kara cisim ışıması

Bir metali yüksek derecelerde ısıttığınızda niçin parlak kırmızı renk aldığını hiç düşündünüz mü?  Çoğumuz bu olayı en azından bir orta çağ filminde kılıç yapan demircinin pazılarını incelerken dikkatimizi pek cezbetmese de görmüşüzdür.  Aslında bu olayın bilim adamlarının da dikkatini çekmesi pek kolay olmadı ta ki 1900 lü yılların başlarında fiziğin en büyük sorusu haline gelinceye kadar.

Tamam şimdi aklınızdaki bu sorunun cevabını dilim döndüğünce vermeye çalışayım.  İlk okulda  kafamıza vura vura ezberlettikleri bir şey vardır. Maddenin en küçük yapı taşı “atom”dur diye.  O halde bu sorunun cevabını ancak atomları inceleyerek bulabiliriz.  Yine hepimiz biliriz ki atom etrafında elektronlar dönmektedir.   Elektronlar atom etrafında farklı enerji seviyelerinde(Yörüngelerde)  dönerler.  Ve ara sıra elektronların enerji seviyeleri değişmektedir.  Herhangi bir elektron dış elektrik ve ya manyetik alan tarafından uyarıldığında enerji kazanarak bir üst enerji seviyesine geçer ve belki yeterli enerjiyi aldığında atomu terk ederek başka bir atoma geçer.

hyde3

hydrogen-electron-state-equation-downward-transition-emission-photon-energy-signals-line-22-wow-data

   

   Yukarıda elektronların enerji seviyelerini ve formüllerini görüyorsunuz.  Bir elektron enerji seviyesini değiştirirken ya etrafa bir elektromanyetik dalga ışıması yapar ya da etraftan bir elektromanyetik dalga soğurur.  Eğer üst enerji seviyesine geçiyorsa elektron etraftan bir enerji(manyetik alan, elektrik alan, ısı) ya da bir elektromanyetik dalga soğurur.  Eğer alt enerji seviyesine geçiyorsa o halde elektron geçtiği yörüngeye kıyasla belli bir dalga boyu büyüklüğünde bir elektromanyetik dalga yayar. Yani ışıma yapar.   Kara cisim ışımasının temel sebebi budur.  

Aslında sıfır derecenin üzerindeki her maddede  elektronlar sürekli enerji seviyesi değiştirdiğinden yalnız çok sıcak cisimler değil, mutlak sıfır sıcaklığının üstündeki sıcaklığa sahip her cisim etrafabir elektromanyetik dalga ışınımı yapar. Ancak çok sıcak olmayan cisimlerin yaydığı ışık, gözle görülebilir ışık değildir. Cisim sıcaklığı arttıkça farklı dalga boylarında ışımalar gerçekleşir. Canlılar da vücut ısılarından dolayı etraflarına ışık yayarlar. Biz bu ışıkları göremeyiz çünkü vucut sıcaklığında yayılan ışığın dalga boyu görünebilir ışık dalga boyundan farklıdır. Gece görüş kamerası veya termal kamera adı verilen araçlar canlılardan yayılan bu ışığı algılayarak görülebilir hale getirirler.

Metal bir cisim sürekli ısıtıldığında cisim önce kızarır, sıcaklığı arttıkça da rengi beyaza daha sonra maviye doğru kayar. Dikkatli bir inceleme yapıldığında, cismin sıcaklığı yükseldikçe yayınladığı ışığın kızılötesi bölgeden, görülebilir ve morötesi bölgeye yayıldığı görülür.

black_body

EM_spectrum_compare_level1_lg

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.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.

Adsız

   Klasik fiziğin deneysel verilerle uyuşmaması bilim ünyasında kocaman bir bilinmezlik yarattı.  Bu bilinmezliğe bilim mor ötesi felaket ismini vermiştir.  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 öngördüğü şekilde yani dalga olarak değil de kuantalardan oluşmuş bir parçacık gibi düşünmüştür. Planck’a göre ışık, her bir parçacığının enerjisi h= 6,662×10^-34 Js 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’ın matematiksel olarak eksiksiz olan yeni

modelinin kabul görebilmesi için deneysel olarak da desteklenmesi gerekmekteydi.

Bu öngörü daha sonralarda Albert Eisnteinin de destekleyerek bilim dünyasında bomba etkisi yaratan Quantum fiziğinin başlangıcı olmuştur. 

Bilim bu noktadan yola çıkarak gece görüş kameraları, çeşitli radarlar ve  malzeme analiz cihazları üretmiştir.

  • kerim

    yazılarınızda kullandıgınız kaynaklara da yer verirseniz sevinirim.daha geniş araştırma yapmak isteyenler icin yardımcı olucaktır.

  • Yorum için teşekkürler. Önerinizi dikkate almaya çalışacağım.