Üzerine gelen görünür bölgedeki ışınları soğuran cisimlere kara cisim denir. Kara veya siyah cisim denilmesin de bu görünür bölge ışınımları soğurması nedeniyle siyah göründüğü içindir. Kara cisim ışıması ise bir cismin sıcaklığına bağlı olarak saldığı elektromanyetik ışımadır. Bu ışımada sıcaklığa bağlılık dalga boylarının dağılımında (spektral dağılım) söz konusudur. Yani düşük sıcaklıklarda küçük frekanslarda (büyük dalgaboylu), yüksek sıcaklıklarda büyük frekanslarda ışınımlar gözlenir.
Yandaki grafikte bir kara cismin şiddet-dalgaboyu grafiği görülmektedir. Bu grafikte mavi-yeşil-kırmızı çizgiler deneysel sonuçları göstermektedir. Siyah çizgi ile klasik fizik düşüncesi ile yapılan kuramsal hesaplamalar görülmektedir. Büyük dalgaboylarında klasik fiziğin sonuçları deneysel sonuçlarla uyumlu olurken kısa dalgaboylarında uyumlu olmadığı görülmüştür. İşte kara cisim ışımasının önemli kılan bir diğer ölçüt. Max Planck ortaya attığı düşünce ile klasik fiziğin dışına çıkarken buradaki problemi çözerek kara cisim ışıması ile ilgili çalışmalar da deney ile uyuşan en tutarlı sonuçları ortaya çıkarmıştır. Bununla beraber grafiğe baktığımızda sıcaklık değeri arttığında dalgaboyunun azaldığını görmekteyiz.
Bir Kara Cismin Yapısı
Kara cismin yapısını çok basit bir şekilde ele alabiliriz bir çember düşünün ve sadece ufacık bir deliği olsun. Çok küçük olan bu delikten içeriye giren ışınım çember içerisinde oradan oraya yansır ve sonuçta çemberden yani cismimizden dışarı çıkamaz. Tabii çember bir şekilde olmayabilir eğri büğrü de olabilir belki yamuk yani belli bir kalıpta kalmayalım kara cisimi düşünürken. Bizim için önümüzde kullanacağımız tek parametre var o da ışıma şekli…
Kara Cismin Tarihçesi ve Fiziksel Önemi
Kara cisim terimi ilk olarak 1860 yılında Gustav Kirchoff tarafından kullanılmıştır.Kirchoff bu terimi kullanmadan önce bu olayı fark eden ilk kişi İngiliz Astronomu William Herschel’dir. 1800 yılında siyaha boyanmış bir termometreyi prizmadan geçirdiği güneş ışınlarının tayfında gezdirirken termometredeki ısınmanın beklenilenin aksine kırmızının ötesinde yani karanlık bölgede arttığını gözlemlemiştir. Kirchoff’tan sonra 1879 yılında Josef Stefan sıcak cisimlerin ışımadaki enerji yoğunluğunu sıcaklığa bağlı olarak incelemiş. 1884 yılında Ludwig Boltzmann da bu deneysel çalışmayı kuramsal olarak irdeledi. 1893 yılına geldiğimizde Wilhelm Wien ışıma şiddetinin frekansa göre dağılımının sadece sıcaklığa bağlı olduğunu gösteren ve kendi adıyla anılan Wien yasası ile kara cisim ışıması çalışmalarına bir yenisini eklemiştir. Son olarak 1900 yılında Max Planck bu yapılan çalışmalardaki eksiklikleri tamamlayarak kara cisim ışımasının klasik fizikte tıkanıp kalmasını engellemiştir. Oysa yeni bir fizikten hâlâ haber yoktu ama klasik fiziğin ilk tıkanıklığını bilim insanlarına hissettiren olay kara cisim ışıması idi.
Kara cisim ışıması için klasik fizik hesaplamaları yetersiz kalıyordu. Çünkü yapılan deneysel sonuçlarla bir şekilde tutarlı sonuçlar elde edilemiyordu. Bu hesaplamalar uzun dalga boylarında deneyle uyuşsa da kısa dalga boylarında deneyle uyuşmuyordu. İşte klasik fizik düşüncesi burada tıkanıp kalıyordu ve imdada Max Planck gelerek enerjinin sürekli yerine süreksiz parçalar (kuantalar) hâlinde olacağını işaret ederek yaptığı kuramsal çalışmalarla son noktayı koyuyordu. Ve aslında kuantum fiziğine de göz kırpıyordu.
Kara Cisim Işımasının Sonuçları
- Kara cisimde yer alan çok küçük delikten çıkan ışıma veya enerji, dalgaboyu ile sıcaklıkla değişir. Artan sıcaklıkla beraber enerji artarken dalga boyu da azalır. İşte bu azalmayı açıklayan yasaya Wien kayma yasası denir.
- Delikten çıkan ışınımın şiddeti deliğin şekline ve cinsine bağlı değildir. Wien yasasının sonucu böylece tüm kara cisimler için aynı oluyor.
- Kara cisimlerden yayımlanan ışınımın şiddeti her dalga boyunda ve aynı sıcaklıkta tutulan maddesel bir yüzeyden yayınlanan ışınımdan daha büyüktür.
Kara Cisim Örnekleri
İlk olarak Güneş’i örnek verebiliriz. 6000 Kelvin gibi bir sıcaklıkta Güneş ışıma yaptığı için kara cisime en iyi sayılabilecek örneklerden biridir. 2000 K civarında olan bir kor da ve aslında en çarpıcı örnek olarak insan örnek gösterilebilir. İnsan vücudu 310 K sıcaklığındadır. Ya evren, o da bir kara cisimdir: 3 K sıcaklığa sahip kozmik fon (arta kalan) ışıması yapmaktadır evren…
Hazırlayan: Gökhan Atmaca | http://twitter.com/kuarkatmaca
Kuark Bilim Topluluğu
Kaynaklar:
- http://en.wikipedia.org/wiki/Black_body
- http://www.biltek.tubitak.gov.tr/merak_ettikleriniz/index.php?kategori_id=4&soru_id=2601
- Fizik 3,Serway-Beichner,Çeviri Editörü: Prof.Dr.Kemal ÇOLAKOĞLU,Palme Yayıncılık
- Kara cisim şekli için yararlanılan yayın: http://www.noblelight.net/newsletter/blackbody.jpg
