흑체복사

1 개요

흑체에서 온도에 따라 빛이 나오는 현상.절대온도에 대해 방출량은 네제곱에 비례하며 파장은 반비례한다.

2 배경

19세기 말 독일알자스-로렌 지방에서 제철공업을 일으켰다. 철광석을 코크스 등으로 연소시켜서 고온으로 만들 때 그 빛깔로 온도를 파악하려 했다. 붉은색보다 파란색일 때 온도가 더 높다는 것은 경험적으로는 알았지만, 빛깔과 온도와의 관계에 대해 이론 설명이 필요해 졌다.

3 슈테판-볼츠만 법칙

1884년 오스트리아루트비히 볼츠만이 1879년 슬로베니아 출신의 요제프 슈테판이 실험한 흑체복사 실험 데이터를 근거로 다음과 같이 유도한다.

공동 속의 에너지 밀도 u는 에너지 밀도를 모든 진동수에 대해 적분하여 얻을 수 있다.

u = [math]\int_{0}^{\infty} u(\nu)d\nu[/math]

= [math]\int_{0}^{\infty}\frac{8\pi h\nu^3}{c^3}\cdot\frac{1}{e^{\frac{h\nu}{kT}}-1}d\nu[/math]

= [math]\frac{8\pi^5k^4}{15c^3h^3}T^4 =aT^4[/math]

여기서 a는 보편적인 상수이다. 총 에너지 밀도는 동공 벽의 절대온도의 4제곱에 비례한다. 그러므로, 어떤 물체가 단위 시간당, 단위 면적당 복사하는 에너지 R역시 [math]T^4[/math] 에 비례한다고 기대할 수 있을 것이다. 이를 슈테판-볼츠만 법칙이라고 한다.

4 레일리-진스 법칙

레일리는 흑체복사를 고전적인 관점에서 연구하여, 흑체속의 전자가 무질서한 운동을 하고 있지만 결국 진공속의 전자기파와 마찬가지로 취급한다. 즉 흑체 양끝을 마디로 하는 정상파라고 하면 이 때 어떤 속이 빈 물체 안에서 수없이 여러번 반사되어 기벽과 열적 평형을 이룬 복사선이 바늘 구멍으로 나온다라고 이상적인 물체를 가정했는데, 이것을 흑체라고 한다.

[math] \lambda = 2L, L, L/2, L/3, ... [/math] 이 된다.
진동수 [math] \nu=\frac{c}{\lambda} [/math]에 적용하면
[math] \nu=\frac{c}{2L}n (n=1,2,3...) [/math] 과 같이 쓸 수 있다.

[math] \nu [/math] 보다 작은 상태수는
[math] G(\nu)=\frac{4}{3}\pi(\frac{c}{2L})^3\nu^3 [/math] 이고
[math] \nu [/math][math] \nu+d\nu [/math] 의 사이에 있는 상태수는
[math] g(\nu)d\nu=\frac{dG}{d\nu}d\nu=4\pi(\frac{c}{2L})^3\nu^2d\nu [/math] 가 된다.
따라서 상태밀도 [math] g(\nu)=4\pi(\frac{c}{2L})^3\nu^2[/math] 가 된다.

에너지 등분배 법칙에 따라 하나의 진동은 평균적 의미로 [math] kT [/math]의 에너지를 갖는다.
따라서 [math] E(\nu) [/math][math]g(\nu)[/math][math] kT[/math]를 곱한 것이고

[math] E(\nu)=4\pi(\frac{c}{2L})^3\nu^2kT[/math] 와 같이 나타 낼 수 있다.

이 설명은 불행하게도 낮은 진동수에서는 맞지만 도리어 높은 진동수에서는 전혀 맞지 않는다. 이 이론에 따르자면 자외선이나 x선으로 가득찬 어둠 속에서도 물체가 밝게 보여야 하는 것이다. 이 터무니 없는 결과를 자외선 파국이라고 부른다.

5 빈 변위 법칙

통계역학에서, 빈 변위 법칙(Wien變位法則, Wien's displacement law)은 특정 온도에서 흑체로부터 방사된 열 에너지의 파장 분포가 필수적으로 다른 온도의 분포와 같은 모양을 가진다는 법칙이다. (그래프 위에서 각 파장이 치환되거나 이동되지 않는 한) 다시 말해, 흑체에서 빠져나온 파장 가운데 에너지 밀도가 가장 큰 파장과 흑체의 온도가 반비례한다는 것을 말한다.

[math] E = \frac{C\lambda^{-5}}{e^{\frac{c}{\lambda T}} } [/math]

6 막스 플랑크 법칙

[math] E = \frac{C\lambda^{-5}}{e^{\frac{c}{\lambda T}} - 1} [/math]

7 여담

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복사기에서 온도에 따라 흑체가 나오는 현상

고등학교 물리를 선택하지 않은 일반인은 "흑체복사" 용어를 들으면 복사 실수(검은색 복사)를 떠올린다 카더라.