Siyah Cisim Işıması Hocalara Geldik

Siyah Cisim Işıması Umut Öncül

Siyah Cisim Işıması Teknofem

Sıcaklığı mutlak sıcaklığın üstünde olan bütün maddeler, elektromanyetik ışıma yapar. Bu ışıma, madde hangi fiziksel hâlde olursa olsun maddeyi oluşturan taneciklerin titreşim hareketi yapması sonucunda meydana gelir. Maddelerin yaydığı elektromanyetik ışımanın etkisi taneciklerin titreşim hareketinin şiddetine, taneciklerin titreşim hareketinin şiddeti de maddenin sıcaklığına bağlı olarak değişir. Maddenin sıcaklığına bağlı olarak farklı frekanslarda ışıma yapmasına termal ışıma denir. Üzerine düşen ışığın tamamını soğuran ve sıcaklığa bağlı olarak her dalga boyunda ışıma yapan cisimlere siyah cisim denir. Siyah cisimler tarafından cismin sıcaklığına bağlı olarak yapılan ışımaya da siyah cisim ışıması denir. Güneş ve yıldızların yaptığı ışıma, kor hâline gelmiş kömür parçaları arasındaki ışıma (Görsel 5.4), yüksek sıcaklığa kadar ısıtılan demirden yayılan ışıma (Görsel 5.5) siyah cisim ışımasına örnek olarak gösterilebilir. Siyah cisimler görünür bölgede kırmızı ışıma yaparken cismin sıcaklığı arttıkça turuncu, sarı, yeşil ve maviye doğru değişen ışımalar yapar.

Duvarında küçük bir boşluk açılmış içi boş bir cisim, siyah cisim gibi davranır (Şekil 5.6). Bu cismin içine gelen ışınlar çoklu yansıma sonucunda tamamen soğurulur. Oyuktan çıkan ışın sadece duvardaki yüklerin termal hareketinden kaynaklanır. Bu ışıma siyah cisim ışımasıdır. Yapılan deneyler ile siyah cisimlerin bütün dalga boylarında ışıma yaptığı, bazı dalga boylarında ise ışımanın daha büyük şiddette olduğu kanıtlandı. Işımanın maksimum şiddette olduğu dalga boyu ise cismin sıcaklığıyla ters orantılı olarak azalır.

Klasik yaklaşıma göre cismin yapacağı ışıma şiddeti, frekansa bağlı olarak sürekli artış göstermelidir (Şekil 5.8). Bu durum ışınımın dalga boyu küçüldükçe maddenin yayacağı enerjinin sonsuz bir değere yaklaşması demektir. Deneyler sonucunda siyah cisimden yayılan ışımanın dalga boyu ile enerjisi arasındaki ilişki, klasik yaklaşımın öngördüğü sonuçlardan farklı görülür. Klasik yaklaşım, uzun dalga boylarında deneysel veri- lere oldukça uyumludur. Ancak deneysel verilerde de dalga boyu sıfıra yaklaştıkça ışıma şiddetinin de sıfıra yaklaştığı Şekil 5.8’de görülür. Bu durum kısa dalga boylarında klasik fizik ile deneysel veriler arasında uyumsuzluk olduğunu gösterir.

Morötesi felaket olarak adlandırılan bu uyumsuzluk klasik yaklaşım tarafından açıklanamamış ve kuantum fiziğinin doğmasına sebep olmuştur. Işıma enerjisinin sürekli değil de kesikli olduğu düşünüldüğünde siyah cisim ışıması olayının açıklanabileceğini ifade eden Planck, bu uyumsuzluğa çözüm getirmiştir.

Planck Hipotezi

Fiziğin tarihsel gelişiminde elektromanyetik dalgaları başarılı şekilde açıklayan elektromanyetik teorinin, siyah cisim ışımasını açıklamakta yetersiz kalması, fizik bilimi açısından yeni teori arayışlarının başlamasına neden olmuştur. Bu dönemde Max Planck (Maks Plank, 1858-1947) (Görsel 5.6), enerjinin kuantumlu yayıldığı fikrini açıklamıştır. Bu açıklama kuantum fiziğinin temeli hâline gelmiştir. Akkor hâlindeki katıların yaydığı ışımaları inceleyen Planck’ın bulduğu matematiksel fonksiyon, büyük dalga boylarında klasik fizik yasalarıyla aynı sonuçları verirken küçük dalga boylarında da deneysel sonuçlarla uyum göstermektedir.