إشعاع الجسم الأسود
الشرح

إن كل المواد الباريون (باريون)  أو العادية «الثقيلة» تنبعث منها اشعاعات كهرومغناطيسية عندما تكون درجة حرارتها أعلى من الصفر المطلق. هذا الإشعاع يمثل تحول لطاقة الجسم الحرارية إلى طاقة كهرومغناطيسية ولهذا سميت باسم الإشعاع الحراري. إنها عملية تحدث من تلقاء نفسها للتوزيع الاشعاعي للانتروبيا (إنتروبيا)
وعلى العكس تماما فإن المواد العادية تمتص الإشعاع الكهرومغناطيسي إلى درجة ما. الجسم الذي يمتص كل الإشعاعات الساقطة عليه بأي طول موجي كان فإن هذا الجسم يسمى جسما أسودا. عندما يكون الجسم الأسود في درجة حرارة منتظمة، فإن إشعاعه يكون محددا بتوزيع يتناسب مع درجة حرارته. هذا الانبعاث يسمى اشعاع الجسم الأسود.
إن مفهوم الجسم الأسود هو عبارة عن حالة مثالية حيث أن الأجسام السوداء المثالية لا توجد في الطبيعة. الجرافيت والكربون الأسود ذات انبعاثية (emissivity)  مقدارها 0.95 وعلى الرغم من ذلك، هم يمثلون مواد سواد تقريبيه جيدة. تجريبيا، إشعاع الجسم الأسود يمكن الحصول عليه بشكل أدق وأفضل في الحالة المستقرة تماماً للـ steady state equilibrium radiation لأي تجويف داخل أي جسم صلب في درجة حرارة منتظمة ويشترط أن يكون كلياً شفاف وجزئيا فقط عاكس. إن صندوق مغلق من حوائط الجرافيت في درجة حرارة ثابتة مع وجود فجوة صغيرة في أحد أوجه الصندوق يمكنها إصدار تقريب دقيق عن الحالة المثالية لإشعاع الجسم الأسود المنبثق من تلك الفتحة. كما يمكنك أن تلاحظ هذا بالرسم الموجود أسفل النص.
إن إشعاع الجسم الأسود يمتلك توزيعا فريدا ومستقرا للشدة الإشعاعية والتي يمكنها أن تقاوم الاتزان الثيرمو حراري للتجويف. في حالة الاتزان، لكل تردد فإن الشدة الإشعاعية المنبعثة والمنعكسة من الجسم (والتي هي عبارة عن الكمية المحصلة للإشعاع المغادر للسطح والذي يسمى بالـطيف الإشعاعي (spectral radiance) يمكن تحديده منفردا بواسطة درجة حرارة الإتزان والتي لا تعتمد على شكل أو نوع المادة أو الشكل التركيبي للجسم. للجسم الأسود (الممتص المثالي للإشعاع) لا يوجد اشعاع منعكس ولهذا فإن الطيف الإشعاعي (spectral radiance) يكون بسبب الانبعاث الكلي. بالإضافة إلى ذلك، الجسم الأسود هو عبارة عن مبعث انتشاري حيث أن انبعاثة وانتشاره لا يتوقف على الاتجاة. وبالتالي، فإن اشعاع الجسم الأسود يمكن النظر إليه كإشعاع من جسم أسود عند اتزان حراري.
إشعاع الجسم الأسود يصبح ضوءاً منيرا ومرئيا لو كانت درجة الحرارة الخاصة بالجسم عالية بشكل كافٍ. نقطة درابر هي عبارة عن درجة الحرارة التي عندها تتوهج كل المواد الصلبة باللون الأحمر الخافت عند حوالي 798 درجة حرارة كلفينية. وعند درجة الحرارة 1000 كلفن، فإن أي فتحة صغيرة في جدران أي تجويف غير شفاف الجدران - يسمى في بعض الأحيان بالفرن - فإنها ترى من الخارج باللون الأحمر. وعند درجة حرارة 6000 كلفن، فإنها تبدو باللون الأبيض. أياً كانت نوع المادة المستخدمة في صناعة هذا الفرن أو حتى أياً كان تركيبه طالما أن الضوء الملقى عليه يتم امتصاصه بوساطة جدران هذا الفرن فإن ذلك يمثل بمثابة إشعاع الجسم الأسود التقريبي. ولهذا فإن اللون أو الطيف للضوء يكون فقط معتمدا على درجة حرارة هذا التجويف فقط. إن الشكل المرسوم بالأعلى وهو عبارة عن رسم لاعتماد كمية الطاقة داخل الفرن على وجدة الأحجام أو وحدة الترددات تسمى باسم منحنى الجسم الأسود. وكل منحنى يتم الحصول عليه بتغيير فقط درجات الحرارة.
كل جسمين في نفس درجة الحرارة يظلون في حالة اتزان حرارى متبادل ولهذا فإن الجسم عند درجة حرارة T والمحاط بسحابة من الضوء عند نفس درجة الحرارة T في المتوسط فإنه سوف يبعث بإشعاع مساوٍ للإشعاع الذي يمتصه، نسبة إلى مبدأ بريفوست للتبادل (Prevost's exchange principle) والتي تنص على الإتزان الإشعاعي. إن مبدأ الإتزان التفصيلي ( detailed balance) ينص على أنه في حالة الإتزان فإن كل عملية أساسية تعمل بالتساوي في الاتجاة الأمامي والإتجاة الخلفي. ولقد أوضح بريفست أيضا أن الانبعاث من أي جسم يتم حسابه بشكل منطقى منفردا باستخدام حالة الجسم الداخلية.
مع الأسطح الغير سوداء، التغير في الأداء المثالي للجسم الأسود يمكن حسابه بواسطة شيئين أولهما: التكوين السطحي مثل الصلابة والتقسيمات والتركيب الكيميائي. في مستوى وحدة الأطوال الموجية، فإن الأجسام الحقيقية في حالات الإتزان الثيرموديناميكي المحلي تظل تتبع قانون كيهرشوف: الانبعاثية تساوي الامتصاصية ولهذا فإن أي جسم لا يمتص الضوء العادي سوف يبعث أقل اشعاع من اشعاع الجسم الأسود؛ ولهذا فإن عملية الامتصاص الغير كاملة يمكن أن تكون بسبب عدد من الضوء العرضي والذي تم ارسالة من خلال الجسم أو أنه تم اعكاسه عند سطح الجسم.
في علم الفلك، الأجسام مثل النجوم يتم اعتبارها بشكل مستمر على أنها أجسام سوداء، على الرغم من أن هذا التقارب غير دقيق. والتقريب الأدق لطيف الجسم الأسود المثالي تم استعراضة بواسطة cosmic microwave background radiation. إشعاع هوكينغ هو الإشعاع الافتراضي للجسم الأسود المنبعث من الثقوب السوداء وعند درجة حرارة تعتمد على الكتلة والشحنة ودوران الثقب. ولو أن هذا التنبأ صحيحا، فإن الثقوب السوداء تنكمش تدريجيا وتتبخر مع الوقت لأنها تفقد كتل مع الوقت بواسطة هذا الانبعاث من الفوتونات والجسيمات الأخرى.
الجسم الأسود يشع طاقة عند كل الترددات الموجية ولكن شدته تميل إلى أن تكون صفر بشكل سريع عند الترددات العالية والأطوال الموجية القصيرة. كمثال على ذلك، جسم أسود عند درجة حرارة الغرفة يعني 300 كلفن ولدية مساحة سطح تساوي واحد متر مربع سيبعث فوتون في المدى المرئي لعين الإنسان المجردة في نطاق (390–750 nm) في المعدل المتوسط أي فوتون واحد كل 41 ثانية، وهذا يعني في أغلب الحالات العملية فإن الجسم الأسود لا يبعث أشعة في المدى المرئي في أغلب الأوقات.