Musta kappale

Musta kappale on fysiikassa käytetty termi ideaalisesta kappaleesta, joka absorboi kaiken siihen kohdistuvan säteilyn^[1] eikä siis heijasta sitä lainkaan. Musta kappale asettuu ympäristönsä kanssa aina säteilytasapainoon, ja sen säteilyspektri riippuu vain sen sisäisestä lämpötilasta. Käytännössä musta kappale ei kuitenkaan ole väriltään musta, sillä pysyäkseen termisessä tasapainossa sen on emittoitava jatkuvasti absorboimansa energiamäärä säteilyä.

Esimerkiksi Aurinkoa ja muita tähtiä voidaan mallintaa varsin hyvällä tarkkuudella mustina kappaleina ja tämän avulla laskea muun muassa niiden terminen tasapaino.

Mustan kappaleen suurimman intensiteetin aallonpituus saadaan Wienin siirtymälaista ja intensiteetti Stefanin-Boltzmannin laista. Sen spektri saadaan Planckin säteilylaista.

Historia

Mustan kappaleen säteilyn voimakkuus eri lämpötiloissa

Klassinen fysiikka ei pystynyt selittämään mustan kappaleen lähettämän säteilyn spektrin muotoa. Tätä ongelmaa kutsuttiin ultraviolettikatastrofiksi: kun aallonpituus pienenee, klassisen teorian mukaan säteilyn energiatiheyden pitäisi kasvaa rajatta. Ongelmalle esitti ratkaisun vuonna 1900 Max Planck kvanttihypoteesillaan, jonka mukaan sähkömagneettinen säteily voi esiintyä vain tietynsuuruisina diskreetteinä paketteina, kvantteina. Tästä havainnosta ja Albert Einsteinin sille antamista tulkinnoista sai alkunsa kvanttimekaniikka.

Vantablack, mustin keinotekoinen pinta vuonna 2016.

Aurinko on erinomainen esimerkki mustasta kappaleesta. Sen lämpötila on ~5777 K.

Käytännön mustat kappaleet

Vuonna 2016 mustin valmistettu materiaali Vantablack on hiilinanoputkilla pinnoitettu alumiinipinta.^[2] Kun fotoni osuu kappaleen pintaan, se joutuu putkien väliin, jossa se heijastuu ja lopulta imeytyy kappaleeseen.^[2]

COBE-satelliitin mittaama kosmisen taustasäteilyn spektri on täydellisin luonnossa havaittu mustan kappaleen spektri.^[3] Virherajat ovat liian pienet erotettavaksi edes suurennetussa kuvassa, ja havaittu käyrä vastaa teoreettisesti johdettua Planckin säteilylakia lähes täydellisesti.

Teoria alkuräjähdyksestä perustuu kosmologiseen periaatteeseen, jonka mukaan maailmankaikkeus on homogeeninen ja isotrooppinen suurilla pituusskaaloilla. Teorian mukaan maailmankaikkeus oli sekunti syntymänsä jälkeen lähes täydellisesti lämpötasapainossa yli 10¹⁰ K lämpötilassa. Lämpötila laski kun maailmankaikkeus laajeni ja sen sisältämä säteily ja aine jäähtyivät. Nykyään havaittava kosminen taustasäteily on täydellisin luonnossa havaittu musta kappale, ja sen spektri vastaa tarkasti Planckin säteilylain antamaa spektriä noin 2,7 K lämpötilassa.^[3] Kosminen taustasäteily on myös lähes suuntariippumaton, niin että poikkeama isotrooppisuudesta on vain 1/100 000.

Lähteet

↑ Young & Freedman: University Physics with Modern Physics, 11. painos, s. 670. Pearson, 2004. ISBN 0-321-20469-7 (englanniksi)
↑ ^a ^b Tutkijat kehittivät mustasta vielä mustemman Tiede. Viitattu 9.3.2016.
↑ ^a ^b White, M.: Anisotropies in the CMB. Proceedings of the Los Angeles Meeting, DPF 99. UCLA., 1999. Artikkelin verkkoversio. See also arXive.org.

Aiheesta muualla

Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Musta kappale Wikimedia Commonsissa

[1] Young & Freedman: University Physics with Modern Physics, 11. painos, s. 670. Pearson, 2004. ISBN 0-321-20469-7 (englanniksi)

[:0-2] Tutkijat kehittivät mustasta vielä mustemman Tiede. Viitattu 9.3.2016.

[White-3] White, M.: Anisotropies in the CMB. Proceedings of the Los Angeles Meeting, DPF 99. UCLA., 1999. Artikkelin verkkoversio. See also arXive.org.

[1]

[2]

[3]