Siyah Cisim Işıması

Siyah cisim ışıması, cismin sıcaklığına bağlı olarak salınan elektromanyetik ışımadır. Her cisim, enerjisine bağlı olarak belirli frekansta elektromanyetik ışık yayar. 

 

siyah cisim

 

Belirli bir sıcaklığa sahip cisimler etraflarına ışık saçarlar. Örnek olarak, eriyen demir etrafına sarı ışık yayar, Güneş 6000K sıcaklığa sahip Dünyamız için hayati derecede önemli bir ışık kaynağıdır. Bu örneklerde verilenler gibi sadece sıcak cisimler değil, mutlak sıfır sıcaklığının üstündeki sıcaklığa sahip her cisim kızılötesi ışık yayar. Örneğin insan vücudu da ışık yayar fakat görülebilir tayfta olmadığı için gözle görülemez anca özel termal kameralar ile tespit edilebilir.

 

termall

 

Siyah cisim oda sıcaklığında siyah görünür, yaydığı enerjinin çoğu kızılötesidir ve insan gözü ile fark edilemez. Daha yüksek sıcaklıklarda, siyah cisimlerin özkütleleri artarken renkleri de soluk kırmızıdan kör edecek şekilde parlaklığı olan mavi-beyaza dönüşür. Gezegenler ve yıldızlar kendi sistemleri ve siyah cisimler ile termal dengede olmamalarına rağmen, yaydıkları enerji siyah cisim ışımasına en yakın olaydır. Kara delikler siyah cisim olarak sayılabilirler, ve kütlelerine bağlı bir sıcaklıkta siyah cisim ışıması yaptıklarına inanılır (Hawking Işıması). Siyah Cisim terimi, ilk olarak Gustav Kirchhoff tarafından 1860 yılında kullanılmıştır.

 

 

1900′ lü yılların başında, fizikteki temel sorunların başında ısıtılan bir metalin nasıl ve neden ışıma yaptığı gelmekteydi. Metal bir cisim sürekli ısıtıldığında cisim önce kızarır, sıcaklığı arttıkça da rengi beyaza doğru kayar. Dikkatli bir inceleme yapıldığında, cismin sıcaklığı yükseldikçe yayınladığı ışığın kızılötesi bölgeden,görülebilir ve morötesi bölgeye yayıldığı görülür. Klasik fizik anlayışına göre ısıtılan cismin sıcaklığı arttıkça yaydığı ışımanın dalga boyunun küçülerek frekansının artacağı ve bu durumun sürekli olacağı zannediliyordu. Ancak bu durumun hiç de teorik olarak hesaplandığı gibi olmadığı deneyler sonucunda anlaşıldı. Klasik mekanik anlayışı ile bu duruma açıklama getirilemedi. Modern fiziğin ilk adımlarının atılmasına neden olan ve klasik fizikte ilk olarak yaşanan tıkanıklık kara cisim ışımasıdır. Problem, kara cisim tarafından yayılan ışımanın dalga boyu dağılımını anlamak ve buna tutarlı bir cevap vermekte odaklanmıştır. Kara cisim, üzerine düşen bütün ışınları soğuran, hiçbir ışını yansıtmadığı veya geçirmediği için de siyah görünen bir cisimdir.

 

Fakat bu tanıma uyan gerçek bir cisim yoktur. Bu nedenle kara cisim,üzerinde çok küçük bir delik olan bir küreciğe benzetilebilir. Bu delikten içeri giren ışık iç kısmında hapsolur.Bu delikten içeri giren ışık iç kısımda hapsolur.İçeri giren ışığın bir kısmı oyuğun iç yüzeylerinde yansırken bir kısmı da soğrulur. Her yansımada bir kısmı soğrulduğu için, birçok yansıma sonucunda ışığın tamamı yutulur. Giren ışık dışarı çıkamaz. Bu şekilde gelen ışığı hapseden cisimler siyah görünür.

Kara cisim ışıması ise bir cismin sıcaklığından dolayı etrafa yaydığı elektromanyetik dalgadır. Evrende mevcut olabilecek en düşük sıcaklık 0K’dir. Bu sıcaklıkta maddenin tanecik hareketi tamamen durmuş kabul edilir. 0K den daha sıcak olan tüm cisimler ışıma yaparlar. Ancak yapılan ışıma görünür dalga boyunda olmadığı için biz bu ışımaları göremeyiz. Cismin sıcaklığı arttığında görünür ışık yaymaya başlar. Yanan sıcak linyit kömürü parçaları arasındaki boşluklardan yayılan kızıllık kara cisim ışımasına iyi bir örnektir. Işığın rengi kömür parçalarının sıcaklığına bağlıdır. Grafikte kara cisim ışıma enerjisinin deneysel olarak sıcaklık ve dalga boyu ile nasıl değiştiği gösterilmektedir.Eğrinin alt kısmı yayınlanan ışıma miktarıdır. Cismin sıcaklığı arttıkça iki belirgin sonuç ortaya çıkmaktadır.

 

Bunlardan ilki, dağılımın tepe noktasının, sıcaklık artışı ile daha kısa dalga boylarına kaymasıdır. Başka bir ifadeyle cismin sıcaklığı arttıkça yayınlanan ışıma enerjisinin dalga boyu, elektromanyetik spektrumda kızılötesi bölgesinden mor ötesi bölgesine doğru kaymaktadır. Bu durum Wien Yer Değiştirme Yasası ile;

λmax. T = 2,898.10-3 m.K

Burada;
λmax : Eğrinin tepe yaptığı dalga boyunu (m),
T : Işıma yapan cismin mutlak sıcaklık değerini
(0K) ifade eder.

 

Wien Yer Değiştirme Yasası‘na göre, eğrinin tepe noktasındaki dalga boyu mutlak sıcaklık derecesi ile ters orantılıdır. Yani sıcaklık yükseldikçe tepe noktası daha küçük dalga boylarına doğru kayar.Cismin sıcaklığına bağlı olarak ortaya çıkan ikinci sonuç, cismin yayınladığı toplam enerji miktarının sıcaklık ile artmasıdır. Klasik fizik yasalarının kullanılmasıyla elde edilen kara cisim ışıması dağılımı ile deneysel veriler, yüksek dalga boyları için birbiriyle uyuşurken düşük dalga boylarında uyuşmamaktadır. Ayrıca, klasik fizik yasalarına göre tüm dalga boyları için ışıma enerjilerinin toplamı sonsuz olmalıdır.

 

Bu durum kara cisim ışımasının deneysel sonuçları olan grafikte incelendiğinde klasik fizik yasaları olarak adlandırılan eğrinin altında kalan alanın sonsuz olmasını gerektirir. Oysa bu durum, deneysel verilerle kesinlikle uyuşmamaktadır.

planck

 

Bu sorun 1900’lü yıllarda Planck (Plank) tarafından ortaya atılan yeni bir modelle çözülmüştür. Planck, kara cisim ışımasında ortaya çıkan grafikleri incelemiştir. Böyle bir grafiğin nasıl bir denklemle elde edilebileceği üzerinde araştırmalar yapmış ve soruna fizikte yeni bir çığır açacak yaklaşımla cevap bulmuştur. Işığı, klasik yaklaşımların ön gördüğü şekilde yani dalga olarak değil de kuantalardan oluşmuş bir parçacık gibi düşünmüştür. Planck’a göre ışık, her bir parçacığının enerjisi h.v olan enerji paketleri hâlinde uzayda ilerlemekteydi.Burada; h, 6,62.10-34 Js değerine sahip ve Planck sabiti olarak bilinen evrensel bir sabittir. v ise parçacığın frekansıdır. Planck’ın ortaya attığı bu yeni kurama göre, kara cismin yüzeyindeki moleküller;

 

1. En = n.h.v olarak verilen kesikli enerji değerlerine
sahip olabilirler.

Burada;
n : Kuantum sayısı olarak verilen pozitif bir tam sayıyı,
v : Moleküllerin doğal titreşim frekansını ifade eder.

2. Moleküller, kesikli paketler hâlinde enerji yayınlar
ve soğururlar.

Planck Yasası

 

Dalga boyuna bağlı olarak ;

 

planck1

 

Frekansın fonksiyonu olarak ;

planck 2

 

 

 

Bu yazı hakkında ne düşünüyorsun ?
  • Normal 
  • Müthiş 
  • Faydalı 
  • Gereksiz 
İsmail KIYICI

About İsmail KIYICI

Elektrik-Elektronik mühendisi. Elektrik-Elektronik Mühendisliği'nde yüksek lisans eğitimine devam etmekte. Komhedos.com kurucu ortağı ve yazarı. İlgi alanları nesnelerin interneti (IoT), endüstri 4.0, tahmin ve karar sistemleri, yapay zeka, savunma sanayi ve yenilenebilir enerji. Eski bir IEEE gönüllüsü.   İsmail'in yazılarını okumak için tıklayınız 

View all posts by İsmail KIYICI →