الجسم الأسود

الجسم الأسود: هو جسمٌ وهميّ مثاليّ يحقق الثلاثة شروط التالية. يمتصُ كل الإشعاع الكهرومغناطيسي (الضوء مثلاً) الساقط عليه.  يشع إشعاع حراري يتناسبُ مع حرارته، على كامل الأطوال الموجية، لا يوجد جسم أسود مثالي لأنه لا يوجد جسم يمتص الأطوال الموجية ويشعها دون فقد في الطاقة وما نحو ذلك. الإشعاع الصادر عنه يكون بشكل متواحد الخواص (متساوي في كل الاتجاهات).
و بناءً على ذلك، الجسم الأسود هو أفضل ماصّ وباعث للإشعاع، وهو ما يسمى بِباعث انتشاريّ.
و قد سميّ جسمًا "أسودًا" لأن اللون الأسود هو اللون الذي يمتصُ كل الضوء الساقطِ عليه ولا يعكس منه شيئاً.
جسم أسود في حالة توازن حراري (أي حرارته ثابتة) يُشِعّ إشعاع كهرومغناطيسي يسمى إشعاع الجسم الأسود. ولِكون هذا الجسم مثالياً، فهذا الإشعاع هو أكبر طاقة يمكن ان يشعُها أي جسم بنفس درجة الحرارة . يحكم هذا الإشعاع قانون بلانك الذي ينُصّ على أن حرارة الجسم هي العامل الوحيد المُحدِد لكمية الطاقة المنبعثة عند طول موجيّ معين.
يبين الشكل على اليسار عدة اطياف اجسام سوداء بدرجات حرارة مختلفة. تُلاحظ أنه كلما قلت الحرارة تنزاح القمة باتجاه الأطوال الموجية الأطول، أي باتجاه اللون الأحمر في نطاق الضوء المرئي. فعند حرارة 3000K يكون أكبر قدر للطاقة المنبعثة داخل النطاق المرئي عند الطول الموجيّ الذي يمثل اللون الأحمر. لهذا، عند تسخين الحديد يبدأ أولاً بالتحول للّون الأحمر. ثم إن تم تسخينه أكثر فأكثر يبدأ الأشعاع الحراري المنبعث منه يعطي أكبر قدر طاقة منبعثة (متمثل بقمة المنحنى) عند الطول الموجيّ الذي يمثل اللون الاصفر.
تمثيل واقعي قريب لهذا الجسم المثاليّ هو تجويف كبير نسبياً بجدران مُكمَّدة (قاتمة السواد) وفي أحدها ثقب صغير جداً. يدخل الضوء من هذا الثقب إلى التجويف وينعكس ويتشتت (و بالتالي يمتصه جسم هذا التجويف) داخل هذا الحيز الواسع، ولصغر الثقب يكون من غير المحتمل أن يخرج الضوء إلى الخارج.

التصورات

يصف هذا الجزء المفاهيم التي تطورت اتصالًا بالأجسام السوداء.

تجويف بثقب

يُستخدم الثقب الصغير في تجويف به جدران معتمة للإشعاع بصورة شائعة كنموذج على السطح الأسود. أي حادثة للإشعاع على الثقب ستمر خلال التجويف، ومن النادر أن يُعاد إشعاعها إذا كان التجويف كبيرًا. ليس الثقب سطحًا أسود كاملًا، بالتحديد إذا كان الطول الموجي للإشعاع الحادث أطول من قطر الثقب، سينعكس بعضها. وبصورة مشابهة، في التوازن الحراري المثالي، لن يكون للإشعاع داخل تجويف متناهي الحجم طيف بلانك مثالي للأطوال الموجية مقارنة بالتجويف أو أكبر منه.
افترض أن التجويف بدرجة حرارة ثابتة هي [T] والإشعاع محصور بالداخل بتوازن حراري مع التطويق. سيسمح الثقب داخل التطويق بهروب بعض الإشعاع. إذا كان الثقب صغيرًا، سيكون تأثير الإشعاع الذي يمر داخل وخارج الثقب مهملًا على توازن الإشعاع داخل التجويف. ستقترب تلك الأشعة الهاربة من إشعاع الجسم الأسود الذي يظهر توزيعًا للطاقة مميزًا للحرارة [T] ولا يعتمد على خصائص التجويف أو الثقب، على الأقل بالنسبة للأطوال الموجية الأصغر من حجم الثقب.
عند أي وقت معطى، ربما لن يكون الإشعاع في التجويف في حالة توازن حراري، ولكن القانون الثاني للديناميكا الحرارية ينص على أنه إذا تُرك دون مقاطعة سوف يصل للتوازن في النهاية، بالرغم من طول الوقت الذي يتطلبه فعل ذلك. نصل للتوازن بالامتصاص المستمر والانبعاث للإشعاع بواسطة مادة في التجويف أو في جدرانه. سيكتسب الإشعاع الداخل للتجويف حرارة بهذه الآلية: سيُعاد توزيع الطاقة حتى تحقق الفوتونات المتفرقة توزيع بلانك. الوقت المأخوذ للتسخين أسرع بوجود المادة المكثفة أكثر من المادة المخلخلة مثل الغاز المخفف. عند درجات حرارة أقل من بلايين الكيلفن، تكون تفاعلات الفوتون-فوتون المباشرة مهملة مقارنة بالتفاعلات مع المادة. الفوتونات هي مثال على غاز البوزون المتفاعل، وموصوف بمبرهنة إتش، تحت الظروف العامة سيصل أي غاز بوزون متفاعل إلى التوازن الحراري.

الانتشار والامتصاص والانعكاس

يتميز سلوك الجسم بالنسبة للإشعاع الحراري بالانتشار τ والامتصاص α والانعكاس ρ. 
تشكل حدود الجسم سطحًا مع المحيط بها، وربما يكون هذا السطح خشنًا أو ناعمًا. يجب أن يكون السطح غير العاكس الذي يفصل المناطق التي لها معاملات انكسار مختلفة خشنًا، لأن قوانين الانعكاس والانكسار محكومة بمعادلات فرينل حيث يتطلب السطح الناعم شعاعًا منعكسًا عندما تختلف معاملات الانكسار للمادة والمحيط بها. تُعطى بعض الأنواع المتصورة من السلوك أسماء محددة: 
الجسم المعتم هو الذي لا ينبعث منه إشعاعًا من الذي يصل إليه، بالرغم من انعكاس جزء منه. وهو ما يعني أن: τ=0 and α+ρ=1
الجسم الشفاف هو الجسم الذي ينبعث منه كل الإشعاع الذي يصل إليه. مما يعني أن: τ=1 and α=ρ=0
الجسم الرمادي هو الذي يتساوى فيه كل من الانتشار τ والامتصاص α والانعكاس ρ لكل الأطوال الموجية. يُستخدم هذا المصطلح أيضًا ليعني جسمًا يكون فيه الامتصاص غير معتمد على الطول الموجي ودرجة الحرارة. 
الجسم الأبيض هو الذي ينعكس عليه كل الإشعاع الحادث بصورة متساوية في كل الاتجاهات: τ=0، α=0، ρ=1. 
بالنسبة للجسم الأسود، τ=0،  α=1 و ρ=0. يوفر بلانك نموذجًا نظريًّا للأجسام السوداء المثالية، والتي لاحظ أنها لا توجد في الطبيعة: بجانب الداخل المعتم، فإن لها أسطحًا مشعة وغير عاكسة.

أجسام كيرشوف السوداء المثالية

قدم كيرشوف في عام 1860 المفهوم النظري للجسم الأسود المثالي، بطبقة سطح ماص مثالي لديه سمك متناهي الصغر، لكن بلانك لاحظ بعض القيود الشديدة على هذه الفكرة. لاحظ بلانك ثلاث متطلبات للجسم الأسود: يجب أن يكون الجسم الأسود (1) يسمح بدخول الإشعاع ولا يعكسه، (2) لديه الحد الأدنى من السُمك المناسب لامتصاص الأشعة الحادثة ومنع إعادة الانبعاث، (3) يناسب الحدود القصوى للتبعثر لمنع الإشعاع من الدخول ثم الخروج. ونتيجة لذلك، لا يمكن أن تتحقق أجسام كيرشوف السوداء المثالية والتي تمتص كل الإشعاع الساقط عليها، بوجود ظروف تبعثر الضوء خلال الجسم الأسود والتي يصعب تحقيقها.

التحقق الواقعي

تلك الأمثلة توضح التحقق الواقعي والتجسد في العالم الواقعي للجسم الأسود.

تجويف بثقب

في عام 1898، نشر أوتو لومار وفيردناند كورلباوم موجزًا عن مصدر إشعاع تجويفهم. استُخدم تصميمهم بصورة واسعة لقياس الإشعاع حتى هذا اليوم. كان الثقب في جدار صندوق البلاتينيوم، مقسمًا إلى حواجز، وداخله مطلي بأكسيد الحديد. كان مكونًا مهمًا للقياسات المحسنة والتي أدت إلى اكتشاف قانون بلانك. وصفت نسخة منه عام 1901 وكان داخلها مسودًا بمزيج من أكاسيد النيكل والكروم والكوبلت.

المواد شبه السوداء

يتزايد الاهتمام بالأجسام شبه السوداء من أجل استخدامها في التمويه والمواد الماصة للرادار من أجل التخفي. كما أن لها تطبيقات كمجمعات للطاقة الشمسية، ومستشعرات للحرارة تحت الحمراء. وكباعث مثالي للإشعاع، يمكن للمادة الساخنة بسلوك الجسم الأسود أن تخلق سخانًا للأشعة تحت الحمراء كفء، خاصة في الفضاء أو الفراغ عندما يكون التسخين العادي غير متوفر. كما أنها كانت مفيدة في التيليسكوب والكاميرا كسطح مضاد للانعكاس لتقليل الضوء الضال وتجميع المعلومات حول الأجسام في المناطق عالية التباين (على سبيل المثال، ملاحظة الكواكب في مداراتها حول النجوم)، حيث تمتص المواد الشبيهة بالأجسام السوداء الضوء وتأتي من مصادر خاطئة. 
كما أنه كان من المعروف أن غطاء أسود الكربون سوف يجعل الجسم أسود تقريبًا. وجد تحسينًا في أسود الكربون في الأنابيب النانوية الكربونية المصنعة. يمكن أن تحقق المواد نانوية الثقوب معاملات انكسار قريبة من الفراغ، فتحصل على متوسط انعكاس 0.045%. في عام 2009، صنع فريق من العلماء اليابانيين مادة تسمى أسود النانو وهو قريب من الجسم الأسود المثالي، بناءً على أنابيب نانوية كربونية وحيدة الجدار. يمتص ذلك نحو 98% و99% من الضوء في المدى الطيفي من الأشعة فوق البنفسجية حتى الأشعة تحت الحمراء. 
يُعتبر الأسود الفائق من الأمثلة الأخرى للمواد السوداء المثالية، المجهزة بالنقش الكيميائي لسبيكة النيكل والفسفور، و صفوف الأنانيب الكربونية السوداء المرتبة عموديا، كلاهما يمتص 99.9% من الضوء أو يزيد عن ذلك.

النجوم والكواكب

يُمثل النجم أو الكوكب نموذجًا للجسم الأسود، ينبعث الطيف الكهرومغناطيسي لهذه الأجسام على هيئة إشعاع الجسم الأسود. تظهر الصورة مخططًا لقطاع عرضي لتوضيح الفكرة. يُمثل الغلاف الضوئي للنجم، حيث يشع الضوء، كطبقة تتفاعل خلالها الفوتونات مع المادة الموجودة في الغلاف الضوئي وتحقق درجة الحرارة الشائعة [T] التي يُحافظ عليها خلال فترة من الزمن. تهرب بعض الفوتونات وتُبعث للفضاء، لكن الطاقة التي تحملها تُستبدل بطاقة خلال النجم، وبالتالي تكون درجة الحرارة للغلاف الضوئي ثابتة تقريبًا. تؤدي التغيرات في اللب إلى تغيرات في إمداد الطاقة للغلاف الضوئي، لكن مثل هذه التغيرات بطيئة على مقياس الزمن. بافتراض أن هذه الظروف يمكن تحقيقها، فإن الطبقة الخارجية للنجم تتناظر مع مثال التجويف بثقب، حيث يستبدل الثقب الانتشار المحدود للفضاء خارج الغلاف الضوئي. وبهذه الافتراضات، يشع النجم إشعاع الجسم الأسود بدرجة حرارة الغلاف الضوئي.

إشعاع الجسم الأسود

وكان العالم كيرشوف قد بين من اعتبارات الديناميكا الحرارية أنه بالنسبة لأي طول موجة تكون النسبة بين معدل إصدار سطح مادة ما ومعدل الإصدار من سطح الجسم الأسود تساوي عامل الامتصاص لهذه المادة عند هذا الطول الموجي. وهذا ما جعل سطح الجسم الأسود مصدرا عياريا ملائما للإشعاع وامتصاص الأشعة الحرارية. وسوف نقتصر على دراسة إشعاع الجسم الأسود، وذلك بتخيل أن شعاعا ذو طول موجة معين دخل من ثقب في جدار فقاعة في مادة صلبة سوداء، فإنه سينعكس عدة مرات على جدران الفقاعة الداخلية، حتى يصل إلى حالة التوازن الحراري. وحالة التوازن الحراري هذه تتسم بأن كل ذرة من الذرات المكونة للجدران تصدر طيفا من الإشعاعات الكهرومغناطيسية  بنفس القدر الذي تمتصه من إشعاعات الذرات الأخرى. فيملأ طيف الإشعاع الكهرومغناطيسي الفقاعة ويصل إلى حالة التوازن. أي أن في حالة التوازن الحراري داخل الفقاعة يكون مقدار الطاقة الذي تـُصدره الذرات في وحدة الزمن مساويا مقدار الطاقة الذي تمتصه. وتصبح كثافة طاقة الطيف الكهرطيسي في الفقاعة ثابتة.
وكانت التجارب قد بينت أن للإشعاع الكهرطيسي المحتجز داخل الفقاعة (وبالمثل للإشعاع الصادر من الجسم الأسود) وهو في حالة التوازن الحراري، يكون له توزيعا للطاقة محددا تماما يعتمد على درجة حرارته (انظر الشكل). وينتمي لكل تواتر  (أو طول موجة ) كثافة طاقة محددة، لا تعتمد إلا على درجة حرارة الجسم ولا علاقة لها بمادة هذا الجسم.
ويبين الشكل البياني أعلاه توزيع طول موجة الإشعاع الصادر من الجسم الأسود وشدة الإشعاع، وعلاقتهما بدرجة حرارة الجسم الأسود. ونرى أن النهاية العظمى للمنحني تزيد وتنزاح في اتجاه طول موجة أقصر كلما ارتفعت درجة حرارة الجسم.
وقد أدت مسألة إيجاد الآلية التي تجعل طاقة إصدار الذرات للإشعاع الحراري موزعة على مختلف التواترات كما يشاهد تجريبيا إلى ولادة فيزياء الكم. ذلك أن كل المحاولات التي جرت في نهاية القرن التاسع عشر لتفسير هذا التوزيع الطاقي بالاستناد إلى المفاهيم الكلاسيكية بالاستعانة بالديناميكاالحرارية وقوانين الكهرومغناطيسيةالتي كانت سائدة في ذلك الوقت باءت بالفشل (قارن منحنى العلاقة الكلاسيكيه بالرسم).
يبين الشكل المقابل (الإيطالي) طيف الشمس الذي التقطه أحد الأقمار الصناعية (باللون الأصفر) وهو ينطبق انطباقا جيدا على منحني بلانك من أول الطيف إلى آخره، وكلاهما يبين قمة للإشعاع بين موجة طولها 750 نانومتر ونحو 370 نانومتر، وهذا هو حيز الضوء المرئي. وتجري المقارنة في نفس الوقت بطيف الشمس الملتقط على سطح الأرض (باللون الأحمر)، ولايزال التطابق جيدا بينهم مع الفارق أن طيف الأرض يتعرض عند بعض أطوال موجة أشعته للامتصاص في جو الأرض، الشيء الذي يترك فيه بعض الفجوات وهي ناشئة في معظمها عن امتصاص بخار الجو لتلك الأشعة. كما نلاحظ أن الطيف الحراري للشمس ينتهي تقريبا عند طول موجة قدرها نحو 170 نانومنتر وهو تقريبا نهاية الأشعة فوق البنفسجية.

قوانين خاصة بالجسم الأسود

في مجال الإشعاع الحراري عمل كثير من العلماء في الشرق والغرب لاستنباط القوانين المتحكمة في إصدار الحرارة من الأجسام، وقد  اتضح أنها تصدرها بواسطة أشعة كهرومغناطيسية مثل الضوء المرئي ومثل والأشعة تحت الحمراء والموجة ميكروية . وتوصلوا إلى القوانين التالية التي تصفها:

علاقة درجة الحرارة بين النجم والكوكب

إذا ما اعتبرنا أن الكوكب يتبع سلوك الجسم الأسود فإن بالإمكان استخلاص العلاقة التي تربط بين مصدر الإشعاع (النجم مثلا) وبين مصدر استلام الإشعاع الحراري وعكسه (الكوكب مثلا) بتطبيق معادلات التوازن الحراري.