~ubuntu-branches/ubuntu/oneiric/kstars/oneiric-proposed

« back to all changes in this revision

Viewing changes to doc/blackbody.docbook

  • Committer: Bazaar Package Importer
  • Author(s): Rohan Garg
  • Date: 2011-07-23 23:07:27 UTC
  • Revision ID: james.westby@ubuntu.com-20110723230727-xp70ea7v5eay0wya
Tags: upstream-4.7.0
ImportĀ upstreamĀ versionĀ 4.7.0

Show diffs side-by-side

added added

removed removed

Lines of Context:
 
1
<sect1 id="ai-blackbody">
 
2
 
 
3
<sect1info>
 
4
 
 
5
<author>
 
6
<firstname>Jasem</firstname>
 
7
<surname>Mutlaq</surname>
 
8
<affiliation><address>
 
9
</address></affiliation>
 
10
</author>
 
11
</sect1info>
 
12
 
 
13
<title>Blackbody Radiation</title>
 
14
<indexterm><primary>Blackbody Radiation</primary>
 
15
<seealso>Star Colors and Temperatures</seealso>
 
16
</indexterm>
 
17
 
 
18
<para>
 
19
A <firstterm>blackbody</firstterm> refers to an opaque object that
 
20
emits <firstterm>thermal radiation</firstterm>.  A perfect
 
21
blackbody is one that absorbs all incoming light and does not
 
22
reflect any.  At room temperature, such an object would
 
23
appear to be perfectly black (hence the term
 
24
<emphasis>blackbody</emphasis>).  However, if heated to a high
 
25
temperature, a blackbody will begin to glow with
 
26
<firstterm>thermal radiation</firstterm>.
 
27
</para>
 
28
 
 
29
<para>
 
30
In fact, all objects emit thermal radiation (as long as their
 
31
temperature is above Absolute Zero, or -273.15 degrees Celsius),
 
32
but no object emits thermal radiation perfectly; rather, they are
 
33
better at emitting/absorbing some wavelengths of light than others.
 
34
These uneven efficiencies make it difficult to study the interaction
 
35
of light, heat and matter using normal objects.
 
36
</para>
 
37
 
 
38
<para>
 
39
Fortunately, it is possible to construct a nearly-perfect blackbody.
 
40
Construct a box made of a thermally conductive material, such as
 
41
metal.  The box should be completely closed on all sides, so that the
 
42
inside forms a cavity that does not receive light from the
 
43
surroundings.  Then, make a small hole somewhere on the box.
 
44
The light coming out of this hole will almost perfectly resemble the
 
45
light from an ideal blackbody, for the temperature of the air inside
 
46
the box.
 
47
</para>
 
48
 
 
49
<para>
 
50
At the beginning of the 20th century, scientists Lord Rayleigh,
 
51
and Max Planck (among others) studied the blackbody
 
52
radiation using such a device.  After much work, Planck was able to
 
53
empirically describe the intensity of light emitted by a blackbody as a
 
54
function of wavelength.  Furthermore, he was able to describe how this
 
55
spectrum would change as the temperature changed.  Planck's work on
 
56
blackbody radiation is one of the areas of physics that led to the
 
57
foundation of the wonderful science of Quantum Mechanics, but that is
 
58
unfortunately beyond the scope of this article.
 
59
</para>
 
60
 
 
61
<para>
 
62
What Planck and the others found was that as the temperature of a
 
63
blackbody increases, the total amount of light emitted per
 
64
second increases, and the wavelength of the spectrum's peak shifts to
 
65
bluer colors (see Figure 1).
 
66
</para>
 
67
 
 
68
<para>
 
69
<mediaobject>
 
70
<imageobject>
 
71
<imagedata fileref="blackbody.png" format="PNG"/>
 
72
</imageobject>
 
73
<caption><para><phrase>Figure 1</phrase></para></caption>
 
74
</mediaobject>
 
75
</para>
 
76
 
 
77
<para>
 
78
For example, an iron bar becomes orange-red when heated to high temperatures and its color
 
79
progressively shifts toward blue and white as it is heated further.
 
80
</para>
 
81
 
 
82
<para>
 
83
In 1893, German physicist Wilhelm Wien quantified the relationship between blackbody
 
84
temperature and the wavelength of the spectral peak with the
 
85
following equation:
 
86
</para>
 
87
 
 
88
<para>
 
89
<mediaobject>
 
90
<imageobject>
 
91
<imagedata fileref="lambda_max.png" format="PNG"/>
 
92
</imageobject>
 
93
</mediaobject>
 
94
</para>
 
95
 
 
96
<para>
 
97
where T is the temperature in Kelvin.  Wien's law (also known as
 
98
Wien's displacement law) states that the
 
99
wavelength of maximum emission from a blackbody is inversely
 
100
proportional to its temperature.  This makes sense;
 
101
shorter-wavelength (higher-frequency) light corresponds to
 
102
higher-energy photons, which you would expect from a
 
103
higher-temperature object.
 
104
</para>
 
105
 
 
106
<para>
 
107
For example, the sun has an average temperature of 5800 K, so 
 
108
its wavelength of maximum emission is given by:
 
109
 
 
110
<mediaobject>
 
111
<imageobject>
 
112
<imagedata fileref="lambda_ex.png" format="PNG"/>
 
113
</imageobject>
 
114
</mediaobject>
 
115
</para>
 
116
 
 
117
<para>
 
118
This wavelengths falls in the
 
119
green region of the visible light spectrum, but the sun's continuum
 
120
radiates photons both longer and shorter than lambda(max) and the
 
121
human eyes perceives the sun's color as yellow/white.
 
122
</para>
 
123
 
 
124
<para>
 
125
In 1879, Austrian physicist Stephan Josef Stefan showed that
 
126
the luminosity, L, of a black body is proportional to the 4th power of its temperature T.
 
127
</para>
 
128
 
 
129
<para>
 
130
<mediaobject>
 
131
<imageobject>
 
132
<imagedata fileref="luminosity.png" format="PNG"/>
 
133
</imageobject>
 
134
</mediaobject>
 
135
</para>
 
136
 
 
137
<para>
 
138
where A is the surface area, alpha is a constant of proportionality,
 
139
and T is the temperature in Kelvin. That is, if we double the
 
140
temperature (e.g. 1000 K to 2000 K) then the total energy radiated
 
141
from a blackbody increase by a factor of 2^4 or 16.
 
142
</para>
 
143
 
 
144
<para>
 
145
Five years later, Austrian physicist Ludwig Boltzman derived the same
 
146
equation and is now known as the Stefan-Boltzman law. If we assume a
 
147
spherical star with radius R, then the luminosity of such a star is
 
148
</para>
 
149
 
 
150
<para>
 
151
<mediaobject>
 
152
<imageobject>
 
153
<imagedata fileref="luminosity_ex.png" format="PNG"/>
 
154
</imageobject>
 
155
</mediaobject>
 
156
</para>
 
157
 
 
158
<para>
 
159
where R is the star radius in cm, and the alpha is the
 
160
Stefan-Boltzman constant, which has the value:
 
161
 
 
162
<mediaobject>
 
163
<imageobject>
 
164
<imagedata fileref="alpha.png" format="PNG"/>
 
165
</imageobject>
 
166
</mediaobject>
 
167
</para>
 
168
 
 
169
</sect1>