黑體輻射

光譜

光譜 (Spectrum)
國立臺灣大學物理博士班嚴治平

光譜這個字最早是用於描述可見光經過稜鏡(prism)之後,各波長強弱分佈的影像(圖一)。一般的光譜可以分成離散譜跟連續譜兩種,而離散譜又分成吸收光譜與發射光譜。Spectrum這個英文字後來被廣泛應用描述於各種物理量的分佈,例如量測不同分子質量的多寡分佈情形稱作質譜(mass spectrum),而描述電子能量分佈時稱為電子能譜(electron energy spectrum)。

圖一 (a)黑體輻射的連續光譜、(b)氣體的離散吸收光譜、(c) 氣體的離散射光譜 (陳義裕繪)

圖一 (a)黑體輻射的連續光譜、(b)氣體的離散吸收光譜、(c) 氣體的離散射光譜 (陳義裕繪)

黑體輻射(Blackbody Radiation)研究歷程

黑體輻射(Blackbody Radiation)研究歷程
國立臺灣師範大學物理系吳幸璇碩士生/國立臺灣師範大學物理系蔡志申教授責任編輯

在二十世紀到來以前,當時物理學家認為,物理學發展已臻完全,但仍有兩處是物理學家尚未理解之處,當時稱之為物理學上的兩片烏雲,其中之一為黑體輻射,另外則是以太這個物質是否存在?而當這兩件事情的解決後則帶領我們至嶄新的領域,繼續探索物理學的奧妙。

黑體輻射的應用─紅外線攝溫顯像術

黑體輻射(Blackbody-radiation)的應用─紅外線攝溫顯像術
國立彰化高級中學姜志忠教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

紅外線攝溫影像術(Thermography, thermal imaging, or thermal video)乃藉由偵測電磁波譜中紅外線(波長約900-14000奈米)的輻射,進而形成電磁輻射的影像。依據「黑體輻射定律」,所有物體因其溫度會產生紅外線輻射,因此該技術可以在沒有可見光源照射的情況下「看見」周圍環境。物體產生的輻射會隨著溫度而增加(史蒂芬-波茲曼定律),藉此,紅外線攝溫顯像術可以觀測到溫度的變化。

黑體輻射

黑體輻射(Blackbody-radiation)
國立彰化高級中學姜志忠老師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

「黑體」這個名詞是科希荷夫(Gustav Kirchhoff)在1860年所提出,黑體所發射出來的電磁輻射稱之為「黑體輻射(Black-body radiation)」或「空腔輻射」(cavity radiation,因為早期利用一個金屬製的空腔來模擬黑體),對於該現象的仔細研究,逐漸形成量子力學的雛形,因此黑體輻射在量子力學中佔有相當特殊的地位。

海水表面溫度──黑體輻射的應用(二)

海水表面溫度──黑體輻射(Blackbody-radiation)的應用(二)
國立彰化高級中學姜志忠教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

連結:海水表面溫度──黑體輻射的應用(一)

然而,衛星測量還是存在許多難題待克服。首先,因為所有測量到的輻射都是從 $$0.01$$ 公釐深的海面輻射出來,無法代表整體海水表層,在白天因太陽照射所提升的溫度或者夜晚因為表面蒸發所導致的熱量散失而產生的溫度變化。這將造成與其他測量方式的研究數據無法進行比較。

海水表面溫度──黑體輻射的應用(一)

海水表面溫度──黑體輻射(Blackbody-radiation)的應用(一)
國立彰化高級中學姜志忠教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

「海水表面溫度(Sea surface temperature ,SST)」,雖然指的是海水「表面」的溫度,但在實務中,所謂的「表面」的真正意義,將會因為測量方法的不同而有所差異。如果利用衛星感測紅外線的方式間接測量,只能得到極表層(約 $$10$$ 微米)的溫度,若利用船隻搭載溫度計,則可測量數公尺海面下的溫度。