Излъчване на черно тяло - ∀ x, y, z

Абсолютно черно тяло, което напълно абсорбира електромагнитно излъчване с всякаква честота, когато се нагрява, излъчва енергия под формата на вълни, равномерно разпределени в целия честотен спектър

До края на 19 век учените, изучаващи взаимодействието на електромагнитното излъчване (по-специално светлината) с атомите на материята, се сблъскват със сериозни проблеми, които могат да бъдат решени само в рамките на квантовата механика, която в много отношения се ражда поради факта, че тези проблеми са възникнали. За да разберете първия и може би най-сериозния от тези проблеми, представете си голяма черна кутия с огледална вътрешност, с малка дупка, пробита в една от стените ѝ. Светлинен лъч, който влиза в кутията през микроскопичен отвор, остава вътре завинаги, отразявайки се безкрайно от стените. Обект, който не отразява светлината, а напълно я поглъща, изглежда черен, поради което обикновено се нарича черно тяло. (Перфектното черно тяло е - подобно на много други концептуални физически явления - чисто хипотетичен обект, въпреки че, например, куха, равномерно нагрята, огледална сфера отвътре, в която светлината влиза през една малка дупка, е добро приближение.)

Вероятно обаче сте виждали в действителност доста близки аналози на черно тяло. В огнището например се случва няколко трупи да са сгънати почти плътно и вътре в тях да изгори доста голяма кухина. Отвън трупите остават тъмни и не светят, докато топлината (инфрачервено лъчение) и светлината се натрупват вътре в изгорялата кухина и преди да избухнат, тези лъчи се отразяват многократно от стените на кухината. Ако погледнете в празнината между такива трупи, ще видите ярко жълто-оранжево високотемпературноблясък и оттам буквално ще пламнете от топлина. Просто лъчите са били уловени между трупите за известно време, точно както светлината се улавя напълно и се абсорбира от черната кутия, описана по-горе.

Моделът на такава черна кутия ни помага да разберем как се държи светлината, погълната от черно тяло, когато взаимодейства с атомите на неговата материя. Тук е важно да се разбере, че светлината се абсорбира от един атом, незабавно се излъчва от него и се абсорбира от друг атом, отново се излъчва и абсорбира и това ще се случи до достигане на състоянието на равновесно насищане. Когато черно тяло се нагрее до равновесно състояние, интензитетът на излъчване и поглъщане на лъчите вътре в черното тяло се изравнява: когато определено количество светлина с определена честота се абсорбира от един атом, друг атом някъде вътре едновременно излъчва същото количество светлина със същата честота. По този начин количеството абсорбирана светлина от всяка честота вътре в черно тяло остава същото, въпреки че се абсорбира и излъчва от различни атоми на тялото.

До този момент поведението на черното тяло остава доста ясно. Проблемите в рамките на класическата физика (под „класическа“ тук имаме предвид физиката преди появата на квантовата механика) започват с опитите да се изчисли радиационната енергия, съхранявана в черно тяло в равновесно състояние. И скоро станаха ясни две неща:

колкото по-висока е честотата на вълната на лъчите, толкова повече те се натрупват вътре в черното тяло (т.е. колкото по-къси са дължините на вълната на изследваната част от спектъра на радиационната вълна, толкова повече лъчи от тази част от спектъра вътре в черното тяло прогнозира класическата теория);

колкото по-висока е честотата на вълната, толкова повече енергия носи тя и съответно толкова повече се съхранява вътре в черното тяло.

Заедно, тези дваматаизводите доведоха до немислим резултат: радиационната енергия вътре в черното тяло трябва да е безкрайна! Тази зла подигравка със законите на класическата физика е наречена ултравиолетова катастрофа, тъй като високочестотното лъчение се намира в ултравиолетовата част на спектъра.

Редът е възстановен от немския физик Макс Планк (вижте константата на Планк) - той показа, че проблемът се отстранява, ако приемем, че атомите могат да абсорбират и излъчват светлина само на части и само на определени честоти. (По-късно Алберт Айнщайн обобщава тази идея, като въвежда концепцията за фотони - строго определени части от светлинното лъчение.) В тази схема много от честотите на излъчване, предвидени от класическата физика, просто не могат да съществуват в черно тяло, тъй като атомите не могат нито да ги абсорбират, нито да ги излъчват; съответно тези честоти се изключват от разглеждане при изчисляване на равновесното излъчване вътре в черно тяло. Оставяйки само приемливи честоти, Планк предотврати ултравиолетова катастрофа и насочи науката по пътя на истинското разбиране на структурата на света на субатомно ниво. Освен това той изчислява характерното честотно разпределение на равновесното излъчване на черно тяло.