วัตถุดำ (อังกฤษ: Black body) คือ วัตถุในอุดมคติที่สามารถดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มาตกกระทบได้ทุกช่วงความถี่ ไม่เกิดการสะท้อนและทะลุผ่านของคลื่น ทำให้วัตถุดำเป็นวัตถุที่มีค่าสัมประสิทธิ์การแผ่รังสีความร้อน (emissivity, ε) เท่ากับ 1 และเมื่อวัตถุดำอยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อน วัตถุดำจะแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ดูดกลืนไปออกมา[1]

ภาพจำลองของวัตถุดำ

แนวคิดที่ใกล้เคียงกับวัตถุดำมากที่สุดคือ วัตถุที่มีช่องขนาดเล็กมากและผนังด้านในสามารถดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ดีและขรุขระ ทำให้เมื่อมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านช่องเข้ามา มันจะสะท้อนไปมาอยู่ภายในและถูกดูดกลืนไปในที่สุด[2]

การทดลองการแผ่รังสีของวัตถุดำ

แก้

การอธิบายการแผ่รังสีของวัตถุดำ

แก้
 

เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ความยาวคลื่นที่มีความเข้มสูงสุดจะน้อยลง ในภาพนี้ยังเปรียบเทียบกับโมเดลแบบคลาสลิกของ เรเล่ย์ (Rayleigh) และ ยีน (Jeans)

ในการทดลอง สิ่งที่ใกล้เคียงที่สุดกับการแผ่รังสีของวัตถุดำ คือ การแผ่รังสีจากกล่องที่เจาะรูเล็กๆ แสงที่เข้าไปในรูจะสะท้อนไปมาในกล่องหลายครั้งก่อนที่จะออกมาซึ่งเหมือนกับการดูดซับ ไม่ว่าความยาวคลื่นแสงที่เข้าไปจะเป็นอะไร (ตราบเท่าที่ความยาวคลื่นสั้นกว่าขนาดของรู) ถ้าเราให้ความร้อนกับกล่อง สเปกตรัมจะต่อเนื่องและไม่ขึ้นกับวัสดุที่อยู่ในกล่อง ตามทฤษฎีที่พิสูจน์โดย คีร์คฮอฟฟ์ (Kirchhoff) กราฟนี้ขึ้นกับอุณหภูมิของกล่องเท่านั้น

ในปลายศตวรรษที่ 19 การคำนวณกราฟนี้เป็นความท้าทาย จนในที่สุดปัญหาก็ถูกไขได้โดย มักซ์ พลังค์ (Max Planck) ในปี ค.ศ. 1901

นักฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้อง

แก้
  • ปิแอร์ พรีโวสต์ (Pierre Prévost) ในปีค.ศ.1809 พรีโวสต์ตีพิมพ์ผลงานที่ชื่อว่า "Du calorique rayonnant"[3][4]ที่อธิบายถึงหลักการของการแผ่รังสีความร้อนรวมไปถึงความสัมพันธ์ของการแผ่รังสี การดูดกลืน และสมดุลความร้อน
  • บัลโฟร์ สจ๊วต (Balfour Stewart) ในปีค.ศ.1858 สจ๊วตตีพิมพ์ผลงานที่ชื่อว่า "An Account of Some Experiments on Radiant Heat, Involving an Extension of Prevost's Theory of Exchanges"[5] การทดลองของเขาแสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติของการดูดกลืนความร้อนและการแผ่รังสีความร้อนของวัสดุต่าง ๆ และอธิบายสมดุลความร้อนของการแผ่รังสีความร้อนระหว่างวัตถุ
  • กุสตาฟ เคอร์ชอฟฟ์ (Gustav Kirchhoff) ในปีค.ศ.1860 เคอร์ชอฟฟ์ตีพิมพ์ผลงานที่ชื่อว่า "Ueber das Verhältniss zwischen dem Emissionsvermögen und dem Absorptionsvermögen der Körper für Wärme und Licht"[6] ซึ่งอธิบายหลักการของการแผ่รังสีความร้อน ว่า ณ อุณหภูมิสมดุลความร้อน อัตราส่วนของพลังงานการแผ่รังสีความร้อน (emissive power) ต่อพลังงานที่ดูดกลืน (absorptive power) จะเท่ากันเสมอ ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความยาวคลื่นของการแผ่รังสี อีกทั้งเคอร์ชอฟฟ์ยังเสนอวัตถุทางอุดมคติที่สามารถดูดกลืนรังสีที่ตกกระทบได้ทั้งหมดและปลดปล่อยรังสีออกมาที่ความเข้มสูงสุดตามอุณหภูมิและความยาวคลื่นที่ได้รับมา

แหล่งอ้างอิง

แก้
  1. Mavani, Himanshu; Singh, Navinder (2024-08-07). "A Concise History of the Black-body Radiation Problem". Resonance. 29 (5): 645–670. doi:10.1007/s12045-024-0645-9. ISSN 0973-712X.
  2. "6.2: Blackbody Radiation". Physics LibreTexts (ภาษาอังกฤษ). 2016-11-01.
  3. Brace, D. B. (De Witt Bristol); Stewart, Balfour; Prévost, Pierre; Kirchhoff, Gustav Robert; Bunsen, Robert Wilhelm Eberhard (1901). The laws of radiation and absorption; memoirs by Prévost, Stewart, Kirchhoff, and Kirchhoff and Bunsen. University of California Libraries. New York, Cincinnati, American Book Company.
  4. Prévost, Pierre (1809). Du calorique rayonnant (ภาษาฝรั่งเศส). J.J. Paschoud.
  5. Stewart, Balfour (1861). "I.— An Account of some Experiments on Radiant Heat, involving an extension of Prevost's Theory of Exchanges". Transactions of the Royal Society of Edinburgh (ภาษาอังกฤษ). 22 (1): 1–20. doi:10.1017/S0080456800031288. ISSN 0080-4568.
  6. Kirchhoff, G. (1860). "Ueber das Verhältniss zwischen dem Emissionsvermögen und dem Absorptionsvermögen der Körper für Wärme und Licht". Annalen der Physik (ภาษาอังกฤษ). 185 (2): 275–301. doi:10.1002/andp.18601850205. ISSN 1521-3889.