[흑체복사]Stefan-Boltzmann's law of radiation

소개

포항공대 물리학과 물리실험1 (2010)
다섯번째 실험인 Stefan-Boltzmann's law of radiation 결과보고서입니다.

흑체복사 실험은 양자물리학의 대동에 있어서 중대한 계기를 마련했던 실험이지요.
물론 양자물리에 대한 내용을 다루는 실험은 아닙니다. 그건 물실2에서 엄청 할거여요.

흑체와 유사한 회색체의 온도에 따른 복사에너지를 측정하는 실험이지요.
오차의 원인을 유추해보는 노력을 해보세요~

목차

1. 배경과 동기

2. 이론
1) 스테판-볼츠만 법칙(Stefan-Boltzmann's law)
2) 텅스텐(회색체)의 온도에 따른 저항값

3. 실험방법
3.1) 준비물
3.2) 과정

4. 실험 결과 및 고찰
1) 텅스텐 필라멘트의 저항측정
2) Stefan-Boltzmann's law

5. 결론

6. References

본문내용

1. 배경과 동기
열이 전달되는 방법으로 열전도, 대류현상, 열복사 이렇게 3가지가 있다. 지난번 실험에서 알아본 열전도는 한 물체에 있는 분자들의 진동이 이웃해 있는 분자에게 전달되어 열이 전달되는 것을 말한다. 대류현상은 중력에 의해서 일어나는데, 일반적으로 높은 온도의 물질은 밀도가 낮아지고 낮은 온도의 물질은 밀도가 높아진다. 이러한 밀도차이에 의해서 뜨거운 물질은 위로 차가운 물질은 아래로 가면서 섞이는 것을 말한다.
마지막으로 이번 실험에서 관심 대상인 열복사는 절대온도 T가 0이 아닌 물체에서 빛에너지 형태로 에너지를 전달하는 것을 말한다. 이러한 빛에너지가 나오게 되는 이유는 물질을 이루는 오비탈에서 전자가 열에너지나 받고 들떴다가 다시 낮은 에너지 준위로 떨어지면서 빛에너지를 방출하기 때문이다. 따라서 물체마다 복사에너지로 방출하는 빛의 파장이 다르고 방출하지 않는 빛의 파장이 존재하기도 한다.
하지만 모든 파장의 빛을 흡수하고 다시 복사해내는 물체가 있는데 이를 흑체(Black body)라고 부른다. 흑체는 실제로 존재하지는 않으나 이와 유사한 물체인 회색체(Grey body)는 존재한다. 이번 실험에서는 이러한 특정 파장 안에 있는 모든 파장의 빛을 흡수(또는 복사)하는 회색체(실험에서는 텅스텐)에서 물체의 절대온도의 네제곱과 복사에너지의 양이 비례한다는 Stefan-Boltzmann's law를 실험을 통해서 확인하고자 한다.

< 중 략 >

4. 실험 결과 및 고찰
1) 텅스텐 필라멘트의 저항측정
우선 실험실 온도(23℃)에서의 저항을 구하기 위해서 필라멘트에 전류를 흘려주었다. 이 때 최대한 실험실 온도에서 변하지 않도록 하기 위해서 전구에 흐르는 전류를 100mA~200mA 정도 수준으로 조절하였다. 그 결과 처음시도에서 100.2mA의 전류에 18mV의 전압이 걸리고, 두 번째 시도에 181.8mA에 33.1mV의 전압이 걸렸다. 옴의 법칙(R={V}overI)에 대입하여 두 시도에서의 각각의 저항값을 구하고 이들의 평균을 구하여 상온에서의 필라멘트의 저항으로 생각하였다. 평균값을 구해보니 0.181Omega가 나왔다. (즉, R(t_r)=0.181Omega) 이 결과를 식(7)에 대입해서 0℃에서의 저항인 R_0=0.1629Omega가 나왔다.

참고자료

· http://edulab.postech.ac.kr(2010년 읽기자료)
· http://en.wikipedia.org/wiki/Black_body(2010.10)
· http://en.wikipedia.org/wiki/Stefan%E2%80%93Boltzmann_law (2010.10)