物理学中的黑体辐射是什么东西黑体又是什么紫外灾变又是什么？太阳是黑体，如果向太阳发射一束光，会发生什么

本文目录

• 物理学中的黑体辐射是什么东西黑体又是什么紫外灾变又是什么
• 太阳是黑体，如果向太阳发射一束光，会发生什么
• 什么是黑体辐射，什么又是黑体呢

物理学中的黑体辐射是什么东西黑体又是什么紫外灾变又是什么

不论提问还是阅读这类问题的一定是24K纯理工男，今天我们就来聊聊黑体辐射这些事儿。

黑体辐射

我们知道绝对零度是不可能实现的，因而任何物体都能够不断地吸收、反射和辐射电磁波，但是黑体不一样，以一种“来者不拒”的电磁波终结者的气势，将所有辐射来的电磁波通通吸收而并不反射，这种现象就叫黑体辐射。值得注意的是黑体自身也能辐射电磁波。

黑体不是黑色的

日常生活中，黑色的物体是最容易吸收可见光的，但是可见光只是电磁波的一种，黑体的颜色并不是黑色的，实际中绝对的黑体并不存在，因为任何物质多少都会反射一些电磁波的，太阳是一个天然的黑体近似体，因为太阳是一个气态的星球，对于电磁波的反射很小。

科学家为了研究黑体辐射方便，设计出了一种近似的黑体，这种黑体长下图这样：

一个大的金属空腔，金属是可以屏蔽电磁波的，空腔表面开一个小洞，小洞面积远小于表面积，这样从小洞入口射入一束电磁波，这束电磁波就会在空腔内来回反射直至被全部吸收，这样就可认为是一个黑体。正是研究这个物体的能量密度和入射电磁波频率的关系过程中发现了紫外灾变现象。

紫外灾变现象

先后有好几位物理学大牛研究过黑体辐射，其中就有普朗克、维恩、瑞丽金斯等。如下图所示，瑞丽金斯公式在长波段的外射线上和实验测量值吻合得很好，但是在计算短波段的时候，用此公式算出来的能量密度是趋于无穷大的，与实验测量偏差很大，这个事件当时就被称为紫外灾变。实际上如果能量密度真的可以趋于无穷大也是很可怕的，一方面可能有益于人类，如应用在能源方面，另一方面还可能危害和平，如应用在武器领域。

我是核先生，今天的科普就到这里了，更多科普欢迎关注本号！

太阳是黑体，如果向太阳发射一束光，会发生什么

当我们仰望夜空，看到闪闪发光的星星时，我们的眼球会吸收星星发出的光子，并将它们转换成我们大脑可以处理的电信号。大多数情况下，我们眼睛能看到的光子（可见光）的传播时间在几十年到几千年之间，它们最终以电信号的形式进入了我们的大脑。

恒星在自然界中最近似黑体

原则上，一个来自恒星的光子在传播的过程中可以被任何东西吸收，而不仅仅是我们的眼球。然而，在自然界有些物体比其他物体更善于吸收光线，甚至有些物体能够吸收所有射入其表面的光线，吸收光的绝对冠军被我们称之为黑体，这个物理术语适用于任何完美吸收的物体。黑体由自身的热量而发光，因此一个黑体的发光颜色和其温度有着直接的关系。

上面的表述听起来像是一颗恒星？是的！恒星几乎是完美的黑体，它们是自然界中最接近黑体的物体之一。如果来自另一颗恒星的光子没有击中地球，而是击中了太阳，那么光子就会立即被太阳吸收。

为了理解光子接下来会发生什么？我们首先需要对太阳光是如何到达恒星表面有更多的了解。

恒星核心区，光子产生的地方

太阳大小的恒星一般可以分为三个部分。最里面的部分是核心区，核聚变就是在这里发生。在太阳的核心区高温和高压，导致原子核相互撞击的频率、能量非常大，这就足以将轻元素融合成更重的元素。对于像太阳这么大的恒星，在其主序星阶段唯一能融合的元素就是将氢原子聚变为氦原子。这也是恒星发生核聚变所需要的最低的温度和压力。在恒星聚变的过程中，会损失一小部分质量，转化为辐射能量，因此恒星会发光、发热。

恒星的核心实际上对光子是透明的，光子很容易就能从核心逃逸出来。如果你和你的朋友站在太阳核心的两边，你们甚至能互相看到对方。

辐射区，光子穿过这个区域至少需要几十万年

恒星的下一部分围绕着核心，被称为辐射区。辐射是一种将能量从一个区域转移到另一个区域的方法，它涉及到向每一个可能的方向发射光子。在生活中一般认为辐射能够治疗癌症治疗或被晒伤，但从根本上说，辐射是光子离开一个热的区域并带走一些能量，将这些能量储存在其他地方。我们在阳光下被晒伤时，光线离开太阳，并从太阳带走能量，将一部分能量传递给你的皮肤，但我们的皮肤并不喜欢这些能量。对于癌症治疗来说，高能量的光子具有很强的穿透能力（X射线或γ射线）并将能量传递到身体的特定部位杀死癌细胞。(但正常细胞也不喜欢这种辐射)

在太阳中，来自核心的光子击中辐射区域内层并被吸收。这个区域对光来说是不透明的，所以光子在这个区域是寸步难行，不断地被吸收，然后被辐射区域的原子“吐”出来。更糟糕的是，吸收了光子的原子并不是一致的向太阳表面发射光子，而是向随机方向发射，也就是说有些光子跌跌撞撞的可能已经快走出辐射层了，但又不幸被某个原子吸收后朝内层方向发射了出去，所以这更让光子难以穿透辐射层，所有的光子最终以所谓的“随机漫步”的方式走出辐射层。

随机发射可能会把光在带到一个特定的方向，然后反向，然后再反向，然后绕了一个圈，然后才离开辐射区。（甚至可能会让光子回到核心区，不得不在在辐射区重新开始往外走）。一般来说，考虑到辐射层的大小和周围吸收光子的原子数量，任何一个光子要想逃离太阳的辐射区至少需要十万年的时间。

对流区，光子离开太阳所经历的最后一个区域

太阳的下一个是对流区。对流是另一种传递能量的方法，但与辐射区不同，辐射区通过随机发射光子来传递能量，而对流涉及到了原子本身的运动，就像我们平时在家里烧水一样。离开辐射区的光子被对流区的原子吸收，然后原子被光子加热，开始上升，就像烧水时水锅里的气泡一样。事实上，如果我们用足够强大的望远镜观察的话，我们甚至可以直接看到太阳的气泡。

一旦原子上升到达太阳表面，光子就可以自由地离开太阳表面了，失去光子的原子又会下沉继续传递光子，下沉的过程只需要7天时间。当光子最终可以自由地从太阳中逃离时，就被称为光球层，实际上就是太阳的表面。在这之外，太阳确实有大气层，但很薄，在日全食时最容易看到太阳的大气层。

现在了解了太阳核心的光子是如何出来的，现在就可以回答：一束射到太阳表面的光，会发生什么？

太阳是完美的黑体，射线太阳表面的光会被吸收，光子会试图反向行进。如果光子想迅速地从太阳中被释放出来，最好的选择就是击中太阳表面特别热的部分，并且仍在上升。如果是这样的话，当光子被太阳表面吸收时，组成太阳的原子的运动会把能量保持在太阳表面附近，很可能光子会相对较快地从太阳表面弹回来。

还有就是光子的能量被吸入原子中，原子开始向太阳的中心回落。即使携带光子能量的原子一路返回到辐射带的边界，这个光子也不太可能再次进入辐射带，它必须先被原子释放，而原子更愿意再次回到太阳表面。

因此，射向太阳表面的光子最多会在太阳的对流层旅行一圈，最多持续14天左右的时间，然后被太阳释放。虽然核心内的光子需要几十万年才能从太阳中心到达表面，但任何来自外部的光都无法到达太阳那么远的地方进行长途旅行。

什么是黑体辐射，什么又是黑体呢

用风马牛不相及来形容黑体辐射和黑体是比较贴切的。虽然，它们都与光有关，都拥有一个黑字，即意味着不透明；但是，两者的物理机制却是截然不同的。所谓黑体，是指某物完全吸收光线，不反光。而黑体辐射则恰好相反，是指内部的光被完全封闭着且不被吸收，我们看不见其中的光亮。该物体只留出一个小孔对外发光。科学家们正是根据这一理想的物理模型，观测不同温度的光谱分布，进而研究能量的性质。

因此，黑体是普通物体，比较直观，只要能吸收所有频率的光，就是黑体。而黑体辐射则不然，其极具研究价值。如果能量是连续的，那么黑体辐射出来的光线就只是高能的紫外线；反之，如果能量是不连续的，则辐射出来的光线各种频率的都有。根据温度的不同，有一个分布曲线。这就好比是选举，如果按照财富选举，当选的人一定是最有钱的人；只有一人一票，则各种不同阶层的人都有机会当选。

在经典时期，根据机械的世界观，将不同的概念完全对立起来。于是，能量与物质是截然不同的。前者是连续和不确定的，后者则是不连续的实体，具有确定的质量和体积。然而，根据对黑体辐射的观测，其辐射出来的光线是全频率的，只是不同频率的强度有所不同，形成了一定的分布曲线。

无论是低频还是高频的光都很弱，只有与温度相对应的频率占绝大多数。这就好比是不同国家的人平均寿命是不同的，但无论平均寿命多少，短命和长寿的人都是存在的。只是他们的数量不多而已。因此，连续的能量受到了实验的挑战，被比喻为是飘在经典物理学晴朗天空上的一朵乌云。

为此，普朗克在其新建的黑体辐射公式中，引入了一个量纲为粒子角动量的物理常数h。于是，消除了紫外灾变。其原理是假设存在着不可再分的最小粒子，而能量是关于粒子运动能力的度量。所以，粒子的有限性，决定了能量的不连续性。

由此，奠定了量子力学的物理基础。我们的宇宙是由无数个不可再分的最小粒子构成的，该最小粒子被称为量子。于是，离散的量子构成物理背景，即量子空间；受到激发的量子成为不同频率的光子，属于能量的范畴；而由高能量子的运动所形成的封闭体系，就是各种基本粒子、原子和分子等不同层次的物体，属于物质的概念。

实际上，具有黑体辐射性质的物体比黑体更为普遍。就物质的定义而言，所有的物质都是由高能量子的运动所形成的封闭体系，它们都会因为其封闭性小于1，而对外辐射能量。

正是因为如此，万有引力才得以存在。因为，物质的热辐射，使量子空间形成了热的梯度分布。于是，两个物体相遇时，会受到空间量子的不对称碰撞，从而产生相互接近的趋势。这就好比两个漩涡相遇，汇集成了一个更大的漩涡，将漩涡内的物体向漩涡的中心挤压。

此外，即便是太阳和黑洞也都在进行着黑体辐射。这就是为什么，我们接收到的阳光早在百万年以前就产生了。其历经磨难，才有机会逃离太阳。否则的话，太阳就会因核聚变而爆炸。至于黑洞，由于存在着隧道效应，其中的光线都有机会逃离出来。只是，逃出的概率与光子的能量成正比关系。所以，真正能够逃出的只有高能的x射线。这就是为什么，科学家们认为x射电源是黑洞的原因。

总之，黑体是吸收光线，不反光；而黑体辐射则是不吸收光线，且不对外释放光线。这就好比，税务局与财政部的关系。前者只管收钱，后者则只管花钱。当然，在现实的世界，不存在绝对的物体。所以，黑体不黑，黑体辐射亦会不断地向外释放出各种频率的能量。只是，不同频率的光线所占比例不同，其与温度相关。例如，宇宙的微波背景辐射温度，决定了空间量子在不同能量上的分布。同是空间量子，它们所拥有的能量却并不是完全相同的。