Svart legeme

Utstråling fra svarte legemer av ulik temperatur.

Et svart legeme betegner i fysikken et legeme som absorberer alt lys og all elektromagnetisk stråling som treffer det uavhengig av frekvens eller innfallsvinkel. Ingen stråling passerer gjennom det eller reflekteres fra det. Betegnelsen «svart legeme» er litt misvisende i den forstand at legemet selv sender ut elektromagnetisk stråling, deriblant lys. Frekvensspekteret bestemmes av legemets temperatur og kalles varmestråling eller svart stråling. Jo varmere legemet er, desto høyere frekvenser og energier sendes ut. Solen er et vanlig eksempel på et tilnærmet svart legeme med temperatur ca. 5800 K , hvor mesteparten av strålingen er synlig lys. Termen «svart legeme» ble introdusert av fysikeren Gustav Kirchhoff i 1860. Frekvensspekteret til svarte legemer ble forklart av Max Planck i 1900 med Plancks strålingslov.

Temperaturen på en pahoehoestrøm av lava kan bestemmes omtrentlig på fargen til å ligge mellom 1 000–1 200 °C.

Svarte legemer med en temperatur under ca. 1 000 °C utstråler lite synlig lys. Et svart legeme som varmes opp over denne temperaturen begynner å produsere stråling innenfor den synlige delen av spekteret; først rødt, og deretter gjennom hele spekteret til blått etter hvert som temperaturen stiger. Et legeme som er varmt nok til å ha sin største strålingsintensitet innenfor kortere bølgelengder enn synlig lys, vil enda sende ut nok synlig lys til å stråle blått.

Den bølgelengden der strålingen fra et svart legeme er mest intens, er gitt ved Wiens forskyvningslov, og den totale energien som sendes ut pr. arealenhet er gitt ved Stefan-Boltzmanns lov. Begge disse lovene kan igjen forklares av Plancks strålingslov. Strålingen avgis i henhold til Plancks strålingslov, noe som betyr at den har et spekter som er bestemt at temperaturen alene, ikke av legemets form eller sammensetning.

Man kan i praksis lage et svart legeme ved å gå ut fra et vanlig legeme med en viss temperatur, men med et hulrom i seg. Hvis man så borer en liten åpning inn til dette hulrommet, vil åpningen være en liten flate som stråler som et sort legeme. Enhver stråling som treffer åpningen fra utsiden, vil gå inn i hulrommet hvor den vil bli reflektert en eller flere ganger eller bli absorbert. Chansen for at den kommer ut igjen gjennom åpningen, er minimal. Samtidig vil det lekke stråling ut gjennom åpningen. Dette er svart stråling med samme temperatur som legemet. På tysk blir den derfor også ofte kalt for Hohlraumstrahlung. Det var dette oppsettet man benyttet i de presise målingene som førte frem til Plancks strålingslov.

Virkelige legemer opptrer aldri som ideelle svarte legemer, og den utsendte strålingen fra et gitt legeme vil alltid være en brøk av hva den teoretiske strålingen ville ha vært. Hvor godt strålingen fra et stoff samsvarer med strålingen fra et svart legeme, kalles stoffets emissivitet. Det avviket som ikke-svarte overflater oppviser fra et ideelt svart legeme avhenger både av overflatens geometri og kjemiske sammensetning, og er gitt ved Kirchhoffs strålingslov. For øvrig er det samsvar mellom emissivitet og absorptivitet, slik at et legeme som bare absorberer en fraksjon av innkommende lys også sender ut en fraksjon av den strålingen som et svart legeme med samme temperatur gjør.

I astronomien blir stjerner i visse sammenhenger regnet som svarte legemer, i andre sammenhenger må en ta hensyn til at stjerner kan avvike fra et ideelt svart legeme. Den kosmiske bakgrunnsstrålingen fremviser derimot et nesten perfekt samsvar med stråling fra et svart legeme.

Et sort legeme i termisk likevekt, det vil si ved en konstant temperatur, sender ut elektromagnetisk stråling som kalles svart stråling. Et svart legeme i termisk likevekt har to bemerkelsesverdige egenskaper:

1. Det avgir like mye eller mer energi ved hver frekvens enn hvilket som helst annet legeme med samme temperatur.

2. Energien utstråles isotropt, uavhengig av retning.

Per definisjon har et svart legeme en emissivitet på ε = 1,0. En kilde med en lavere emissivitet uavhengig av frekvens er ofte omtalt som et «grått legeme». Et «hvitt legeme» er et legeme med en ujevn overflate som reflekterer alle treffende stråler fullstendig, og i alle retninger. I astronomi blir strålingen fra stjerner og planeter iblant karakterisert med hensyn til en effektiv temperatur, temperaturen til et svart legeme som vil avgi den samme totale energifluksen av elektromagnetisk energi.