黒体のソースを表示

{{出典の明記|date=2011年8月}}
[[ファイル:Blackbody-colours-vertical.svg|thumb|50px|]]
'''黒体'''（こくたい、{{Lang-en-short|black body}}）あるいは'''完全放射体'''（かんぜんほうしゃたい、{{Lang-en-short|full radiator}}）とは、外部から入射する[[電磁波]]を、あらゆる[[波長]]にわたって完全に[[吸光|吸収]]し、また[[熱放射]]できる想像上の[[物体]]のこと。実在しない[[モデル (自然科学)|理想的な物体]]であるが、[[自然科学]]を理解する上で重要な[[モデル (自然科学)|モデル]]である。

== 概要 ==
黒体とは、全ての波長にわたって電磁波（光）を全く[[反射]]しない物体である。そのような物体は実在しないため、[[理想気体]]や[[剛体]]と同じように、黒体は実在しない。現在、発見された最も黒体に近い物質は、99.995 % の光（電磁波）を吸収する<ref>{{Cite web|和書|title=光の99.995%を吸収する素材が誕生し「黒さの世界記録」を更新、前世界1位の10倍以上の黒さ |url=https://gigazine.net/news/20190917-material-blacker-than-vantablack/ |website=GIGAZINE |access-date=2023-02-04 |language=ja}}</ref>。

物体からの放射（反射を含まない）には、物体の相（[[固体]]・[[液体]]・[[気体]]）にかかわらず[[温度]]によって色が変わることが経験的に知られている。色は、さまざまな波長の光が混ざり合って構成されている。色の変化は、波長ごとの強度分布の変化であることが[[スペクトル]]の分析によりわかっており、またその分布は、温度によって一定であることも知られている。これを物体からの[[熱放射]]という。特に、黒体からの熱放射を'''[[黒体放射]]'''（黒体輻射）と言う。

ある温度の黒体から放射される電磁波の[[スペクトル]]は一定である。温度 ''T'' において、波長 ''λ'' の電磁波の黒体放射強度 ''B'' (''λ'') は、
: <math>B(\lambda) = \frac{2hc^2}{\lambda^5}\frac{1}{e^{hc/\lambda kT}-1}</math>
で表される。これを[[プランク分布]]という。プランク分布を全波長領域で積分することで、黒体放射の全エネルギーが ''T''<sup>4</sup> に比例する（''E'' = ''σT''<sup>4</sup>，''σ''：[[シュテファン＝ボルツマン定数]]）という[[シュテファン＝ボルツマンの法則]]を得る。また微分して ''B'' (''λ'') が極大となる λ を求めることで、放射強度最大の波長が ''T'' に 反比例するという[[ウィーンの変位則]]を得る。

== 空洞放射 ==
十分に大きな空洞を考え、空洞を囲む壁は光を含む一切の電磁波を遮断するものとする。この空洞に、その大きさに対し十分に小さな孔を開ける。孔を開けることによる空洞内部の状態の変化は無視できるとする。外部からその孔を通して入った電磁波（ある特定の波長のものが光）が、空洞内部で反射するなどして再び出てくることは、孔が十分に小さければ無視することができる。つまりこの空洞は、外部から入射する電磁波を（ほぼ）完全に吸収する黒体とみなすことができる。

この空洞からの熱などの放射を'''空洞放射'''という。

空洞放射に近い身近な例は、ガラス工房などで[[ガラス]]を熱する[[炉]]である。産業革命以降、製鉄業等で炉内の温度測定をする需要があったため、空洞放射の理論が用いられた背景がある<ref>{{Cite web|和書
|author = 高井義造|date = 2008-06-10|url = http://www-atom.mls.eng.osaka-u.ac.jp/mlsatbsk/busseikagaku/kissa03.htm|title = プランクが開いた量子論の扉|work = [http://www-atom.mls.eng.osaka-u.ac.jp/mlsatbsk/busseikagaku/kissa_select.html 喫茶コーナー]|publisher = [[大阪大学]]大学院工学研究科|accessdate = 2012-01-24}}{{404|date=2024-08}}</ref>。

== 黒体放射と量子力学 ==
{{main|黒体放射}}
黒体放射（{{Lang-en-short|black body radiation}}）とは黒体から放射される光。温度が低いときは赤っぽく、温度が高いほど青白くなる。夜空に輝く[[恒星|星々]]も青白い星ほど温度が高い。温度はK（[[ケルビン]]）で表示される（右図参照）。

理想的な黒体放射をもっとも再現するとされる空洞放射が温度のみに依存するという法則は、[[1859年]]に[[グスタフ・キルヒホフ]]により発見された。以来、空洞放射のスペクトルを説明する理論が研究され、最終的に[[1900年]]に[[マックス・プランク]]により[[プランク分布]]が発見されたことで、その理論が完成された。

物理的に黒体放射をプランク分布で説明するためには、黒体が[[電磁波]]を放出する（[[電気双極子]]が振動する）ときの振動子の[[量子化 (物理学)|量子化]]を仮定する必要がある（[[プランクの法則]]）。つまり、振動子が持ちうるエネルギー (''E'') は振動数 (''&nu;'') の整数倍に比例しなければならない。
: ''E'' = ''nh&nu;'' (''n'' = 0, 1, 2, ...)
この比例定数 ''h'' = 6.626×10<sup>-34</sup> [J・s] は、後に[[プランク定数]]とよばれ物理学の基本定数となった。これは[[物理量]]は連続な値をとり、量子化されないとする[[古典力学]]と反する仮定であったが、[[1905年]]に[[アルベルト・アインシュタイン]]がこのプランクの量子化の仮定と、[[光子]]の概念を用いて[[光電効果]]を説明したことにより、この量子化の仮定に基づいた量子力学が築かれることとなった。

== 灰色体 ==
工業製品などでの設計では、対象の温度範囲が限られていることから、しばしば[[放射率]]が周波数に依存しない理想的な物体として灰色体（かいしょくたい）を用いる。灰色体は、黒体の[[放射率]]を 1 より小さい定数としたものと等価であり、黒体よりも現実的なモデルを与える。

== 応用例 ==
* [[放射温度計]]
* [[サーモグラフィー]]

== 脚注 ==
{{脚注ヘルプ}}
{{Reflist}}
<!-- == 参考文献 == {{Cite book}}、{{Cite journal}} -->

== 関連項目 ==
{{Commonscat|Black body}}
{{wiktionary}}
* [[プランクの法則]]
* [[ウィーンの変位則]]
* [[シュテファン＝ボルツマンの法則|シュテファン＝ボルツマン定数]]
* [[レイリー・ジーンズの法則 ]]
* [[キルヒホッフの法則 (放射エネルギー)|キルヒホッフの法則]]
* [[佐久間＝服部方程式]]
* [[量子力学]]
* [[グローブ温度]]
* [[色温度]]
* [[黒体軌跡]]
* [[カーボンナノチューブ黒体]]
* [[赤方偏移]]

== 外部リンク ==
*[https://kotobank.jp/word/%E9%BB%92%E4%BD%93-64101#E6.97.A5.E6.9C.AC.E5.A4.A7.E7.99.BE.E7.A7.91.E5.85.A8.E6.9B.B8.28.E3.83.8B.E3.83.83.E3.83.9D.E3.83.8B.E3.82.AB.29 黒体(こくたい)とは] - [[コトバンク]]
*[https://www.weblio.jp/content/%E9%BB%92%E4%BD%93 黒体とは] - [[Weblio]]辞書

{{Normdaten}}
{{DEFAULTSORT:こくたい}}
[[Category:統計力学]]
[[Category:量子力学]]
[[Category:熱放射]]