Kara cisim radyasyonu (ışıması) nedir?

Alman fizikçi Kirchhoff tarafından öne sürülen, yine Alman fizikçi Max Planck tarafından açıklanan bir durumun sonucudur. Peki nedir bu kara cisim ışıması?

Siyah bir kutu düşünelim ve bu kutunun içerisi herhangi bir şekilde görülmeyecek bu kutunun içerisine bir iğne deliği gibi bir delik açılsın ve ışık -diğer adıyla foton- girsin içerisine, burada ışık dışarıya herhangi bir şekilde çıkamayacak ve ışık orada hapsolacaktır. Bu cisim herhangi bir durumda ısıtılırsa eğer farklı frekans ve farklı dalga boyunda renklere ayrılmaktadır, düşük frekans olmak üzere sırayla enerjinin renk halleri şu şekildedir, kırmızı, sarı, mavi-beyaz.

Kara cisim ışımasının en büyük etkisi kuantum mekaniğine olmuştur çünkü enerji burada sürekli değil kesiklidir.

Paul Dirac ve Kuantum Elektrodinamiği

Max Planck bu durumu incelediği zaman ona yardımcı olacak iki etken vardı: Birincisi Rayleigh-Jeans adında iki bilim insanının düşük frekans yüksek dalga boylu bir denklemi (frekans 1 bölü dalga boyu olduğu için frekansla dalga boyu ters orantılıdır) ve Wien adında bir bilim insanının yüksek frekans ve düşük dalga boylu denklemi.

Max Planck esasında Maxwell ve Boltzmann tarafından geliştirilen termodinamiğin istatistik yorumuyla büyüyen birinci nesil fizikçilerdendir. O ise daha çok termodinamiğin ikinci yasası olarak bilinen entropi üzerine çalışmasıdır, bu ısıl dengeyi sağlayan durumu anlama adına onun önüne birçok sorun çıkacaktır.

Bir dönem Planck’tan düşük enerji ile maksimum ışık elde edilmesi için ampül yapmalarını istenmiştir. Durumu bu iki denklem sonucu çözme yolunda önüne kara cisim eğrisi problemi çıkacaktır. Burada esasında amacı bu ışımaya neden olan tayfın fiziksel eğrisini anlamak.

Kuantum dünyasında elektronlar nasıl ışıkla hareket ettirilecek?

Bu denklemlerden çıkan sonuç ise tamamen klasik anlamda bir sürekliliktir yani enerji kuantumlar halinde değil sürekli olarak yayılmaktadır. Oysa bu durum mor ötesi felakete sebep oluyor.

Dolayısıyla ısıl denge söz konusu bile değildir burada. Çünkü düşük frekans yüksek dalga boyuna denk geldiği için düşük bir enerji söz konusu, diğer denklem ise yüksek enerji ile ortaya çıkıyor. Ancak bize ısıl denge gerek, burada Planck biraz matematiksel cambazlıklarla şu denklemi açığa çıkarıyor, bu denklem kısaca;

Burada E enerji kuantumu, h Planck sabiti denilen bir sabit ve v (nü diye okunuyor) frekansı göstermektedir. Burada enerji sürekli değil kuantumlar halindedir yani enerji paketleri halinde oysa bu fiziksel durum hakkında kendisininde pek bir bilgisi yoktur.

Konuyu 1900 yılı Aralık ayında Berlin bilim konferansında bilim insanlarına sunar fakat bu durum klasik mekaniğe bir darbe olarak görüldüğü için hemen kabul edilmez bir zaman sonra ancak kabul edilir. Bu durum kuantum mekaniğinin öncüllerinden olur. Sonra Einstein tarafından açıklanacak olan foto elektrik olayı da enerjinin yine kuantumlar halinde var olması ile açıklanacaktır -hatta Einstein bu durumdan dolayı Nobel Ödülü kazanacaktır.

Güneşin sıcaklığını renginden çıkarabiliriz. Gördüğümüz günes ışığı 5800 derecedeki kara cisim ışımasına karşılık geliyor. Güneş fotoğraflarına bakınca ekvator ve kutup bölgeleri arasında bir renk farkı görünmüyor. Tahminimce arada bir fark varsa da oldukça ufak bir fark olacağı. Güneş lekeleri daha soğuk bölgeler olarak fotoğraflarda hemen fark edilebiliyor. Bazı güneş patlamaları yüksek ısı ürettiğinden, daha parlak görünüyor.

Isı güneşin cekirdeginden dış katmanlara dev konveksiyon akimlariyla taşınıyor. Güneşin dönmesi bu akımlara coriolis kuvveti gibi etkilerden dolayi belki etki ediyordur.

1. Erwin Schrödinger ve Kuantum Devrimi – John Gribbin (Çev: Prof. Dr .Bahattin Mehmet Baysal,- Alfa Yayınları – 2013)
2. Steven Weinberg – İlk Üç Dakika (Çev: Prof. Dr. Zekeriya Aydın, Prof. Dr. Zeki Aslan – Kırmızı Kedi Yayınları – 2013)