1.  黑體輻射

所有物體都在不斷地發射和吸收電磁輻射。發射的輻射被稱為黑體輻射。

物體發射的輻射譜是連續的。物體的溫度決定了譜線最大值的波長以及單位時間內的總能量輸出。

2.  引言

所有物質物體都會發射電磁輻射；發射的光子能量和通量的分布主要取決于物體的溫度。這一現象被稱為黑體輻射。由于輻射量及其譜線依賴于溫度，因此它有時被稱為熱輻射或熱能輻射。

所討論的物體可以是大的（如恒星和行星）、小的（如單個分子），可以是固體、液體或氣體。黑體輻射是一種常見的現象：當物體（例如一塊金屬）溫度升高時，它開始發出紅橙色的光，隨著溫度進一步升高，它的光變得越來越白。當溫度繼續升高時，光的色調變成藍色。然而，在如此高的溫度下，光通常是如此強烈，以至于人眼看起來會感到痛苦，甚至對眼睛有害（這也是為什么焊工在工作時戴上深色護目鏡的原因）。

即使當物體較冷，我們根本看不見它發光時，物體仍然在不斷發射輻射，主要是在紅外區域。夜視設備可以探測到這些紅外輻射，并將其轉化為可見圖像。

黑體輻射不斷從物體中移除能量，從而導致其冷卻。這就是地球表面在夜間冷卻的原因。那么，為什么物體不會繼續不斷冷卻，最終達到絕對零度？原因在于，當物體因黑體輻射而失去能量時，它同時也被周圍所有物體發射的黑體輻射照射，并吸收一些輻射，從而替代了部分失去的能量。電磁輻射在物體之間不斷地“交換"。溫度較高的物體發射的輻射能量較強，因此它們會冷卻得更快。因此，在沒有外部熱源的情況下，所有處于封閉空間中的物體最終會達到相同的溫度，即達到熱平衡。即使在熱平衡達到后，物體仍然相互交換輻射，但此時物體吸收和發射輻射的速率相同，因此沒有凈熱量交換發生。

太陽、地球、地球的大氣層和云層的黑體輻射在地球氣候中發揮著重要作用。太陽的大部分輻射是來自太陽表面（或光球）的黑體輻射，其溫度約為5700 K。地球表面通過吸收這種光來獲得溫暖。與此同時，地球表面也在發射自身的黑體輻射。到了夜晚，當地表不再受到太陽照射時，它仍然在發射自己的黑體輻射，從而導致地表冷卻。部分輻射被大氣層吸收。大氣層也發射黑體輻射，其中一部分被地球表面吸收。夜間的溫度取決于地球和大氣層的吸收和發射速率的相對關系。如果大氣層更有效地吸收輻射，它會捕獲更多的地球輻射，并將更多的輻射重新輻射到下方，從而使地球表面溫度升高。這就是溫室效應。

3. 黑體輻射的譜線

現在，讓我們更定量地分析任何宏觀物體的電磁輻射的吸收和發射。理想的黑體是一個假想物體，它吸收所有照射到其表面的輻射（因此，黑體的名字來源于它不會反射任何光，因此看起來是黑色的）。物理理論預測了理想黑體在某一溫度下的輻射譜。下圖顯示了不同溫度下理想黑體的理論輻射譜。請注意，在此圖中，每個主要的刻度標記表示相鄰刻度標記之間的差異為10倍。也就是說，波長和輻射強度的刻度是對數的。

理想黑體輻射的譜線

溫度為T=6000K、5000K、4000K、3000K、2000K和1000K時，理想黑體輻射的譜線。太陽的光球溫度略低于6000K。地球表面的有效溫度略低于300K。

黑體輻射的一個顯著特征是它具有連續的譜線。也就是說，輻射強度曲線是平滑的。它沒有任何波動，并且在某個波長處不會突然降為零。

非理想黑體在給定波長下發射的輻射強度低于理想黑體。然而，地球和太陽等物體的輻射能量與同溫度下的黑體輻射非常相似。

黑體在每個波長下的輻射強度只依賴于其絕對溫度（以開爾文為單位）。記住，熱量是一種能量形式，因此如果一個黑體通過吸收更多能量較強的光子（或通過其他過程，如傳導），它將發射更多能量較強的光子。

4. 黑體輻射與溫度

我們已經看到，黑體會在所有波長的電磁輻射中發射輻射，并且發射輻射的強度隨著物體溫度的變化而變化。上面的圖顯示了不同溫度下黑體輻射的電磁輻射譜，按波長劃分。

當光子在譜線上以連續范圍發射時，我們稱之為連續輻射。隨著溫度升高，每條曲線的峰值發生了什么變化呢？你可以看到，每條曲線的峰值隨著溫度升高而向較短的波長（更高的能量）移動。

5.  吸收率與發射率

雖然理想的黑體是一個假想物體，但物體通常通過它們的輻射特性與同溫度下的黑體進行比較。物體的兩個重要相關屬性是它們的吸收率和發射率。物體的吸收率a定義為在特定波長下，物體吸收的入射輻射的比例。材料的發射率e定義為在特定波長下，物體發射的輻射與同溫度下的黑體輻射的比例。如我們之前所知，理想的黑體吸收所有入射輻射，并在每個波長上發射最大可能的輻射。因此，理想黑體在任何波長下的吸收率和發射率都等于1。對于真實物體，這些值可能在0到1之間變化。基爾霍夫定律規定，對于任何物體：

a = e

根據這一點，一個在特定波長下是強吸收的物體，在該波長下也是強發射的；而一個在特定波長下吸收較弱的物體，也會在該波長下發射較弱。一個物體是否在給定波長下是強發射體或弱發射體，取決于材料的特性。大氣層中各種成分的發射率在決定大氣溫度結構方面起著至關重要的作用。

6.  輻射能量和黑體輻射的關鍵點

輻射能量傳輸可以用輻射通量、輻照度或輻射亮度來描述。
理想的黑體吸收所有照射到它的輻射能量，并重新發射所有吸收的能量。
黑體輻射的發射強度依賴于輻射物體的溫度。
在特定波長下強（弱）吸收的黑體也是強（弱）發射的。
太陽和地球不是的黑體，但在研究它們的輻射能量發射時，可以將其近似為黑體。

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