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绝对黑体

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同义词黑体（热力学术语）一般指绝对黑体

所谓绝对黑体，就是指这样一种物体，它能够在任何温度下将辐射到它表面上的任何波长的能量全部吸收。

当物体的吸收率α=1时，则表示该物体能全部吸收投射来的各种波长的热辐射线，这种物体称为绝对黑体，或简称黑体（black body）。黑体是对热辐射线吸收能力最强的一种理想化物体，实际物体没有绝对黑体。但在理论研究中可设计种种绝对黑体。例如：设有一个空心容器，器壁由不透明材料制成，器壁上开有一个小孔，这样即可构成一个黑体。因为当射线射入小孔后，将在空腔中进行多次反射，每次反射器壁的内表面就吸收一部份能量，若小孔孔径开得很小，远远小于容器的表面积。这样，射线即可认为被小孔全部吸收。小孔就可认为是绝对黑体。绝对黑体的发射率也为1。

中文名: 绝对黑体
外文名: absolute black body
特点: 投射的辐射热全被该物体吸收

简称: 黑体
理论黑体: 现实中没有绝对黑体
领域: 物理

绝对黑体相关

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绝对黑体的吸收率

一般物体收到辐射时，对辐射能量总是有吸收、有反射。吸收部分占总能量的份额称为吸收率，其值在0-1之间。黑颜色的物体吸垫乌台墓收能力大于白颜色的物体，吸收系数也比定堡习较大。如果吸收系数为1，表示全部能量都被吸收而没有反射。具有这种能力的物体称为绝对黑体。自拳叠然界并不存在绝对黑体。绝对黑体是一个理想化的参考模型备枣。

绝对黑体与温度

在遥感热红外扫描仪系统中，装有高温黑体趋拘和低温黑体，作为探测地物热辐射的参考源。实用的绝对黑体是由人工方法制成的。一般说，物体的辐射能量与其表面温度有关，温度越高，辐射能量越大。换汽虹榜兰棕龙句话说，物体的辐射能随其温度变化，辐射能的光谱分布也随之担达炼变化。

绝对黑体及其发光颜色

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图1 黑体的结构

煤炭呈黑色，是因为它吸收了投射到其表面上的几乎所有可见光，煤炭燃烧时发热发光的能力也很强，所以煤炭成为人类极佳的燃料。大量事实证明，物体越黑，吸收可见光的本领越大，其加热后的光辐射能力也越强。在发光体中，有这样一种物体，能把投射到它表面的所有可见光全部吸收，既不反射也不透射，具有这种性质的物体称为绝对黑体。如果在绝对黑体上加用其他灯光照射，我们看不到它有亮度上和颜色上的任何变化，看到的还是只有均匀的黑色。自然界不存在这种绝对黑体，煤炭也只是一种近似绝对黑体，因为当我们用手电筒照射它时，能看见它表面的亮度的改变。人造黑体可以仿制（如图1），黑体的结构一般用耐火金属制成一个具有小孔的空心金属容器（黑体腔），从小孔进入空心容器的光线，将通过多次反射和多次吸收，直至能量全部吸收，所以这种金属空心容器就是一个绝对黑体。除空心黑体腔外，其组成还有对它加热的加热热装置，保持黑体腔恒温的保温层，与外界隔热和使黑体冷却的冷却装置。我们的眼睛就类似于一个黑体，光线入射到很小的瞳孔上便进入一个眼球内部。炼钢炉上的小孔就是一个很好的黑体辐射源，如果我们用手电筒照射它（小孔），其亮度和颜色都不会有变化，因为小孔吸收了照射它的所有光线。^[1]

图2 黑体的光谱能量分布

绝对黑体也是这样的光源，当非金属空心容器加热时，其内部会发光，发出的光线将从小孔射出，其颜色就像煤炭燃烧时一样，随着加热温度由低到高，其发光颜色也发生变化，随着温度升高，颜色逐渐由红色变为橙色、黄色、白色、直至蓝色。绝对黑体的发光颜色不仅取决于加热温度，而且仅仅只取决于加热温度，这等同于绝对黑体辐射的光谱能量分布（图2）。正是因为黑体的发光颜色仅仅与它的加热温度有关，加热后辐射光谱能量的大小也仅与它的温度有关，即给予绝对黑体一个确定的加热温度，就只有一种确定的光色或只有一条确定的相对光谱能量分布与之对应，从图2中也很清楚看出温度与颜色的关系，每一个温度值仅仅只对应着一条确定的光谱能量分布曲线。黑体的温度越高，它辐射的光越多，而且是辐射的短波光越多，发光颜色就越偏向蓝色。对所有的热光源都是这样，加热温度低时，发射红色光，随着温度升高，发射光的颜色也逐渐由红色变成橙色、黄色、白色、直至蓝色，所以，每一个温度值只与一个确定的颜色对应。^[1]

绝对黑体的模型

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图3 带有小孔的空腔

如图3所示，空心容器是用不透明材料（比如金属）制成的，在器壁上开一个很小的孔O。当电磁波射入小孔O后，电磁波将在空腔内壁经过多次反射，每反射一次空腔内壁将吸收一部分能量。设吸收率为α，射入小孔O的电磁波总能量为1，那么经过N次反射

后，再由容器小孔O射出容器外的能量将为

。设计小孔O的面积远小于容器内表面总面积，则N将很大，

的值将非常小，趋近于零。这意味着由小孔O射入空腔的电磁波的能量几乎全部被吸收，吸收率几乎为1。因此，可以把小孔空腔看作是绝对黑体的模型，而空腔中的电磁辐射常称为黑体辐射（black—bodyradiation）。

如果把空心容器的内腔的腔壁加热，并让其保持在一定的温度T，则由小孔内向外的辐射可以认为是绝对黑体在温度为T时的辐射。换句话说，由小孔射出的辐射，相当于从面积等于小孔面积，温度为T的绝对黑体表面所射出。

在常温下，所有物体的辐射都很弱，黑色物体或空腔小孔的反射又极少，所以看起来它们就很暗，例如，白天看建筑物的窗口时，窗口看起来很黑，就是这个道理。但是，在高温下，黑体的辐射最强，故看起来它们最明亮。^[2]

黑体辐射基本定律

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理论和实践证明，绝对黑体的特性可用以下四个基本定律予以描述。

1．普朗克黑体辐射方程

黑体的光谱面辐射度（W/m2）为

Rλ=2πc2h/[λ5（ehc/αkT-1）] （1a）

式中：λ——波长（m）；

h——普朗克常数（=6.626 075 5×10-34 J·s）；

c——真空中的光速（=3×108 m/s）；

k——玻耳兹曼常数（=1.380 658×10-23 J/K）；

T——绝对温度（K）。

由于黑体是朗伯辐射源，其面辐射度R=Lλ·π，所以，黑体辐射亮度

Lλ=2c2h/[λ5（ehc/λkT-1）] （1b）

2．瑞利一琴斯定律

对于hv=hc/λ《kT，即黑体温度较高，或波长较长时，由式（1b）可导出瑞利一琴斯定律：^[3]

Lλ≈2kTν2/c2（2）

式（2）在理解3～5μm、8～12μm红外成像评价理论时有实际意义。此时，在既定温度（T）下，目标的亮度（ Lλ）与其亮度对比度和温差对比度具有同样的量纲和随大气距离衰减的类似规律，图4所示是绝对黑体辐射亮度光谱分布曲线。

图4 绝对黑体辐射亮度光谱分布曲线

3．斯蒂芬一玻耳兹曼方程

该方程给出黑体辐射的所有波长的总面辐射度R，即

Rλdλ=σT4 （3）

式中：σ——斯蒂芬一玻耳兹曼常数，其值为2π5k4/（15h3c2）。

式（3）的物理意义说明，绝对黑体的总面辐射度与温度的四次方成正比。

4．维恩位移定律

该定律给出黑体辐射光谱峰值面辐射度所对应的波长λm与其温度T的关系。可以证明

λmT=2 898μm·K（4）

这说明，黑体温度越高，其辐射峰值波长越移向短波。人们仔细观察火焰时不难发现，随着火焰温度的升高，其颜色将按红一黄一绿一蓝规律变化。虽说火焰不是黑体，但现象是类似的。^[3]

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