Kara cisim

Sıcaklık azaldıkça, karacisim ışınım eğrisinin zirvesi düşük şiddetlere ve yüksek dalga boylarına doğru kayar. Ayrıca klâsik Rayleigh-Jeans modeli ışınımıda (karşılaştırma amacı ile) bu figürde görülmektedir.

Kara cisim ışıması, herhangi bir cismin sıcaklığına bağlı olarak salınan elektromanyetik ışımadır. Elektromanyetik ışınma, oluşma tarzına göre iki gruba ayrılır. Isıl (termal) yansıma ve termal olmayan yansıma. Termal yansımaya kara cisim ışıması (yansıması) da denilmektedir.

Evren'deki her cisim ya da parçacık, enerjisine ya da diğer deyişle sıcaklığına bağlı olarak belirli frekansta elektromanyetik ışık (foton) salar. Önceleri cismin ya da parçacığın sıcaklığına bağlı olarak salınan elektromanyetik ışınımın frekansının sıfırdan kuramsal olarak sonsuza kadar olabileceği düşünülüyordu. Fakat deney sonuçları böyle değildi ve bu duruma "mor ötesi katastrofu (çarpışması)'" denildi. Planck Kanunu ile bu sorun çözüldü ve Planck'ın burada yaptığı "enerjinin kuantum durumunun değişmesiyle salındığı" önermesi, kuantum fiziğinin temelini attı.

0 kelvin (-273,15 C) sıcaklığın üzerindeki bütün cisimler ortama ısı yayarlar. Kara cisim ışıması incelenirken herhangi bir metalden oluşan içi oyuk bir cisme ışığın girmesi için bir delik açılır. Cisim oda sıcaklığında ise delikten cismin içine giren ışık, içeride kalır. Deliğin boyutu cismin boyutuna göre küçükse içeri giren ışığın az miktarda da olsa dışarı çıkma ihtimali vardır. Bu şekilde içeri giren ışığın çok büyük bir kısmını soğuran maddelere siyah cisim denir. İdeal siyah cisim, elektromanyetik dalgaların tüm dalga boylarını soğuran ve ısıtıldığında tüm dalga boylarında enerji yayan cisimdir.

Cisimler sıcaklığa bağlı olarak ışıma yapar, yani elektromanyetik dalga yayarlar. Örnek vermek gerekirse bir metal, tel ısıtılmaya başlandığında ilk olarak cismin ısındığı, daha sonra yavaş yavaş kırmızı bir renk aldığı, ısıya mâruz kalma süresi devam ettikçe de maviye doğru renginin değiştiği görülür. Bu cismin ısınmaya maruz kaldığında rengini değiştirdiğine ve sonuç olarak da cisimlerin sıcaklıkları arttıkça renklerinde değişmeler olduğunu, yani renklerin belirli sıcaklıklara sahip olduğu görülür. Yapmış olduğu bir dizi denemeler sonucu Max Planck, "maddenin alıp verebileceği enerji, belli bir değerin katlarıdır" demiştir. Enerjinin bu şekilde birimleşmiş haline kuant (parçacık) denir. Planck, bir kuantumun taşıdığı enerji için $E=h\cdot v$ bağıntısını kullanmıştır. Bu bağıntıdaki $h$ Planck sabiti olup değeri $6,626196\cdot 10^{-34}J\cdot s$, $v$ ise ışığın frekansıdır. Planck, bu bağıntısı sonucu enerjinin ancak belirli büyüklüklerle alınıp verilebileceğini kanıtlamış oldu.

Siyah cisim ışıması

Her cisim mutlak sıfırın üstündeki her sıcaklıkta ışıma yapar, fakat bu ışımanın şiddet ve frekans dağılımı cismin detaylı yapısına bağlıdır. Işımanın anlaşılabilmesi için ışıma yapan cismin özelliklerinin belirlenmesi gerekir. Bundan dolayı bu ışımanın fiziksel anlamı için en iyi ve en basit mümkün model, mükemmel bir soğurucu ve dolayısıyla yayıcı olan bir cismi düşünmektir. Bu ideal yayıcı ve soğurucu cismi ideal siyah cisim olarak adlandırabiliriz.

Mutlak sıfır noktasının üstündeki her sıcaklıkta bütün cisimler, farklı dalga boylu elektromanyetik ışınımlar yayarlar. Isıtılan herhangi bir cisim sıcaklığına bağlı olarak, düşük dalga boylu ve yüksek frekanslı elektromanyetik dalga ışıması yapar. Özel bir elementten oluşan akkor halindeki bir gaz, söz konusu kimyasal elemente özgü, kesikli ve belirli dalga boylarından oluşan bir ışınım yayarken bir katı cisim ise kimyasal bileşiminden bağımsız olarak her dalga boyunda ışınım yayar. Bu ışınımmın spektral dağılımı, frekansına ve cismin $T$ sıcaklığına bağlı olarak değişir. $T$ sıcaklığında ısısal dengede bulunan bir cismin $\nu$ frekanslı ışınımı yayma kesrine cismin yayma katsayısı veya yayma kabiliyeti denir ve $e(\nu ,T)$ ile gösterilir. Cisim üzerine gelen $\nu$ frekanslı ışınımın soğurulan kesrinede cismin soğurma katsayısı veya soğurma kabiliyeti denir ve $a(\nu ,T)$ ile gösterilir. İdeal siyah cisim, üzerine düşen ışığı hangi frekansta olursa olsun soğuran ve dolayısıyla yayan cisimdir. Başka bir ifade ile soğurma ve yayma kabiliyeti “1” olan cisme ideal siyah cisim denir. Sabit sıcaklıkta ışınım yayımının, ışın soğurmasına oranı yüzeyin özelliğine bağlı olmayıp tüm yüzeyler için aynıdır. Yani bu oran sabittir.

Siyah cisim fikrini ilk olarak Planck ortaya atmıştır. Daha sonra bunu teorik olarak Stefan–Boltzmann, Wien, Rayleigh–Jeans, Planck'ın çalışmaları takip etmiş ve böylece teoriyle deneysel sonuçların birbirlerine uyuşması için teoriler geliştirmişlerdir.

Dış bağlantılar

• KBT Bilim Sitesi-Kara Cisim Işıması