Zwart lichaam

In de natuurkunde is een zwart lichaam een voorwerp dat al het licht dat er op valt, absorbeert (en dus niet reflecteert). Hoewel de naam anders zou doen vermoeden, zendt een zwart lichaam wel degelijk licht uit. Het spectrum (de hoeveelheid licht dat op een bepaalde golflengte wordt uitgezonden) van een zwart lichaam is zeer karakteristiek, en slechts afhankelijk van de temperatuur van het zwarte lichaam.

Een zwart lichaam is een 'ideale uitzender' en zendt de maximaal mogelijke hoeveelheid energie per oppervlakte-eenheid uit op elke golflengte op elke temperatuur.

De term "zwart lichaam" werd geïntroduceerd door Gustav Kirchhoff in 1862. Het spectrum van een zwart lichaam werd voor het eerst berekend door Max Planck, die daarvoor de aanname nodig had dat elektromagnetische straling alleen in discrete hoeveelheiden (kwanta) kon worden doorgezonden.

De hoeveelheid straling van een zwart lichaam van temperatuur T wordt gegeven door de wet van Planck:

Hier is I(ν)δν de hoeveelheid energie die per oppervlakte-eenheid per tijdseenheid uitgezonden wordt tussen frequenties ν en ν + δν, h is de constante van Planck, c is de lichtsnelheid en k is de constante van Boltzmann.

Van deze formule kunnen worden afgeleid de wet van Wien, die aangeeft op welke golflengte de meeste straling wordt uitgezonden en de wet van Stefan-Boltzmann, die de totale uitgezonden straling per oppervlakte-eenheid aangeeft.

De beste benadering van een zwart lichaam in het laboratorium is een kleine opening naar een holle ruimte met een ruw, zwart, dus niet reflecterend, oppervlak. In de astronomie worden sterren vaak als zwarte lichamen beschouwd. De kosmische achtergrondstraling heeft een spectrum dat vrijwel volmaakt met dat van een zwart lichaam overeenkomt.