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흑체

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목차

1. 개요

흑체는 모든 입사 복사 에너지를 흡수하고 반사하지 않는 이상적인 물체이다. 1862년 구스타프 키르히호프가 처음 흑체라는 개념을 사용했으며, 19세기 후반 흑체 복사에 대한 연구를 통해 양자론이 시작되었다. 흑체는 슈테판-볼츠만 법칙, 빈의 변위 법칙, 레일리-진스 법칙, 플랑크 법칙 등과 밀접한 관련이 있으며, 플랑크의 양자 가설은 양자 역학의 발전에 기여했다. 흑체는 공동 복사, 흑체에 가까운 물질, 회색체 등으로 구현되며, 위장, 레이더 흡수체, 온도 측정 장치 등 다양한 분야에 응용된다. 블랙홀은 흑체와 유사한 특성을 가지며, 흑체 복사를 방출한다는 이론이 존재한다.

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흑체
개요
정의모든 전자기파를 흡수하는 이상적인 물리적 물체
특징입사하는 모든 전자기파를 흡수함 (반사 없음)
흡수한 에너지를 특정 스펙트럼 분포로 방출함 (흑체 복사)
흑체 복사 스펙트럼은 오직 온도에만 의존함
이상적인 흑체
흡수율1 (완벽한 흡수)
반사율0 (반사 없음)
투과율0 (투과 없음)
흑체 복사
스펙트럼온도에 따라 결정됨 (빈의 변위 법칙, 슈테판-볼츠만 법칙)
플랑크 법칙흑체 복사 스펙트럼을 정확하게 설명하는 법칙
활용
온도 측정복사 온도계를 이용한 물체 온도 측정
천문학별의 온도와 특성 연구
열공학열 시스템 설계 및 분석
관련 개념
회색체흑체의 근사적인 모델 (흡수율이 1보다 작음)
백체모든 전자기파를 완벽하게 반사하는 이상적인 물체

2. 역사

1862년 구스타프 키르히호프가 흑체라는 개념을 처음 사용했다.[9][10] 1860년 키르히호프는 무한히 얇은 완전히 흡수하는 표면층을 가진 완벽한 흑체의 이론적 개념을 도입했지만, 막스 플랑크는 흑체가 (i) 복사가 들어오도록 허용하지만 반사하지 않아야 하며, (ii) 입사된 복사를 흡수하고 재방출을 방지하기에 충분한 최소 두께를 가져야 하며, (iii) 복사가 들어와서 다시 튀어나가는 것을 방지하기 위해 산란에 대한 엄격한 제한을 만족해야 한다는 세 가지 요구 사항을 언급하며 이 아이디어에 대한 몇 가지 심각한 제한 사항을 지적했다.[9][10]

1879년 오스트리아의 물리학자 요제프 슈테판은 실험적으로 전체 복사 에너지가 절대온도의 네제곱에 비례한다는 사실을 발견하였다. 1884년 루트비히 볼츠만은 맥스웰 방정식을 사용하여 슈테판의 공식을 유도하였다. 이 법칙을 오늘날 '''슈테판-볼츠만 법칙'''이라고 부른다.

1886년 미국의 천문학자 랭글리는 적외선의 강도를 잴 수 있는 볼로미터(bolometer)를 개발해서 흑체 복사 연구의 발전에 기여했다.

1898년, 오토 뤼머와 페르디난트 쿨바움은 자신들이 개발한 공동 복사원에 대한 논문을 발표했다.[11] 그들의 설계는 백금 상자 벽에 뚫린 구멍으로, 조리개로 나뉘어 있으며 내부는 산화철로 검게 칠해져 있었고, 오늘날까지도 방사선 측정에 거의 변화 없이 사용되고 있다.[12] 1901년에 기술된 버전은 크롬, 니켈, 코발트 산화물 혼합물로 내부가 검게 칠해져 있었다.[13]

1905년 알베르트 아인슈타인은 막스 플랑크의 양자 가설을 바탕으로 광전 효과를 설명했다.

2. 1. 키르히호프의 복사 법칙

'''"복사파의 분포가 물체의 종류에 따라 다르지 않고, 오직 온도에만 의존한다."'''

한 물체가 뜨거워지면 열을 내게 되는데, 이를 복사(radiation)라고 부른다. 고체에서 방출되는 복사를 조사하면 여러 가지 파장 또는 진동수를 가진 빛으로 구성되어 있음을 알 수 있다. 어느 물체나 그 표면에 부딪히는 복사열의 일부는 흡수하고 나머지는 반사한다. 특히 표면에 부딪히는 모든 복사를 흡수하는 경우 이런 물체를 흑체(black body)라고 부른다. 물론 흑체는 자신이 가지고 있는 열 즉 복사열을 방출도 한다.

19세기말에 물리학자들은 흑체에서 어떻게 여러 가지 진동수를 가진 복사가 나오며 이들은 표면의 온도와 어떠한 관계가 있는가를 많이 연구하였고 복사의 연구로부터 양자론이 시작되었다.

이런 흑체에 대한 연구의 시작은 1850년대부터로 생각할 수 있다. 1859년말에서 1860년초에 구스타프 키르히호프(G. Kirchhoff, 1824-1887)는 '흑체복사강도의 분포는 벽의 물질이나 빈구멍(Cavity)의 모양, 크기와는 상관이 없고 오직 온도와 빛의 파장에만 관계된다는 것이다'는 것을 밝혔다. 즉, 같은 온도로 달구어진 물체는 돌이든 쇠든 방출하는 빛의 분포가 똑같다는 것이다.

하지만 당시의 실험이나 이론물리학 수준으로는 다양한 온도와 파장에 걸쳐 키르히호프가 정의한 열복사의 강도를 정확하게 기술하기란 쉬운 일이 아니었다.

1860년 키르히호프(Kirchhoff)는 무한히 얇은 완전히 흡수하는 표면층을 가진 완벽한 흑체(black body)의 이론적 개념을 도입했지만, 막스 플랑크(Planck)는 이 아이디어에 대한 몇 가지 심각한 제한 사항을 지적했습니다. 플랑크는 흑체에 대한 세 가지 요구 사항을 언급했습니다. 즉, 흑체는 (i) 복사가 들어오도록 허용하지만 반사하지 않아야 하며, (ii) 입사된 복사를 흡수하고 재방출을 방지하기에 충분한 최소 두께를 가져야 하며, (iii) 복사가 들어와서 다시 튀어나가는 것을 방지하기 위해 산란에 대한 엄격한 제한을 만족해야 한다.[9][10] 결과적으로, 입사되는 모든 복사를 흡수하는 키르히호프의 완벽한 흑체는 무한히 얇은 표면층에서는 실현될 수 없으며, 흑체 내부의 빛 산란에 대한 만족시키기 어려운 조건을 부과한다.

2. 2. 슈테판-볼츠만 법칙

키르히호프가 복사법칙을 발견하였지만, 당시의 이론물리학 수준으로는 키르히호프의 복사 법칙을 정확하게 기술하기에 어려움이 있었다. 열복사 문제는 맥스웰의 전자기학과 별개로 취급되었기 때문이다.

1879년 오스트리아의 물리학자 요제프 슈테판(요제프 슈테판/Josef Stefande, 1835-1893)은 실험적으로 전체 복사 에너지가 절대온도의 네제곱에 비례한다는 사실을 발견하였다. 1884년 오스트리아의 물리학자 루트비히 볼츠만은 맥스웰 방정식을 사용하여 슈테판의 공식을 유도하였다. 이 법칙을 오늘날 '''슈테판-볼츠만 법칙'''이라고 부른다.

1886년 미국의 천문학자인 랭글리(S. P. Langley, 1834-1906)는 적외선의 강도를 잴 수 있는 볼로미터(bolometer)를 개발해서 흑체구리에서 발생하는 에너지와 태양에서 발생하는 에너지를 비교하는 실험을 통해 정량적인 흑체 복사 법칙을 발전시킬 수 있는 토대를 마련해 주었다. 랭글리의 실험은 여러면에서 정성적이고 상당히 엉성한 것이었지만, 곧 여러 사람들에 의하여, 실험적 차원에서 더욱 정교한 정량적 수준으로 발전했다. 그리고 1888년 하인리히 헤르츠가 전자기파의 존재를 발견한 뒤에야 많은 사람들은 가시 광선이나 열복사에 맥스웰의 전자기 법칙을 적용하기 시작할 수 있었다.

흑체 온도에 따른 최대 방출 파장 및 복사 휘도의 로그-로그 그래프 – 붉은색 화살표는 5780 K 흑체가 501 nm의 최대 파장과 63.3 MW/m2의 복사 휘도를 가짐을 보여줌


모든 주파수에 걸쳐 플랑크 법칙을 적분하면 온도 ''T''로 유지되는 흑체가 단위 면적당 단위 시간당 방출하는 총 에너지를 제공하며, 이는 슈테판-볼츠만 법칙으로 알려져 있다.

:P/A = \sigma T^4 \ ,

여기서 ''σ''는 슈테판-볼츠만 상수이며, 일정한 온도 ''T''에서 열적 평형을 유지하려면 흑체는 주어진 면적 ''A''에 대해 이 양의 일률 ''P''를 흡수하거나 내부적으로 생성해야 한다.

열복사로 인한 물체의 냉각은 종종 "회색체" 방사율 (''ε'' ≤ 1) 을 추가한 슈테판-볼츠만 법칙을 사용하여 근사한다. 방출체의 온도 감소율은 방출된 일률과 물체의 열용량으로부터 추정할 수 있다. 이 방법은 물체가 냉각되는 동안 물체 내부에서 발생하는 열 재분배 메커니즘(변화하는 조성, 상전이 또는 물체의 재구조화를 포함할 수 있음)의 세부 사항을 무시하고 각 순간에 물체가 단일 온도로 특징지어진다고 가정하는 단순화된 방법이다. 또한 온도에 따른 방사율의 변화, 그리고 다른 동반 에너지 방출 형태, 예를 들어 중성미자와 같은 입자 방출의 역할과 같은 다른 가능한 복잡한 요소들을 무시한다.

뜨거운 방출체가 슈테판-볼츠만 법칙을 따르고 그 일률 방출 ''P''와 온도 ''T''가 알려져 있다고 가정하면, 이 법칙을 사용하여 방출체의 크기를 추정할 수 있다. 왜냐하면 총 방출 일률은 방출 표면의 면적에 비례하기 때문이다. 이러한 방식으로 천문학자들이 관측한 X선 폭발이 처음 추측되었던 블랙홀이 아니라 반지름이 약 10km인 중성자별에서 발생했다는 것을 알게 되었다. 크기를 정확하게 추정하려면 특히 그 분광 및 각도 의존성에 대한 방사율에 대한 어느 정도의 지식이 필요하다.

2. 2. 1. 슈테판-볼츠만 법칙의 유도

동공 속의 에너지 밀도 u는 에너지 밀도를 모든 진동수에 대해 적분하여 얻을 수 있다.

: u = \int_{0}^{\infty} u(\nu)d\nu

: = \int_{0}^{\infty}\frac{8\pi h\nu^3}{c^3}\cdot\frac{1}{e^{\frac{h\nu}{kT}}-1}d\nu

: = \frac{8\pi^5k^4}{15c^3h^3}T^4 =aT^4

여기서 a는 보편적인 상수이다. 총 에너지 밀도는 동공 벽의 절대온도의 4제곱에 비례한다. 그러므로, 어떤 물체가 단위 시간당, 단위 면적당 복사하는 에너지 R역시 T^4 에 비례한다고 기대할 수 있을 것이다. 이를 슈테판-볼츠만 법칙이라고 한다.

2. 3. 빈의 변위 법칙

빈의 변위 법칙은 흑체 복사 스펙트럼에서 에너지 밀도가 최대가 되는 파장이 흑체의 온도에 반비례한다는 법칙이다.

2. 4. 레일리-진스 법칙

1900년 6월 존 윌리엄 스트럿 레일리는 빈의 미지함수가 상수임으로 보였는데, 고전물리학적 개념을 사용한 이 공식의 완전한 유도는 1905년 레일리와 진스(J. Jeans)에 의하여 이루어졌다. 흑체복사 스펙트럼을 설명하기 위해, 레일리와 진스는 흑체복사를 온도 T에서 복사가 채워진 공동 (cavity)으로 생각하는 것으로부터 시작하여 고전적인 계산을 하였다.

레일리-진스 법칙은 고전적인 전자기학과 통계역학을 이용하여 유도되었다.

2. 4. 1. 레일리-진스 법칙의 유도

레일리-진스 법칙은 고전적인 전자기학과 통계역학을 이용하여 유도되었다.

2. 5. 플랑크 법칙

1900년 12월, 플랑크는 흑체 복사의 측정 자료와 일치하는 결과를 얻기 위해 방출되는 빛의 에너지가 특정 상수(h)와 진동수를 곱한 값의 정수배로만 주어진다고 가정하였다. 이는 빛의 에너지가 연속적인 값을 갖는다는 고전적 개념과 배치되는 플랑크의 양자가설(Quantum hypothesis)이었다.

플랑크는 올바른 공식을 얻었지만, 공동 벽에 있는 진동자의 에너지를 nh\nu가 아닌 \epsilon_n = (n + \frac{1}{2})h\nu로 보아야 한다는 현대적 관점에서는 그의 공식 유도에 결함이 있었다. 정당한 절차는 공동 내 전자기파를 광자 가스로 생각하고, 광자의 스핀이 1이므로 보스-아인슈타인 분포를 적용하는 것이다.

플랑크의 양자화 가정은 진동자가 가질 수 있는 에너지(''E'')는 진동수(''ν'')의 정수배에 비례해야 한다는 것이었다. (E = nh\nu (n = 0, 1, 2, ...)) 이 비례 상수 ''h'' = 6.626×10-34 [J·s]는 플랑크 상수라 불리며 물리학의 기본 상수가 되었다. 이는 물리량이 연속적인 값을 가진다는 고전 역학과는 반대되는 가정이었지만, 1905년 알베르트 아인슈타인이 플랑크의 양자화 가정과 광자 개념을 사용하여 광전 효과를 설명하면서 양자 역학이 구축되게 되었다.

플랑크는 고전물리학을 거부할 의사가 없었던 보수적인 인물이었다. 그는 아인슈타인의 상대성이론은 높게 평가했지만, 자신의 업적과 관련 있는 아인슈타인의 광양자 가설에는 회의적인 입장을 보였다. 그는 고전 양자론의 시작을 알렸지만, 양자역학의 철학적 해석인 비결정론에 대해서는 아인슈타인과 마찬가지로 받아들이지 않았다.

2. 5. 1. 플랑크 법칙과 양자 역학

1900년 12월, 플랑크는 흑체 복사의 측정 자료와 일치하는 결과를 얻기 위해 방출되는 빛의 에너지가 특정 상수(h)와 진동수를 곱한 값의 정수배로만 주어진다고 가정하였다. 이는 빛의 에너지가 연속적인 값을 갖는다는 고전적 개념과 배치되는 플랑크의 양자가설(Quantum hypothesis)이었다.

플랑크는 올바른 공식을 얻었지만, 공동 벽에 있는 진동자의 에너지를 nh\nu가 아닌 \epsilon_n = (n + \frac{1}{2})h\nu로 보아야 한다는 현대적 관점에서는 그의 공식 유도에 결함이 있었다. 정당한 절차는 공동 내 전자기파를 광자 가스로 생각하고, 광자의 스핀이 1이므로 보스-아인슈타인 분포를 적용하는 것이다.

플랑크의 양자화 가정은 진동자가 가질 수 있는 에너지(''E'')는 진동수(''ν'')의 정수배에 비례해야 한다는 것이었다. (E = nh\nu (n = 0, 1, 2, ...)) 이 비례 상수 ''h'' = 6.626×10-34 [J·s]는 플랑크 상수라 불리며 물리학의 기본 상수가 되었다. 이는 물리량이 연속적인 값을 가진다는 고전 역학과는 반대되는 가정이었지만, 1905년 알베르트 아인슈타인이 플랑크의 양자화 가정과 광자 개념을 사용하여 광전 효과를 설명하면서 양자 역학이 구축되게 되었다.

플랑크는 고전물리학을 거부할 의사가 없었던 보수적인 인물이었다. 그는 아인슈타인의 상대성이론은 높게 평가했지만, 자신의 업적과 관련 있는 아인슈타인의 광양자 가설에는 회의적인 입장을 보였다. 그는 고전 양자론의 시작을 알렸지만, 양자역학의 철학적 해석인 비결정론에 대해서는 아인슈타인과 마찬가지로 받아들이지 않았다.

3. 흑체의 구현

단열된 공간에 있는 작은 구멍으로 흑체를 근사적으로 구현한 모습


흑체의 '구현'이란 실제 세계의 물리적 구현체를 말한다.

== 공동(Cavity) 복사 ==

벽이 복사에 대해 불투명한 공동(cavity)에 작은 구멍을 뚫은 것은 흑체 표면의 모델로 널리 사용된다. 구멍에 입사하는 복사는 공동 내부로 들어가고, 공동이 크다면 재방출될 가능성이 매우 낮아, 구멍은 완벽한 흑체 표면처럼 작동한다. 하지만 입사 복사의 파장이 구멍의 지름보다 크면 일부가 반사되는등 완벽한 흑체는 아니다.

공동이 일정한 온도로 유지되고, 공동 내부에 갇힌 복사가 열평형 상태에 있다고 가정하면, 구멍을 통해 빠져나가는 복사는 흑체 복사에 근사하며, 이는 온도 ''T''의 특징적인 에너지 분포를 보인다.

어떤 시점에서 공동 내부의 복사는 열평형 상태에 있지 않을 수도 있지만, 열역학 제2법칙에 따르면 결국 평형 상태에 도달한다. 다만, 평형 상태에 도달하는 데 걸리는 시간은 매우 길 수 있다.

1898년, 오토 뤼머와 페르디난트 쿨바움은 자신들이 개발한 공동 복사원에 대한 논문을 발표했는데,[11] 그들의 설계는 오늘날까지도 방사선 측정에 거의 변화 없이 사용되고 있다. 백금 상자 벽에 뚫린 구멍으로, 조리개로 나뉘어 있으며 내부는 산화철로 검게 칠해져 있었다. 이는 플랑크 법칙의 발견으로 이어진 점진적인 측정 개선에 중요한 요소였다.[12]

충분히 큰 공동을 만들고, 모든 전자파를 차단하는 벽으로 둘러싼 뒤, 작은 구멍을 뚫으면, 구멍을 통해 들어온 전자파는 다시 나오기 힘들다. 즉, 이 공동은 외부에서 입사하는 전자파를 (거의) 완전히 흡수하는 흑체로 간주할 수 있다.

이 공동에서 나오는 열 등의 복사를 '''공동 복사'''라고 한다. 공동 복사는 유리 공방에서 유리를 가열하는 로와 같은 예시가 있으며, 산업혁명 이후 제철업 등에서 로 내부의 온도 측정을 위해 공동 복사 이론이 사용되었다.[16]

== 흑체에 가까운 물질 ==

흑체에 가까운 물질은 위장, 레이더 흡수체, 태양 에너지 수집기, 적외선 열 검출기 등 다양한 분야에 활용된다. 고온의 흑체는 효율적인 적외선 히터 역할을 하며, 특히 우주 또는 진공 환경에서 유용하다. 망원경과 카메라에서는 반사 방지 표면으로 사용되어 잡광을 줄이고, 항성 주위를 공전하는 행성 관측과 같이 고대비 영역의 물체에 대한 정보를 얻는 데 활용된다.[14]

오랫동안 등불 검댕 코팅이 물체를 거의 검게 만든다는 사실이 알려져 왔다. 등불 검댕보다 더 나은 것은 제조된 탄소 나노튜브이다. 나노 다공성 물질은 진공에 가까운 굴절률을 달성할 수 있으며, 한 경우 평균 반사율 0.045%를 얻었다. 2009년 일본 과학자팀은 수직으로 정렬된 단일벽 탄소 나노튜브를 기반으로 이상적인 흑체에 가까운 난흑색(nanoblack)이라는 물질을 개발했다. 이 물질은 자외선에서 원적외선 영역까지의 스펙트럼 범위에서 유입되는 빛의 98~99%를 흡수한다.

거의 완벽한 흑체 물질의 다른 예로는 초흑색(super black)이 있는데, 이는 니켈-인 합금을 화학적으로 에칭하여 제조된다. 수직 정렬 탄소 나노튜브 어레이((Vantablack)과 같은) 및 꽃 모양의 탄소 나노 구조체도 있다.[14]

== 회색체 ==

회색체는 방사율이 주파수에 의존하지 않는 이상적인 물체이다. 산업 제품 등의 설계에서는 대상의 온도 범위가 제한되어 있으므로, 종종 회색체를 흑체의 근사 모델로 사용한다. 회색체는 흑체의 방사율을 1보다 작은 상수로 한 것과 같으며, 흑체보다 현실적인 모델을 제공한다.

3. 1. 공동(Cavity) 복사

벽이 복사에 대해 불투명한 공동(cavity)에 작은 구멍을 뚫은 것은 흑체 표면의 모델로 널리 사용된다. 구멍에 입사하는 복사는 공동 내부로 들어가고, 공동이 크다면 재방출될 가능성이 매우 낮아, 구멍은 완벽한 흑체 표면처럼 작동한다. 하지만 입사 복사의 파장이 구멍의 지름보다 크면 일부가 반사되는등 완벽한 흑체는 아니다.

공동이 일정한 온도로 유지되고, 공동 내부에 갇힌 복사가 열평형 상태에 있다고 가정하면, 구멍을 통해 빠져나가는 복사는 흑체 복사에 근사하며, 이는 온도 ''T''의 특징적인 에너지 분포를 보인다.

어떤 시점에서 공동 내부의 복사는 열평형 상태에 있지 않을 수도 있지만, 열역학 제2법칙에 따르면 결국 평형 상태에 도달한다. 다만, 평형 상태에 도달하는 데 걸리는 시간은 매우 길 수 있다.

1898년, 오토 뤼머(Otto Lummer)와 페르디난트 쿨바움(Ferdinand Kurlbaum)은 자신들이 개발한 공동 복사원에 대한 논문을 발표했는데,[11] 그들의 설계는 오늘날까지도 방사선 측정에 거의 변화 없이 사용되고 있다. 백금 상자 벽에 뚫린 구멍으로, 조리개로 나뉘어 있으며 내부는 산화철로 검게 칠해져 있었다. 이는 플랑크 법칙의 발견으로 이어진 점진적인 측정 개선에 중요한 요소였다.[12]

충분히 큰 공동을 만들고, 모든 전자파를 차단하는 벽으로 둘러싼 뒤, 작은 구멍을 뚫으면, 구멍을 통해 들어온 전자파는 다시 나오기 힘들다. 즉, 이 공동은 외부에서 입사하는 전자파를 (거의) 완전히 흡수하는 흑체로 간주할 수 있다.

이 공동에서 나오는 열 등의 복사를 '''공동 복사'''라고 한다. 공동 복사는 유리 공방에서 유리를 가열하는 로와 같은 예시가 있으며, 산업혁명 이후 제철업 등에서 로 내부의 온도 측정을 위해 공동 복사 이론이 사용되었다.[16]

3. 2. 흑체에 가까운 물질

흑체에 가까운 물질은 위장, 레이더 흡수체, 태양 에너지 수집기, 적외선 열 검출기 등 다양한 분야에 활용된다. 고온의 흑체는 효율적인 적외선 히터 역할을 하며, 특히 우주 또는 진공 환경에서 유용하다. 망원경과 카메라에서는 반사 방지 표면으로 사용되어 잡광을 줄이고, 항성 주위를 공전하는 행성 관측과 같이 고대비 영역의 물체에 대한 정보를 얻는 데 활용된다.[14]

오랫동안 등불 검댕 코팅이 물체를 거의 검게 만든다는 사실이 알려져 왔다. 등불 검댕보다 더 나은 것은 제조된 탄소 나노튜브이다. 나노 다공성 물질은 진공에 가까운 굴절률을 달성할 수 있으며, 한 경우 평균 반사율 0.045%를 얻었다. 2009년 일본 과학자팀은 수직으로 정렬된 단일벽 탄소 나노튜브를 기반으로 이상적인 흑체에 가까운 난흑색(nanoblack)이라는 물질을 개발했다. 이 물질은 자외선에서 원적외선 영역까지의 스펙트럼 범위에서 유입되는 빛의 98~99%를 흡수한다.

거의 완벽한 흑체 물질의 다른 예로는 초흑색(super black)이 있는데, 이는 니켈-인 합금을 화학적으로 에칭하여 제조된다. 수직 정렬 탄소 나노튜브 어레이((Vantablack)과 같은) 및 꽃 모양의 탄소 나노 구조체도 있다.[14]

3. 3. 회색체

회색체는 방사율이 주파수에 의존하지 않는 이상적인 물체이다. 산업 제품 등의 설계에서는 대상의 온도 범위가 제한되어 있으므로, 종종 회색체를 흑체의 근사 모델로 사용한다. 회색체는 흑체의 방사율을 1보다 작은 상수로 한 것과 같으며, 흑체보다 현실적인 모델을 제공한다.

4. 흑체의 응용

흑체는 망원경과 카메라에서 반사 방지 표면으로 사용되어 잡광을 줄이고, 고대비 영역의 물체에 대한 정보를 수집하는 데 유용하다. 우주 마이크로파 배경 복사는 "자연에서 측정된 가장 완벽한 흑체"이며, 약 2.7 K의 온도에서 거의 이상적인 플랑크 스펙트럼을 가진다. 이는 빅뱅 이론의 중요한 증거로 활용된다.

모든 주파수에 걸쳐 플랑크 법칙을 적분하면 온도 ''T''로 유지되는 흑체가 단위 면적당 단위 시간당 방출하는 총 에너지를 제공하며, 이는 슈테판-볼츠만 법칙으로 알려져 있다.

흑체의 열복사 현상을 이용하여 물체를 냉각하는 기술인 복사 냉각이 있다. 뜨거운 방출체가 슈테판-볼츠만 법칙을 따르고 그 일률 방출 ''P''와 온도 ''T''가 알려져 있다고 가정하면, 이 법칙을 사용하여 방출체의 크기를 추정할 수 있다.

흑체는 복사 온도계, 열화상 카메라 등 온도 측정 장치에 활용된다.

5. 현대 물리학적 관점에서의 흑체

블랙홀은 빛을 포함한 어떤 것도 빠져나올 수 없는 시공간 영역이다. 블랙홀 주위에는 사건 지평선이라는 수학적으로 정의된 표면이 존재하며, 이는 돌아올 수 없는 지점을 나타낸다. 사건 지평선에 부딪히는 모든 빛을 흡수하고 아무것도 반사하지 않기 때문에 "블랙"(검정)이라고 불리며, 거의 이상적인 흑체와 유사하다. (구멍의 지름과 같거나 더 큰 파장의 복사는 흡수되지 않을 수 있으므로 블랙홀은 완벽한 흑체는 아니다).

물리학자들은 외부 관찰자에게 블랙홀이 0이 아닌 온도를 가지며 흑체 복사를 방출한다고 예측하며, 결국 증발한다고 믿는다. 이 방출 메커니즘은 진공 요동과 관련이 있다. 가상 입자쌍이 블랙홀의 중력에 의해 분리되어 한 입자는 블랙홀로 흡수되고 다른 입자는 방출된다. 방출 에너지 분포는 온도 ''T''를 갖는 플랑크 법칙으로 설명된다.

:T=\frac {\hbar c^3}{8\pi Gk_\text{B}M} \ ,

여기서 ''c''는 광속, ℏ는 환산 플랑크 상수, ''k''B는 볼츠만 상수, ''G''는 중력 상수, ''M''은 블랙홀의 질량이다. 이러한 예측은 아직 관측이나 실험으로 검증되지 않았다.

참조

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