Gorputz beltz

Gorputz beltza beragan eragiten duen energia erradiante eta argi guztia xurgatzen duen objektu teoriko edo ideal bat da. Eragiten dion erradiazioaren apurtxo bat ere ez da isladatzen, ezta berau zeharkatu ere. Bere izena gora-behera, gorputz beltzak argia igortzen du, eta erradiazio elektromagnetikoaren igortzearen azterketarako eredu ideal fisiko bat da. Gorputz beltz izena Gustav Kirchhoffek sartu zuen 1862an. Gorputz beltz batek igorritako argia gorputz beltzaren erradiazio deitzen da.

Gorputz orok igortzen du energia uhin elektromagnetiko eran, erradiazio hau, hutsean ere igortzen dena, igortzailearen tenperatura zenbat eta altuagoa izan hainbat eta intentsoagoa delarik. Gorputz batek giro tenperaturan igorritako erradiazio energia urria da, eta argi ikusgarria baino uhin luzera handiagokoak dira, maiztasun txikiagokoak, beraz. Tenperatura handitzean, ez da soilik igorritako energia handitzen, baizik eta uhin luzera laburragoetan, eta, berz maiztasun handiagoetan egiten duela, honen ondorio da gorputz baten kolore aldaketa berotzen denean. Gorputzek ez dute intentsitate berean igortzen maiztasun edo uhin luzera guztietan, baizik eta Plancken legea jarraitzen dutela.

Tenperatura berdinean, igorritako energia, azaleraren izaeraren araberakoa ere bada; honela, azalera mate edo beltz batek igortze ahalmen handiago bat du azalera dizdiratsu batek baino. Honela, ikatz gorizko filamentu batek igorritako energia tenperatura berean dagoen platinozko beste batek igorritakoa baino handiagoa da. Erradiazio termikoaren Kirchhoffen legeak energia igorle ona den gorputz bat, energia horren xurgatzaile ona ere badela dio. Honela, kolore beltzeko gorputzak xurgatzaile onak dira, eta gorputz beltza gorputz ideal bat da, naturan existitzen ez dena, energia guztia xurgatzen duena.

Gorputz beltzaren eredu klasikoak eta kuantikoak

Mekanika klasikoaren eta mekanika kuantikoaren printzipio fisikoek, elkarren artean, esklusiboak diren iragarpenak egiten dituzte gorputz beltzen edo haietara hurbiltzen diren sistema fisikoen inguruan. Eredu klasikoak uhin-luzera txikietan igorpenaren iragarpenak egiten zituela ikusitakoarekin kontraesan irekian, mekanika kuantikoaren ernamuina zen eredu heuristikoa garatzera eraman zuen Planck. Iragarpen klasikoen eta emaitza enpirikoen arteko kontraesana uhin-luzera baxuetan, hondamendi ultramorea bezala ezagutzen da

Plancken legea (eredu kuantikoa)

Gorputz beltz batek $T\,$ tenperatura batekin $\nu \,$ maiztasunean igorritako erradiazioaren intentsitatea Plancken legeak ematen du:

$I(\nu ,T)={\frac {2h\nu ^{3}}{c^{2}}}{\frac {1}{\exp({h\nu }/kT)-1}}$

non $I(\nu ,T)\cdot \delta \nu \,$ $\nu \,$ eta $\nu +\delta \nu \,$ maiztasun tartean area unitate bakoitzeko, denbora unitate bakoitzeko eta angelu solidoko unitate bakoitzeko igorritako energia kopurua den; $h\,$ Plancken konstante bezala ezagutzen den konstante bat den; $c\,$ argiaren abiadura den eta $k\,$ Boltzmannen konstantea den.

$E(\nu ,T)\,$ gorputz baten igortze ahalmen $\nu \,$ eta $\nu +\delta \nu \,$ maiztasunen artean azalera unitateko igorritako erradiazio energia kopuruari deritzo.

$E(\nu ,T)=4\pi \cdot I(\nu ,T)={\frac {8\pi h\nu ^{3}}{c^{3}}}{\frac {1}{\exp({h\nu }/kT)-1}}$

Igorpen gehiena gertatzen den uhin luzera Wienen legeak ematen du, beraz, tenperatura igotzen den heinean, gorputz baten dizdira uhin luzerak gehitzen doa, geroz eta txikiagoak direnak, eta gorritik zurira pasatzen da, horitik morerako erradiazioak gehitzen doan heinean. Area unitateko igorritako potentzia Stefan-Boltzmannen legeak ematen du.

Rayleigh-Jeansen legea (Eredu klasikoa)

Plancken aurretik, Rayleigh-Jeansen legeak gorputz beltzaren portaera eredu klasikoa erabiliz eredutzen zuen. Honela, honako hau da gorputz beltzaren erradiazioa uhin luzera zehatz batean definitzen duen eredua:

B_{\lambda }(T)={\frac {2ckT}{\lambda ^{4}}}

non c argiaren abiadura den, k Boltzmannen konstantea eta T tenperatura absolutua.

Lege honek energia ekoizte infinito bat iragartzen du uhin luzera oso txikitan. Esperimentu bidez berresten ez den egoera honi hondamendi ultramore deritzo.

Gorputz beltz hurbiltzeak

Gorputz beltza objektu teoriko edo ideal bat da, baina zenbait eratara hurbil daiteke beregana:

Barrunbe isolatua

Posible da laborategian gorputz beltzarenarengandik oso hurbil dagoen portaera duten objektuak aztertzea. Horretarako, ganbera isolatu batean dagoen zulo txiki batetik datorren erradiazioa aztertzen da. Ganberak kanpoaldetik oso energia gutxi xurgatzen du, honek soilik zulo txikitik eragin baitezake. Alabaina, barrunbeak energia igortzen du gorputz beltz baten moduan. Igorritako argia barrunbearen barneko tenperaturaren araberakoa da, gorputz beltz baten igortze espektrua eratuz. Sistemak honela funtzionatzen du:

Zulotik sartzen den argiak urrunen dagoen horman eragiten du, non argi horren zati bat xurgatua den, eta beste bat angelu aleatorio baten isladatua eta hormaren beste zati batean eragiten du. Horretan, zati bat berriz xurgatua da eta bestea isladatua, eta isladatze bakoitzean argiaren zati bat barrunbearen hormek xurgatzen dute. Isladatze askoren ondoren, eragin duen energia guztia xurgatua izan da.

Aleazioak eta nanohodiak

Errekorren Guinness Liburuaren arabera, argia gutxien isladatzen duen substantzia (beste hitz batzuetan, substantziarik beltzena) fosforo eta nikelez osatutako aleazio bat da, NiP formula kimikoa duena. Substantzia hau, hasiera batean, ikertzaile indiar eta estatubatuarrek sortu zuten 1980an, baina Japoniako Anritsuk hobetu (ilunago fabrikatu) zuen 1990ean. Substantzia honek, eragiten dion argiaren soilik %0,16a isladatzen du, hau da, margo beltz arruntak baino 25 aldiz gutxiago.

2008an, Nanoletters aldizkari zientifikoan, gizakiak sortutako xurgatzaileena den karbonozko nanohodiz sortutako material bati buruzko artikulu bat argitaratu zen, honek soilik argiaren %0,045a isladatzen duelarik.

Benetako gorputzak eta gorputz gris hurbiltzeak

Benetako objektuek sekula ez dute gorputz beltz ideal bezala jokatzen. Horren ordez, maiztasun batean igorritako erradiazioa igorpen idealaren frakzio bat baino ez da. Material baten igortzetasunak gorputz erreala gorputz beltzaren erradiazioaren zein frakzio igor dezakeen adierazten du. Igortzetasuna erradiazioaren uhin luzeraren, azaleraren tenperaturaren, azaleraren amaituaren (leundua, herdoildua, garbia, zikina, berria, estalpegabetua, etab...) eta igortze angeluaren araberakoa da.

Kasuren batzuetan komeni da uhin luzera guztientzako igortzetasun balio konstante bat existitzen dela suposatzea, beti 1 baino gutxiago (gorputz beltz baten igortzetasuna dena). Hurbiltze honi gorputz gris hurbiltze deritzo. Kirchhoffen legeak oreka termodinamikoan igortzetasuna xurgatzetasunaren parekoa dela dio, hala, objektu honek, eragiten dion erradiazio guztia xurgatzeko gai ez dena, gorputz beltz ideal batek baino energia gutxiago ere igortzen duelarik.

Aplikazio astronomikoak

Astronomian, izarren igorpena gorputz beltz batera hurbiltzen da. Lotutako tenperatura tenperatura eraginkorra izenez ezagutzen da, izarren igorpena ezaugarritzeko oinarrizko propietatea.

Big Bang-etik etorritako hondoko mikrouhin kosmikoak gorputz beltz baten antzera jokatzen du. Igorpen horretan atzemandako aldaera txikiei, anisotropia deitzen zaie, eta oso garrantzitsuak dira unibertsoaren jatorrian zeuden masa-ezberdintasunak ezagutzeko.

Hawking erradiazioa zulo beltzek igortzen duten gorputz beltzaren erradiazioa da.

Gas, hauts kosmiko eta disko protoplanetarioen igorpena ere gorputz beltzekin lotuta dago, batez ere espektro elektromagnetikoko infragorri eta milimetriko eskualdean. Sistema planetarioak bilatzeko tresna garrantzitsuak dira

Kanpo estekak

Datuak: Q161424
Multimedia: Black body / Q161424