การแผ่รังสีของวัตถุดำ

การแผ่รังสีของวัตถุดำคือ การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าของวัตถุในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์เมื่อเทียบกับสิ่งแวดล้อม ซึ่งวัตถุหรืออนุภาคใดๆ ที่มีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์จะมีการแผ่รังสีความร้อนออกมาเสมอโดยปริมาณการแผ่รังสีของวัตถุนั้นจะมีสเปกตรัมและความเข้มที่มีค่าเฉพาะตัวที่มีความสัมพันธ์โดยตรงขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของวัตถุนั้น เราสามารถอนุมานวัตถุต่างๆ ที่มีการแผ่รังสีออกมาได้ด้วยตัวเองว่าเป็นวัตถุดำซึ่งโดยส่วนใหญ่ที่อุณหภูมิห้องการแผ่รังสีของวัตถุที่แผ่ออกมานั้นจะอยู่ในช่วงความยาวคลื่นของรังสีอินฟราเรดที่มีความเข้มต่ำทำให้ดวงตาของมนุษย์ที่ไวต่อการรับรู้สีขาวและสีดำเมื่ออยู่ในภาวะที่มีความเข้มแสงต่ำมองเห็นวัตถุที่แผ่รังสีในลักษณะนี้ออกมาเป็นสีดำ นอกจากนี้เมื่อวัตถุมีอุณหภูมิสูงขึ้นการแผ่รังสีของวัตถุก็จะปรากฎในช่วงความยาวคลื่นที่เข้าใกล้ช่วงวิสิเบิลอีกด้วย

As the temperature decreases, the peak of the black-body radiation curve moves to lower intensities and longer wavelengths. The black-body radiation graph is also compared with the classical model of Rayleigh and Jeans.

การอธิบายสเปกตรัมของการแผ่รังสีของวัตถุดำ

การแผ่รังสีของวัตถุดำเป็นการแผ่รังสีที่มีลักษณะเฉพาะตัวซึ่งความถี่ของสเปกตรัมนั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของวัตถุซึ่งสามารถอธิบายได้จาก Planck spectrum หรือ กฎของพลังค์ (Planck's law) สเปกตรัมที่ตำแหน่งจุดสูงสุดจะมีความถี่เฉพาะตัวโดยจะเปลี่ยนเป็นค่าความถี่สูงสุดตามการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ

เนื่องจากทฤษฎีฟิสิกส์แบบเดิมไม่สามารถอธิบายการแผ่รังสีของวัตถุที่เกิดขึ้นได้ ต่อมาในปี ค.ศ. 1900 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันที่ชื่อว่า แมกซ์ พลังค์ ได้นำเสนอได้นำเสนอทฤษฎีที่ใช้อธิบายการแผ่รังสีของวัตถุดำที่เกิดขึ้นในการทดลอง โดยได้นำเสนอแนวคิดว่า รังสีที่แผ่ออกมาจากวัตถุดำเกิดจากการที่อนุภาคในวัตถุนั้นสั่นด้วยความถี่ที่ขึ้นอยู่กับพลังงานของวัตถุ โดยพลังงานที่เกิดจากการสั่นจะมีค่าไม่ต่อเนื่องแต่จะเป็นจำนวนเต็มเท่าของความถี่มูลฐานเช่นเดียวกับคลื่นนิ่งที่เกิดจากการสั่นในเชือก ซึ่งสมการที่ใช้อธิบายแนวคิดของพลังค์มีใจความว่า

Planck in 1918, the year he received the Nobel Prize in Physics for his work on quantum theory

$E=nh\nu$

โดยที่

$E$ คือพลังงานของการแผ่รังสีของวัตถุ

$n$ คือจำนวนเต็มบวกใดๆ เรียกว่า เลขควอนตัม

$h$ คือค่าคงที่ของพลังค์ (มีค่าเท่ากับ $6.626\ 069\ 3(11)\times 10^{-34}\ {\mbox{J}}\cdot {\mbox{s}}$ )

$\nu$ คือความถี่ของคลื่นแสง

ทำให้ภายหลังมีนักวิทยาศาสต์ท่านอื่นนำแนวคิดจากทฤษฎีที่พลังค์นำเสนอไปใช้อธิบายปรากฏการณ์อื่นๆ ในระดับอนุภาคได้ เช่นการอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก การกระเจิงคอมตันป์ เรียกได้ว่า แมกซ์ พลังค์ ถือเป็นบิดาของวิชาควอนตัมที่ให้กำเนิดวิชาควอนตัมที่ใช้ในการศึกษาปรากฎการณ์ในระดับอนุภาคที่เป็นอยู่ในปัจจุบันนั่นเอง