黑体 (物理学)

在热力学中，黑体（英语：Black body），是一个理想化的物体，它能够吸收外来的全部电磁辐射，并且不会有任何的反射与透射。随著温度上升，黑体所辐射出来的电磁波与光线则称做黑体辐射。这个名词在1862年由古斯塔夫·基尔霍夫所提出并引入热力学内。

提示：此条目页的主题不是黑体 (字体)。

黑体辐射的颜色（色度）设根据黑体的温度变化的；这些颜色的轨迹，如上面的CIE1931色彩空间图所示，为刚普朗克轨迹（或称为黑体轨迹）。

定义简述

黑体对于任何波长的电磁波的吸收系数为1，透射系数为0。但黑体未必是黑色的，即使不反射任何的电磁波，它也可以放出电磁波，而这些电磁波的波长和能量则全取决于黑体的温度，不因其他因素而改变。

对于人的视觉而言，黑体在700K以下时看起来是黑色的，这是由于在700K之下的黑体所放出来的辐射能量很小且辐射波长在可见光范围之外。若黑体的温度高过上述的温度的话，黑体则不会再是黑色的了，它会开始变成红色，并且随著温度的升高，而分别有橘色、黄色、白色等颜色出现，即黑体吸收和放出电磁波的过程遵循了光谱，其轨迹为刚普朗克轨迹（或称为黑体轨迹）。黑体辐射实际上是黑体的热辐射。在黑体的光谱中，由于高温引起高频率即短波长，因此较高温度的黑体靠近光谱结尾的蓝色区域而较低温度的黑体靠近红色区域。

在室温下，黑体放出的基本为红外线，但当温度涨幅超过了百度之后，黑体开始放出可见光，根据温度的升高过程，分别变为红色，橙色，黄色，白色和蓝色。当黑体变为白色的时候，它同时会放出大量的紫外线。

黑体单位表面积积的辐射通量${\displaystyle P}$与其温度的四次方成正比，即：

${\displaystyle P=\sigma T^{4}}$

式中${\displaystyle \sigma }$称为斯特藩-玻尔兹曼常数，又称为斯特藩常数。

黑体的放射过程引发物理学家对量子场内的热平衡状态的兴趣。在经典物理中，所有热平衡的傅里叶模型都遵循能量均分定理。当物理学家使用经典物理解释黑体时，不可避免的发生了紫外灾变^[1]，即用于计算黑体辐射强度的瑞利-金斯定律在辐射频率趋向于无穷大时计算结果也趋向于无穷大。由于黑体可以用于检验热平衡的性质，因为它放出的辐射遵循热力学散射，历史上对黑体的研究成为了量子物理开始的契机。

细节

在实验室内，研究者们可以模拟最靠近黑体的设备是大型空腔表面所开的一个小洞。只要有光线射向这个小洞，光线便会在空腔内反射或者被空腔内的墙壁所吸收，而只剩下微乎极微的光线可以再由洞口射出，亦即入射的光线几乎都被吸收了，而没有反射。如此，这个小洞就有如一个黑体一般，而且当空腔开始加热以后，小洞发出来的辐射所形成的光谱将会以量子化计算且和空腔材质无关。依据克希荷夫热辐射定律，光谱的图形只和空腔的温度有关，而和其他因素没有关系。

解释

黑体模拟装置

由小孔形成的黑体

通常，可以用一个开有小孔的腔体模拟黑体。射入小孔的电磁波经过多次反射后也难以射出，可以认为电磁波被完全吸收。因此这个小孔就成为一个黑体。但对于波长大于小孔直径的电磁波，将有部分被反射，因此对于这部分电磁波而言，小孔并不是黑体。^[2]

黑体的实现

黑体的实现是指现实世界的物理体现。

Cavity with a hole

1898年，奥托·鲁默（Otto Lummer）和费迪南德·库尔鲍姆（Ferdinand Kurlbaum）^[3]发表了他们的腔辐射源的论文。至今为止，它们的设计在辐射测量方面几乎没有改变。 它是铂金盒壁上的一个孔，被隔膜隔开，其内部被氧化铁涂黑。 它是逐步改进测量结果的重要组成部分，从而导致了普朗克定律的发现。1901年描的版本，其内部被铬，镍和氧化钴的混合物涂黑。^[4]

Near-black materials

人们感兴趣于用于伪装的类黑体材料和用于雷达隐身的雷达吸收材料。它们还可以用作太阳能收集器和红外热探测器。作为一种理想的辐射发射器，具有黑体行为的热物质会产生高效的红外加热器，尤其是在无法使用对流加热的空间或真空中。它们还可以用作望远镜和照相机的减反射表面，以减少杂散光，并收集有关高对比度区域中物体的信息（例如，观察恒星周围的行星），由于黑体的物质会吸收光来自非目标的来源。

人们早就知道，漆黑的涂层会使物体接近黑色。在制造的碳纳米管中发现了对碳烟 ( lamp-black )的改进。纳米多孔材料可以达到接近真空的折射率，在一种情况下，其平均反射率为0.045％^[5]。 2009年，一支日本科学家小组基于垂直排列的单壁碳纳米管，创建了一种接近于理想黑体的纳米黑材料。在从紫外线到远红外区域的光谱范围内，它吸收了98％至99％的入射光。

几乎完美的黑色材料的其他示例是通过化学刻蚀镍磷合金(nickel–phosphorus alloy)，垂直排列的碳纳米管阵列( vertically aligned carbon nanotube arrays ) 和花朵碳纳米结构 ( flower carbon nanostructures ) ；^[6] 都吸收99.9％或更多的光。（奈米碳管黑体）

参考文献

1. The Ultraviolet Catastrophe. vergil.chemistry.gatech.edu. [2020-05-09]. （原始内容存档于2020-05-22）.
2. Purcell's Black Body Box. sciencedemonstrations.fas.harvard.edu. [2020-05-09]. （原始内容存档于2020-08-08） （英语）.
3. Mehra, Jagdish; Rechenberg, Helmut. The Historical Development of Quantum Theory. Springer Science & Business Media https://books.google.com.hk/books?id=W5kyppVPyesC&pg=PA42&lpg=PA42&dq=Otto+Lummer+Ferdinand+Kurlbaum&source=bl&ots=oD6B90ghni&sig=ACfU3U32NFYM8xjlQVtE6zzwIdEX_9Aa8Q&hl=zh-TW&sa=X&ved=2ahUKEwiWk9is7abpAhVmzIsBHYD3AN4Q6AEwAHoECAYQAQ#v=onepage&q=Otto%20Lummer%20Ferdinand%20Kurlbaum&f=false. 2000-12-28 [2020-05-09]. ISBN 978-0-387-95174-4. （原始内容存档于2022-05-04） （英语）. 缺少或|title=为空 (帮助)
4. Black Body Radiation *. quantummechanics.ucsd.edu. [2020-05-09]. （原始内容存档于2019-05-21）.
5. Chun, Ai Lin. Blacker than black. Nature Nanotechnology. 2008-01-25: 1–1 [2020-05-09]. ISSN 1748-3395. doi:10.1038/nnano.2008.29. （原始内容存档于2020-08-01） （英语）.
6. Ghai, Viney; Singh, Harpreet; Agnihotri, Prabhat K. Dandelion-Like Carbon Nanotubes for Near-Perfect Black Surfaces. ACS Applied Nano Materials. 2019-12-27, 2 (12): 7951–7956. doi:10.1021/acsanm.9b01950.

参见

• 黑体辐射
• 普朗克公式
• 白体 (物理学)
• 基尔霍夫热辐射定律
• 斯特藩－玻尔兹曼定律