Планк, че енергията може да бъде излъчена от отделни части - кванти - помогна да се реши проблема. Днешните уравнения на термодинамиката са специфични случаи на уравнения квантова физика.

Първоначално едно напълно черно тяло беше представено като кухина с тесен отвор. Радиацията отвън навлиза в тази кухина и се поглъща от стените. На спектъра на радиация, който трябва да има абсолютно черно тяло, тогава сходният е спектърът на излъчване от входа на пещерата, дупката на кладенеца, прозореца в тъмната стая в слънчев ден и т.н. Но най-вече спектрите съвпадат с него религиозно излъчване Вселената и звездите, включително Слънцето.

Може да се твърди уверено, че колкото повече частици в един или друг обект с различни енергии, толкова по-силно лъчението ще прилича на черно тяло. Кривата на разпределение на енергията в спектъра на абсолютно черно тяло отразява статистическите закономерности в системата на тези частици, като единствената корекция е, че енергията, прехвърлена по време на взаимодействията, е дискретна.