黒体

黒体とは

黒体（こくたい、英: black body）または完全放射体（かんぜんほうしゃたい、英: full radiator）とは、あらゆる波長の電磁波を完全に吸収し、また放射する想像上の物体です。この黒体は実在しない理想的な概念ですが、物理学や熱力学の根底にある重要なモデルとなっています。

黒体の特徴

黒体の最も重要な特徴は、どの波長の光も反射せず、全て吸収してしまうことです。このような物体は実際には存在しませんが、最も黒体に近い物質でも99.995%もの光を吸収できるものが発見されています。そのため、実質的に黒体の性質を持つ物体を用いて研究が行われます。

物体の温度が変わると、放射される光の色も変化します。これは色がさまざまな波長の光の混合によって形成されるためです。温度に応じた波長別の放射強度の変化は、スペクトル分析により確認されています。この放射を「黒体放射」（黒体輻射）と呼び、特に黒体からの放射は温度によって特定のパターンを示します。

プランク分布とシュテファン＝ボルツマンの法則

ある温度 T において、特定の波長 λ での放射強度 B(λ) は次の式で表されます：

$$
B(\lambda )={\frac {2hc^{2}}{\lambda ^{5}}}{\frac {1}{e^{hc/\lambda kT}-1}}
$$

この式はプランク分布と呼ばれ、全波長での黒体放射を積分することで、黒体の放射エネルギーは温度の4乗に比例することが示されます。これをシュテファン＝ボルツマンの法則と呼びます。また、B(λ)が最大となる波長を求めることによって、温度が上昇するほど放射強度の最大波長が短くなることが示され、これがウィーンの変位則として知られています。

空洞放射

空洞放射は、黒体の概念を具現化したものの一つです。十分に深い空洞を持ち、その壁が外部の電磁波を遮断すると、空洞内部はあらゆる波長の電磁波を吸収する黒体として機能します。この理論は、ガラス工房の炉や製鉄業などの分野で利用されており、温度測定に重要な役割を果たしています。

黒体放射と量子力学

黒体放射は、温度によって光の色合いが赤から青白く変わる特徴を持つことでも知られています。温度はケルビン（K）で表され、高温の物体からは青白い光が出ることが観察されています。1859年にはグスタフ・キルヒホッフが空洞放射についての重要な法則を発見し、その後1900年にマックス・プランクによってプランク分布が導入され、黒体放射の理解が進みました。

プランクの法則に基づくと、黒体が放出するエネルギー E は振動数 ν の整数倍に比例する必要があります。この概念に基づく定数 h はプランク定数と呼ばれ、量子力学の基礎を見出すことになりました。アルベルト・アインシュタインはこの理論を基に光電効果を説明し、量子力学の発展に寄与しました。

灰色体と実用例

工業製品の設計では、放射率が定数である灰色体（かいしょくたい）を利用することがあります。これは黒体の放射率を1未満の定数にしたもので、より実際の条件に合ったモデルを提供します。

黒体の概念は、放射温度計やサーモグラフィーなどの技術にも応用されています。これらの技術は、温度の測定や熱映像の取得において重要な手段となっています。

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