कृष्णिका

एक ऐसी वस्तु जो अपने पृष्ठ पर आपतित सभी तरंगदैध्यो के विकिरणो का पूर्णतयः अवशोषण कर लेती है उसे कृष्णिका कहते है।।
 
भौतिक विज्ञान में कृष्णिका पदार्थ की एक आदर्शीकृत अवस्था है, जो अपने ऊपर पड़ने वाले सभी विद्युत चुम्बकीय विकिरण अवशोषित कर लेता है। कृष्णिका एक विशेष और सतत वर्णक्रम (स्पेक्ट्रम) में विकिरण को अवशोषित और गर्म होने पर फिर से उत्सर्जित ‍करते हैं। क्योंकि कोई भी प्रकाश (दृश्य विद्युत चुम्बकीय विकिरण) परिलक्षित या संचरित नहीं होता है और वस्तु जब ठंडी होती है, तो काली दिखाई देती है। हालांकि एक कृष्णिका तापमान पर निर्भर प्रकाश वर्णक्रम का उत्सर्जन करता है। कृष्णिका से निकले इस सौर विकिरण को कृष्णिका विकिरण कहा जाता है। कृष्णिका के वर्णक्रम में तरंग की लंबाई (तरंगदैर्घ्य) जितनी छोटी होती है, आवृत्ति उतनी ही ज्यादा होती है और उच्च आवृत्ति उच्च तापमान से संबंधित होती है। इस प्रकार, एक गर्म वस्तु का रंग वर्णक्रम के नीले अंत के करीब होता है और एक ठंडी वस्तु का रंग लाल के करीब होता है।
कमरे के तापमान पर, कृष्णिका ज्यादातर अवरक्त (इंफ्रारेड) तरंगदैर्घ्य फेंकते हैं, लेकिन तापमान के कुछ सौ डिग्री सेल्सियस बढ़ जाने पर कृष्णिका दृश्य तरंगदैर्घ्य उत्सर्जित करते हैं, जो तापमान बढ़ने के साथ ही लाल, नारंगी, पीले, उजले, नीले दिखते हैं। वस्तु के सफेद होने तक वह पर्याप्त मात्रा में पराबैंगनी विकिरण उत्सर्जित करती है।
"कृष्णिका" शब्द 1860 मेंगुस्ताव किर्चाफ के द्वारा शुरू किया गया। जब इसका यौगिक विशेषण के रूप में प्रयोग किया जाता है, तो यह शब्द आम तौर पर "कृष्णिका विकिरण" या " ब्लैकबॉडी रेडियेशन" के रूप में एक शब्द में संयुक्त हो जाता है।
कृष्णिका उत्सर्जन एक निरंतर जारी रहने वाले क्षेत्र के सौर संतुलनस्थिति की अंतर्दृष्टि प्रदान करता है। शास्त्रीय भौतिकी में सौर संतुलन में प्रत्येक अलग-अलग फूरियर मोड में समान ऊर्जा होनी चाहिए। इस दृष्टिकोण से एक विरोधाभास पैदा हुआ, जिसे पराबैंगनी आपदा के रूप में जाना जाता है और जिसमें सतत जारी रहने वाले क्षेत्र में ऊर्जा की एक अपार मात्रा होती है। कृष्णिका सौर संतुलन के गुणों का परीक्षण कर सकते हैं, क्योंकि वे जो सूर्य की किरणों द्वारा वितरित किये जाने वाले विकिरण उत्सर्जित करते हैं। ऐतिहासिक रूप से कृष्णिका के नियमों का अध्ययन करने से ही क्वांटम यांत्रिकी की अवधारणा आई।

व्याख्या

कृष्णिका का विकिरण एक खास तापमान में कृष्णिका के साथ सौर संतुलन और प्रकाश विकिरण का प्रकाश होता है। यह प्रकाश के थर्मोडायनेमिक्स (उष्मगतिकी) संतुलन की स्थिति को सन्दर्भित करता है। प्रयोगात्मक रूप से यह कृष्णिका युक्त एक कठोर-दीवारों वाली गुहा में स्थिर स्थिति संतुलन विकिरण के रूप में स्थापित हो चुका है। प्रकृति में दृढ़ता से कोई वास्तविक कृष्णिका नहीं होते लेकिन ग्रेफाइट एक अच्छा सादृश्य है और स्थिर स्थिति पर ग्रेफाइट दीवारों युक्त एक बंद बॉक्स कृष्णिका के आदर्श विकिरण का एक अच्छा सन्निकटन है। एक गुहा, जिसमें कोई कृष्णिका नहीं है, वह संतुलन की स्थिति में कृष्णिका विकिरण बरकरार रखने में सक्षम नहीं है, यह तथ्य किर्चाफ द्वारा प्रयोगात्मक रूप से पाया गया है, लेकिन इसका भौतिक महत्व न तो किर्चाफ ने समझा और न ही प्लैंक ने.
चूंकि प्रकाश निरंतरविद्युत चुम्बकीय क्षेत्र का एक दोलायमान रूप है, कृष्णिका के विकिरण-अध्ययन से पता चलता है कि सतत क्षेत्रों में कैसा तापमान होता है, जो शास्त्रीय भौतिकी से विरोधाभास प्रकट करता है। क्योंकि क्वांटम यांत्रिकी के आगमन से पहले प्रकाश की सौर स्थिति इतनी भ्रमित करने वाली थी कि 19 वीं सदी के इन तर्कों को काफी सावधानी से पेश किया गया कि प्रकाश की एक सौर संतुलन स्थिति होती है।
निर्धारित तापमान में टी में कोई पदार्थ एक ओवन की तरह चमकता हुआ देखा जा सकता है। जिस बिंदु पर सभी ठोस पदार्थ एक मंद लाल चमक (करीब 798 के) पैदा करते हैं, उस बिंदु को ड्रेपर बिंदु नाम दिया गया।
1000 के पर एक ओवन लाल दिखता है और 6000 के पर यह सफेद दिखाई देता है। जब तक ओवन काफी चमकदार नहीं होता तब तक इससे कोई अंतर नहीं पड़ता है कि भट्ठी का निर्माण कैसे किया गया है, प्रकाश का रंग केवल तापमान पर निर्भर करता है। चूंकि रंग तरंगदैर्घ्य का प्रत्यक्ष रूप से दर्शनीय उपाय है, इसलिए यह कहने का मतलब है कि अलग-अलग तापमान पर प्रकाश से अलग-अलग तरंगदैर्घ्य के बीच भिन्न-भिन्न ऊर्जा वितरित होती है। टी तापमान पर λ तरंगदैर्घ्य में प्रति यूनिट वोल्युम ई ऊर्जा की मात्रा को कृष्णिका घुमाव की अवस्था कहा जाता है। विस्तृत प्रयोगों से पता चला है कि कृष्णिका के घुमाव की अवस्था केवल तापमान पर निर्भर करती है, न कि उत्सर्जित पदार्थ पर. इससे यह पता चलता है कि किसी भी अन्य वस्तु की तरह प्रकाश वास्तव में सौर संतुलन से आता है और इस प्रकार टी तापमान में प्रकाश की अवधारणा समझ में आती है।
समान तापमान पर दो चीजें संतुलन में रह सकती हैं, जैसे टी तापमान पर प्रकाश के बादल से घिरा पदार्थ टी तापमान पर औसत रूप से बादल में उतना प्रकाश विकिरित कर सकता है, जितना वह सोख ले, यह प्रीवोस्ट के विनिमय सिद्धांत पर आधारित है, जो विकरणशील संतुलन को सन्दर्भित करता है। विस्तृत संतुलन का सिद्धांत कहता है कि उत्सर्जन और अवशोषण की प्रक्रिया के बीच कोई अजीब किस्म का सह-संबंध नहीं है, उत्सर्जन की प्रक्रिया अवशोषण से प्रभावित नहीं होती बल्कि यह केवल उत्सर्जन कर रहे पदार्थ की सौर स्थिति से प्रभावित होती है। इसका मतलब यह हुआ कि टी तापमान पर पदार्थ द्वारा उत्सर्जित कुल प्रकाश, चाहे वह कृष्ण पदार्थ हो या नही, हमेशा उस कुल प्रकाश के बराबर होता है, जिसे पदार्थ अवशोषित करता है, जो टी तापमान पर प्रकाश से घिरा हो।
कृष्णिका के लिए अवशोषित प्रकाश की मात्रा उतनी होती है, जितनी वह सतह पर पड़ती है। किसी भी तरंगदैर्घ्य λ के प्रति ईकाई समय में अवशोषित प्रकाश ऊर्जा अनिवार्य रूप से कृष्णिका के कर्व के अनुपात में होती है। इसका मतलब है कि कृष्णिका का घुमाव कृष्णिका द्वारा उत्सर्जित प्रकाश ऊर्जा जितना है, जो इसके नाम को उपयुक्त ठहराता है। यह सौर विकिरण का किरचॉफ नियम है: कृष्णिका का उत्सर्जन घुमाव प्रकाश की सौर विशेषता है, जो केवल गुहा की दीवारों केतापमानपर ही निर्भर करता है, बशर्ते यह स्थिति होनी आवश्यक है कि गुहा में कुछ पूरी तरह से काली सामग्री हो और यह विकरणशील संतुलन में हो।  जब कृष्णिका इतना छोटा हो कि इसके आकार की प्रकाश के तरंगदैर्घ्य से तुलना की जा सके तो अवशोषण संशोधित हो जाता है, क्योंकि एक छोटी सी वस्तु लंबे तरंगदैर्घ्य के प्रकाश का एक कुशल अवशोषक नहीं हो सकती, लेकिन उत्सर्जन और अवशोषण की कठोर समानता के सिद्धांत हमेशा सही ठहराये जाते हैं।
प्रयोगशाला में, कृष्णिका के विकिरण की मात्रा का अनुमान एक बड़ी गुहा के प्रवेशद्वार पर एक छोटे छेद, एकहोहलेरम, जिसमें कृष्णिका होता है और जिसे संतुलन तक पहुंचाया जाता है और बरकरार रखा जाता है, के जरिये लगाया जाता है। (यह तकनीक वैकल्पिक शब्द गुहा विकिरण की ओर ले जाती है). इस छेद में प्रवेश करने वाली प्रकाश की किसी ‍किरण को निकलने से पहले गुहा की दीवारों पर कई बार प्रतिबिंबित होना होता है, जिस प्रक्रिया में इसका अवशोषित होना लगभग निश्चित हो जाता है। यह प्रवेश कर रहे विकिरण के तरंगदैर्घ्य से मतलब रखे बिना भी हो सकता है (जब तक कि यह छेद की तुलना में छोटा रहता है). तब यह छेद एक सैद्धांतिक कृष्णिका के करीबी सन्निकटन के रूप में होगा और यदि गुहा को गर्म किया जाये तो छेद के विकिरण का वर्णक्रम (जैसे प्रत्येक तरंगदैर्घ्य पर छेद से उत्सर्जित प्रकाश की राशि) सतत होगा, हालांकि यह भी पूरी सुनिश्चित करना होगा कि गुहा में लगभग पूरी तरह से काली कुछ सामग्री रखी गई हो और यह भी कि संतुलन कायम किया गया है और इसे बरकरार रखा गया है, लेकिन इन प्रावधानों के साथ, यह आगे गुहा की अन्य सामग्रियों पर आश्रित नहीं रहती है। (उत्सर्जन वर्णक्रम की तुलना में).
19 वीं सदी के उत्तरार्द्ध के दौरान सैद्धांतिक भौतिकी में कृष्णिका के घुमाव की गणना एक प्रमुख चुनौती थी। आखिर इस समस्या का हल 1901 में मैक्स प्लैंक द्वारा कृष्णिका विकिरण के प्लैंक नियम द्वारा किया गया।
थर्मोडायनेमिक्स और इलेक्ट्रोमैगनेटिज्म से तालमेल रखते हुए उनहोंने वायेन के विकिरण नियम (वायन के विस्थापन नियम के साथ भ्रमित नहीं होना) में बदलाव किये और एक संतोषजनक तरीके से प्रयोगात्मक डेटा के उपयुक्त एक गणितीय सूत्र पाया। अपने फार्मूले की भौतिक व्याख्या पाने के लिए तब प्लैंक ने यह माना कि गुहा में दोलन की ऊर्जा (यानी कुछ मात्रा के गुणज पूर्णांक) संतुलित हो गई है। आइंस्टीन ने इस विचार को आगे बढ़ाया और 1905 में ही फोटो इलेक्ट्रिक प्रभाव की व्याख्या करने के लिए प्रस्तावित विद्युत चुम्बकीय विकिरण के परिमाणीकरण का प्रस्ताव दिया। इन सैद्धांतिक प्रगतियों के परिणामस्वरूप अंततः क्वांटम इलेक्ट्रोडायनेमिक्स ने क्लासिकल इलेक्ट्रोमैगेटिज्म को खत्म कर दिया। आज, इन क्वांटा (प्रमात्रा सिद्धांत) को फोटॉनकहा जाता हैं और सोचा जा सकता है कि कृष्णिका की गुहा में फोटॉन्स की गैस हो सकती हैं। इसके अलावा, इसने क्वांटम प्रोबेबलिटी डिस्ट्रीब्यूशंस के विकास को दिशा दिखाई, जिसे फर्मी-डायरेक स्टेटिक्स और बोस-आइंस्टीन स्टेटिक्स कहा गया व इनमें से प्रत्येक कण विभिन्न वर्गों के लिए लागू होते हैं, जिनका क्लासिकल डिस्ट्रीब्यूशंस के बदले क्वांटम मैकेनिक्स में प्रयोग किया जाता है। फेरमियोन और बोसॉन भी देखें .
वह तरंगदैर्घ्य, जिस पर विकिरण सबसे मजबूत होता है, वायेन का विस्थापन नियम कहलाता है और प्रति यूनिट क्षेत्र में उत्सर्जित समग्र शक्ति स्टीफन बोल्ट्जमान नियम द्वारा दिया गया। अतः जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, चमक का रंग लाल से पीले और फिर सफ़ेद से नीले में परिवर्तित होता है। यहां तक कि चोटी पर पहुंचा तरंगदैर्घ्य पराबैगनी में प्रवेश करता है, तो नीले तरंगदैर्घ्य में पर्याप्त विकिरण का उत्सर्जित होना जारी रहता है, जिससे पदार्थ नीले रंग में दिखता रहता है। यह कभी भी अदृश्य नहीं होगा- वास्तव में, दृश्य प्रकाश का विकिरण तापमान के साथ एक गति से बढ़ता रहता है।
चमक या पर्यवेक्षित तीव्रता दिशा का कार्य नहीं है। इसलिए एक कृष्णिका एक परिपूर्ण लाम्बर्टियन रेडियेटर होता है।
असली वस्तुएं कभी भी पूर्ण आदर्श काले पदार्थों की तरह व्यवहार नहीं करतीं और इसके बदले एक तय आवृत्ति पर उत्सर्जित विकिरण, हो सकने वाले एक आदर्श उत्सर्जन का एक अंश है। एक सामग्री का उत्सर्जन बताता है कि एक वास्तविक पदार्थ एक कृष्णिका की तुलना में कितनी अच्छी तरह ऊर्जा का विकिरण करता है। यह {0}उत्सर्जन{/0} कई कारकों, जैसे तापमान, उत्सर्जन की दिशा और तरंगदैर्घ्य पर निर्भर करता है। हालांकि, इंजीनियरिंग में यह मान विशिष्ट है कि एक सतह का वर्णक्रमीय उत्सर्जन और अवशोषण तरंगदैर्घ्य पर निर्भर नहीं करते हैं, इसलिए उत्सर्जन एक निरंतर प्रक्रिया है। इसे ग्रे बॉडी पूर्वानुमान के रूप में जाना जाता है।
गैर-काली सतहों से निपटने के क्रम में आदर्श काले-पदार्थ के व्यवहार का अपसरण ज्यामितीय संरचना और रासायनिक समिश्रण दोनों द्वारा निर्धारित होता हैं और यह भी तय होना चाहिए लगभग कृष्णिका का विकरणशील संतुलन वर्तमान हो। यह किचार्फ नियम के करीब हैं : उत्सर्जन अवशोषण के बराबर होता है, इसलिए जो वस्तु पड़ रहे समस्त प्रकाश को अवशोषित नहीं करती वह एक आदर्श कृष्णिका की तुलना में कम विकिरण उत्सर्जित करेगी।
खगोल विज्ञान में तारों जैसे पिंडों को अक्सर कृष्णिका माना जाता है, हालांकि यह एक कमजोर सन्निकटन है। एक लगभग पूर्ण कृष्णिका विकिरण वर्णक्रम ब्रह्मांडीय सूक्ष्म तरंग पृष्ठभूमि विकिरण द्वारा ही प्रदर्शित होता है। विकिरण का फैलाव काले छेद द्वारा उत्सर्जित एक काल्पनिक कृष्णिका विकिरण है।

हालांकि प्लैंक के फार्मूले में भविष्यवाणी की गई है कि एक कृष्णिका सभी आवृत्तियों पर ऊर्जा का विकिरण करेगा, हालांकि यह फार्मूला तभी लागू होगा, जब अनेक फोटोन्स को मापा जा रहा हो। उदाहरण के लिए, कमरे के तापमान (300 के) पर एक वर्गमीटर के सतह क्षेत्र में एक कृष्णिका प्रत्येक 41 सेकेंड पर एक फोटोन की औसत दर पर दृश्य रेंज (390-750 एनएम) पर एक फोटोन उत्सर्जित करेगा, इसका मतलब यह हुआ कि ज्यादातर व्यावहारिक प्रयोजनों में एक ऐसा कृष्णिका दृश्य परास में उत्सर्जन नहीं करेगा।

कृष्णिका अनुकारी (सिमुलेटर)

हालांकि एक कृष्णिका एक सैद्धांतिक वस्तु है (यानी उत्सर्जनई = 1.0), अवरक्त विकिरण को स्रोत के सामान्य अनुप्रयोग एक कृष्णिका के रूप में परिभाषित करते हैं, जब वस्तु 1.0 के उत्सर्जन (आम तौर पर ई =0.99 या बेहतर) तक पहुंचती है। जब एक अवरक्त विकिरण का स्रोत 0.99 से कम हो तो इसे "ग्रे बॉडी" के रूप में सन्दर्भित किया जाता है। कृष्णिका अनुकारी (सिमुलेटर) के अनुप्रयोगों में आम तौर पर अवरक्त प्रणालियों और अवरक्त संवेदक उपकरण का परीक्षण और अंशांकन शामिल होता हैं।
अति कृष्णिका ऐसा ही एक उदाहरण है, जो निकल-फास्फोरस मिश्र धातु से बनाया जाता है। अभी हाल ही में, जापानी वैज्ञानिकों की एक टीम ने कृष्णिका के बहुत करीब की एक सामग्री बनाई है, जो लम्बवत कोण पर एकल दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब्स पर आधारित है, जो वर्णक्रम सीमा में पराबैंगनी से अवरक्त परास के आपतित प्रकाश के 98% से 99% भाग को अवशोषित करती है।

एक ग्रह और इसके तारे के बीच तापमान संबंध

मोटे तौर पर एक ग्रह के तापमान का अनुमान लगाने के लिए काले-पदार्थ के नियम का प्रयोग किया गया है। सतह ग्रीनहाउस प्रभाव के कारण अधिक गर्म हो सकती है।