일반물리학실험 | 흑체 복사

 

 

 

TIP

 

 

벽이 일정 온도 T(K)로 유지되어 열평형에 이르렀을 경우, 내부의 복사는 온도 T(K)의 완전흑체 가 발하는 복사와 완전히 같은 파장분포를 보이는 것. 즉, 흑채복사 이론의 적용을 실험을 통하여 확인한다.

 

 

 

흑체복사 현상

양자역학의 탄생을 알리는 플랑크(M. Planck)의 양자가설(quantum hypothesis)을 만들게 한 흑체복사(blackbody radiation) 현상은 19세기 후반의 커다란 수수께끼였다. 우리는 물체가 뜨거워지면 열과 빛을 방출하는 것을 잘 알고 있다. 이렇게 방출되는 열과 빛을 통칭하여 복사(radiation)라고 하는데, 이때 방출되는 열도 실제는 적외선처럼 빛에 속한다.

 

물체의 온도가 변하면 방출되는 빛의 분포(색과 세기; spectrum)도 변하는데, 예컨대 쇠를 달구면 어두운 붉은색에서 온도가 높아질수록 밝은 노란색으로 변해가는 것과 같다. 사실 이때 어떤 주어진 온도의 물체에서 방출되는 복사파는 실제는 많은 종류의 색들을 포함하고 있지만, 우리는 이중 가장 강한 세기의 빛을 특정 온도에서 방출하는 빛의 색으로 여기게된다.

 

1859년 키르히호프(G. Kirchhoff)는 이러한 복사파의 분포가 물체에 종류에 따라 다르지 않고, 오직 온도에만 의존한다는 것을　밝혔다. 즉, 같은 온도로 달구어진 물체는 돌이든 쇠든 방출하는 빛의 분포가 똑같다는 것이다. 여기서 우리는 어떤 물체로 밀폐된 공간을 만들고 그 벽에 아주 작은 구멍을 낸 경우를 생각해 보기로 하겠다.

 

이 경우 시간이 흘러 밀폐된 공간 내부와 그 벽면의 온도가 같아진 평형상태에 도달하였다면, 밀폐된 공간 내부에 존재하는 복사파의 분포는 내부 벽면에서 방출되는 복사파의 분포와 같을 것이고, 이는 작은 구멍을 통하여 외부로 방출되는 복사파의 분포와도 같을 것이다. 또한 이 복사파의 분포는 키르히호프의 법칙에 따라 오직 내부 벽면의 온도에만 의존할 것이다.

 

그런데 이 밀폐된 공간의 벽면에 뚫린 작은 구멍을 통하여 외부에서 안으로 들어간 빛은 내부 벽면에서 반사되어 다시 그 구멍을 통하여 외부로 나올 확률이 거의 없으므로 우리는 이 작은 구멍을 모든 빛을 흡수하는 검은색 물체에 견주어 흑체(blackbody)라고 하며, 이 작은 구멍으로부터 방출되는 빛을 흑체복사(blackbody radiation)라고 한다.

 

[그림1] 흑체복사의 온도에 따른 분포곡선. 복사파(에너지밀도)의 세기와 복사파의 파장 사이의 관계를 나타낸다.

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실험 방법

1. Experiment 1 : Introduction to Thermal Radiation

1) 그림과 같이 장치를 설치한다

 

2) Thermal radiation cube의 power setting 값을 5.0에 두고 최고의 온도를 찾고 기록한다.

 

3) 각 표면에 따라 millivoltmeter로 측정한다.

 

4) Power setting 값을 6.5, 8.0, 10.0 으로 두고 2)와 3)의 과정을 반복한다.

 

2 Experiment 2 : Inverse Square Law

1) 그림과 같이 장치를 설치한다.

 

2) Stefan-Boltzmann lamp 를 꺼둔 상태에서 거리에 따른 복사량을 측정한다.

 

3) Stefan-Boltzmann lamp 를 같은 level로 켜두고, 거리의 변화에 따른 복사량을 측정하고

 

4) Rad(mV) vs X(㎝) 와 Rad(mV) vs 1/X² (㎝^-2 )의 그래프를 그린다.

 

3. Experment 3 Stefan-Boltzmann Law (high temperature)

1) 그림과 같이 장치를 셋팅한다.

 

2) V(volt)를 일정하게 증가시키면서 I와 Rad(mV)를 측정하고 V와 I를 통해서 R을 계산하고 식 T = (R-R_ref )/(α× R_ref) + T_ref으로 T를 계산한다.

 

3) Rad(mV) vs T, Rad(mv) vs T⁴그래프를 그린다.

 

4. Experment 4 Stefan-Boltzmann Law (low temperature)

1) 그림과 같이 장치를 셋팅한다

 

2) 임의의 저항을 측정하고 각 저하에 맞는 온도를 파스코 매뉴얼 2페이지에서 찾는다.

 

3) 그리고 millivoltmeter 로 Rad 값을 측정한다.

 

4) 온도를 낮추어가면서 Data를 10개 정도 측정한다.

 

5) Rad(mV) vs T⁴의 그래프를 그린다.

 

 

[일반물리학실험]흑체 복사 레포트