อินฟราเรด • การแผ่รังสีของวัตถุสีดำ

วัตถุใดๆ ที่มีอุณหภูมิสูงกว่าศูนย์องศาสัมบูรณ์ (-273.15 °C) จะปล่อยพลังงานอินฟราเรด (ความร้อน) ตามอุณหภูมิ พลังงานอินฟราเรดที่ปล่อยออกมาจากวัตถุเรียกว่าการกระจายความร้อน

โดยทั่วไป ยิ่งวัตถุร้อนเท่าไหร่ก็จะยิ่งปล่อยรังสีออกมามากขึ้นเท่านั้น เครื่องถ่ายภาพความร้อนโดยพื้นฐานแล้วคือเซ็นเซอร์ความร้อนที่ตรวจจับและจับภาพความแตกต่างของอุณหภูมิเล็กน้อย โดยจะรวบรวมรังสีอินฟราเรดจากวัตถุและสร้างพิกเซลตามข้อมูลเกี่ยวกับความแตกต่างของอุณหภูมิเพื่อสร้างภาพ เนื่องจากวัตถุต่างๆ ไม่ค่อยมีอุณหภูมิเท่ากับวัตถุรอบข้าง กล้องถ่ายภาพความร้อนจึงสามารถตรวจจับความแตกต่างและสร้างคอนทราสต์ที่คมชัดในภาพถ่ายความร้อน ซึ่งเป็นหลักการพื้นฐานของการถ่ายภาพความร้อนอินฟราเรด

วัตถุใดๆ มีความสามารถในการแผ่รังสี ดูดซับ และสะท้อนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่ออกมาจะแตกต่างกันไปในแต่ละแถบ นั่นคือ มีการกระจายสเปกตรัมบางอย่าง การกระจายสเปกตรัมนี้เกี่ยวข้องกับลักษณะเฉพาะของวัตถุเองและอุณหภูมิของมัน ดังนั้นจึงเรียกว่าการแผ่รังสีความร้อน

วัตถุในชีวิตจริงแสดงคุณสมบัติการแผ่รังสีที่แตกต่างกัน ดังนั้นจึงปรากฏว่าปริมาตรรูปแบบของคุณสมบัติการแผ่รังสีในอุดมคติถูกพิจารณาเป็นอันดับแรก จากนั้นจึงนำไปใช้กับวัตถุที่เกิดขึ้นจริงเพื่อใช้อ้างอิง ปริมาตรรูปแบบนี้เรียกว่า "วัตถุดำ" ในฟิสิกส์การแผ่รังสี มีเอกลักษณ์เฉพาะตรงที่ว่า จากวัตถุทั้งหมดที่มีอุณหภูมิเท่ากัน จะแสดงการปล่อยรังสีที่มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

เพื่อที่จะศึกษา กฎของการแผ่รังสีความร้อนที่ไม่ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางกายภาพเฉพาะ นักฟิสิกส์จึงได้กำหนดวัตถุดำนี้ให้เป็นวัตถุมาตรฐานสำหรับการวิจัยการแผ่รังสีความร้อน

สิ่งที่เรียกว่าวัตถุดำหมายความว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตกกระทบทั้งหมดถูกดูดซับ ไม่มีการสะท้อนหรือส่งผ่าน (แน่นอนว่าวัตถุดำยังคงแผ่รังสีออกไป)

ภายใต้สภาวะใดๆ วัตถุที่ดูดซับรังสีภายนอกของความยาวคลื่นใดๆ ได้อย่างสมบูรณ์โดยไม่มีการสะท้อนใดๆ นั่นคือ วัตถุที่มีอัตราการดูดซับเท่ากับ 1

ในการแผ่รังสีของวัตถุดำ สีของแสงจะแตกต่างกันไปตามอุณหภูมิ และวัตถุดำจะแสดงกระบวนการเปลี่ยนแปลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปจากสีแดง, ส้มแดง, เหลือง, เหลืองขาว, ขาว, น้ำเงินขาว เมื่อสีของแสงที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดแสงดูเหมือนกับสีที่ปล่อยออกมาจากวัตถุดำที่อุณหภูมิหนึ่งๆ อุณหภูมิของวัตถุดำจะเรียกว่าอุณหภูมิสีของแหล่งกำเนิดแสง ยิ่งอุณหภูมิของ "วัตถุดำ" สูงขึ้นเท่าใด สเปกตรัมจะมีสีน้ำเงินมากขึ้นและสีแดงน้อยลงเท่านั้น

ตามกฎการแผ่รังสีของ Kirchhoff อัตราส่วนของพลังงานที่แผ่ออกมาโดยวัตถุในสมดุลความร้อนกับอัตราการดูดซับไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติทางกายภาพของวัตถุเอง แต่เกี่ยวข้องกับความยาวคลื่นและอุณหภูมิเท่านั้น ตามกฎการแผ่รังสีของ Kirchhoff ที่อุณหภูมิหนึ่งๆ วัตถุดำจะต้องเป็นวัตถุที่มีความสามารถในการแผ่รังสีมากที่สุด ซึ่งสามารถเรียกว่าตัวแผ่รังสีที่สมบูรณ์

การแผ่รังสีของวัตถุดำหมายถึงการแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาจากตัวปล่อยในอุดมคติ ซึ่งปล่อยรังสีในปริมาณที่มากที่สุดที่อุณหภูมิและความยาวคลื่นเฉพาะ ในเวลาเดียวกัน วัตถุดำเป็นวัตถุที่สามารถดูดซับรังสีที่ตกกระทบทั้งหมดและจะไม่สะท้อนรังสีใดๆ แต่ไม่จำเป็นว่าวัตถุดำจะต้องเป็นสีดำ ตัวอย่างเช่น ดวงอาทิตย์เป็นดาวเคราะห์ก๊าซ สามารถพิจารณาได้ว่ารังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มุ่งตรงไปยังดวงอาทิตย์นั้นสะท้อนกลับได้ยาก ดังนั้นดวงอาทิตย์จึงถือว่าเป็นวัตถุดำ (วัตถุดำสัมบูรณ์ไม่มีอยู่จริง) ในทางทฤษฎี วัตถุดำจะปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของทุกความยาวคลื่นบนสเปกตรัม