昨天寫了這篇《黑暗,隱藏著怎樣的秘密,讓科學家如此癡迷?(上) 》,原計劃今天寫中篇黑洞,但看了一個網(wǎng)友的評論,突然發(fā)現(xiàn),這篇文章可能寫得不透徹,所以,決定今天做一下補充,幫助大家更好地理解黑體。
黑體光譜
前文提到,1862年,物理學家基爾霍夫假想了一種理想物體,以此作為熱輻射研究的標準物體,這種物體它能夠吸收外來的全部電磁輻射,并且不會有任何的反射與透射。既然黑體是物理學為了研究熱輻射而假想的標準物體,那么在現(xiàn)實中為了計量的需要,就要有這種能夠盡可能完美模擬理想黑體發(fā)射的裝置或者材料,這種材料真實存在嗎?
您別說,還真有。如果您是物理專業(yè)的,回憶一下熱學課本里面那個黑體的簡圖(下圖)。科學家通過化學侵蝕鎳磷合金腔體內(nèi)表面的辦法,制造出一種超黑,它只能反射4‰的入射光。還有一種辦法是將碳納米管垂直排列在硅表面,這種材料可以吸收99.99%的入射光。
黑腔
【注意】黑體不一定是黑色的,盡管它不反射任何的電磁波,它也可以放出電磁波來,這些電磁波的波長和能量則全取決于黑體的溫度,不因其他因素而改變。
這里必須要說一下,就如本文題目中所說的那樣,太陽竟然是一個高度近似的黑體。下面我們就來說明一個這個現(xiàn)象:
很多天文學家在觀測中發(fā)現(xiàn),有些恒星的連續(xù)光譜部分竟然和黑體的光譜幾乎一致。小伙伴們可以回頭翻看一下我去年寫的《新春科普:既能毀滅,也能創(chuàng)造,鐵元素的兩面性 》,里面介紹了恒星的分層結(jié)構。
我們在望遠鏡后面的分光鏡中看到的恒星光譜,實際上是這些恒星內(nèi)部不同層次結(jié)構發(fā)射和吸收組合后的效果在恒星表面的綜合顯現(xiàn)。這種綜合后的效果,強加一個與內(nèi)部不同層級關聯(lián)的黑體的組合。
在恒星深處,它的溫度更高,所以相對于外層,它發(fā)出的光更多,但吸收也更強。因此,每個層級的光譜必須乘以吸收率這個權重。而我們所看到的恒星光譜,實際上是所有層級基值的總和。從目前的觀測手段和觀測技術來說,沒有足夠的證據(jù)能證明恒星光譜的連續(xù)部分是與黑體相似的。
太陽可見光光譜
但太陽則不同,正因為我們距離太陽比較近,這使得我們可以“近距離”觀測太陽,同時,人類也向太陽附近發(fā)射了一些探測器。這些探測的結(jié)果都表明:我們接收到的太陽輻射的區(qū)域厚度約為500千米,這個區(qū)域叫做光球?qū)?/strong>。其厚度遠小于太陽半徑約6.96×10^5千米。因此光球?qū)拥臏囟认鄬鶆?/strong>。
光球的表面是氣態(tài)的,其平均密度只有水的幾億分之一,但由于它的厚度達500千米,所以光球?qū)邮遣煌该鞯模ú荒芡干浜头瓷潆姶挪ǎ?/strong>。
太陽光球就是我們平常所看到的太陽圓面,通常所說的太陽半徑也是指光球的半徑。光球?qū)游挥趯α鲗又猓瑢偬柎髿鈱又械淖畹讓踊蜃罾飳印N覀兘邮盏降奶柲芰炕旧鲜枪馇虬l(fā)出的。因此,太陽的光譜實際上就是光球的光譜。
由于A)光球?qū)拥臏囟认鄬鶆颍籅)光球?qū)硬环瓷浜屯干潆姶挪ǎ籆)太陽光譜實際上就是光球?qū)庸庾V,因此可以說,太陽光譜和黑體光譜有充分的近似性。這也是為什么我會說太陽是一個黑體的原因。
赫羅圖-橫坐標為光譜型
【擴展】在天文學中,常常把一顆恒星的溫度,定義為一個黑體輻射出與恒星光譜近似時候的溫度。按照這個恒星溫度定義,太陽的有效溫度為5770K(開爾文),即5500攝氏度。恒星溫度是確定恒星的溫度是天體物理學最重要的課題之一。光譜分類中的光譜型又常叫作溫度型。知道恒星的光譜型便可大致地估計出它的溫度。
如果沒有意外話題(主要是本文評論區(qū)是否有讓我有興趣的話題),下一篇文章的內(nèi)容就是接《黑暗,隱藏著怎樣的秘密,讓科學家如此癡迷?(上) 》繼續(xù)寫黑暗科學有關的話題,跟您聊聊“越抹越黑”的物理學。
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