Kara cisim ışınımı
Açıklaması

Tüm maddeler sıcaklıkları mutlak 0'ın üstünde iken elektromanyetik ışıma yayar. Bu ışıma maddenin termal enerjisini elektromanyetik enerjiye dönüştürür bu olay termal ışıma olarak adlandırılır. Bu olay entropinin dağılımının doğal bir sürecidir.
Diğer taraftan, tüm maddeler elektromanyetik ışımayı eşit derecede soğururlar. Tüm dalga boyundaki ışımaları tamamı ile soğuran maddelere siyah cisim denir. Siyah cisim, değişmeyen bir sıcaklıktayken, yansıması sadece sıcaklığa bağlı olan karakteristik frekans dağılımına sahiptir. Bu yansımaya siyah cisim ışıması denir.
%100 siyah cisimler doğada bulunmasa da siyah cismin kavramı idealleştirmedir, İs karası ve grafit 0.95'ten daha büyük bir salım gücüne sahip olmasına rağmen siyah cisme en yakın örneklerdir. Siyah cisim ışıması deneysel olarak, değişmeyen sıcaklıkta tamamen opak ve kısmen yansıtan eninde sonunda kararlı hal denge ışıması yapacak olan katı cisimler olarak belirlenmiştir. Sabit sıcaklıkta küçük bir deliği olan kapalı bir kutudaki grafit duvarları başlangıçtan yayılan siyah cisim ışımasına iyi bir örnek teşkil eder.
Siyah cisim ışımasının ışınımsal yoğunluğu termodinamik dengede sürüp gidebilen kendi eşsiz dağılımına sahiptir. Dengede, cisimden yansıyan ve yayılan ışımanın toplam yoğunluğu her bir frekans için denge sıcaklığı ile kararlı hale getirilmiştir ve şekle, maddenin cinsine ya da yapısına bağlı değildir. Siyah cisim için, yansıyan ışıma yoktur yani spektral parlaklık tamamıyla ışınım sayesinde olur. Buna ek olarak, siyah cisim homojen olarak yayılır. (Yayılımı yönünden bağımsızdır.) Sonuç olarak, siyah cisim ışıması termal dengedeki siyah cismin yayılmasıdır.
Fırının içindeki enerji miktarı hacim vs. frekans grafiğindeki siyah cisim eğrileriyle bulunur. Farklı eğimler sıcaklık değiştirilerek elde edilir.Siyah cisim ışıması, yeteri kadar yüksek sıcaklık sağlanırsa görülebilir parlak ışığa dönüşür. Draper noktası tüm katılar için renklerinin soluk kırmızı olduğu sıcaklıktır, 798 K'e eşittir. Cisim bir fırında 1000K'e kadar ısıtıldığında dışarıdan kırmızı görünür, sıcaklığı 6000K'e çıktığında ise beyaz görünür. Cismin ne olduğunun ya da fırının ne kadar donanımlı olduğunun önemi yoktur, tüm ışık fırının duvarı tarafından emildiğinde cisimlerin hepsi siyah cisim ışımasına oldukça yaklaşık bir örnek teşkil eder. Işığın spektrumu ve rengi boşluğun sıcaklığının bir işlevi olarak ortaya çıkar.
Prevost'un takas prensibine göre aynı sıcaklık ve aynı termal dengedeki iki cisimlerden biri T sıcaklığında ışık huzmesi içinde kalırsa ışık huzmesinin soğurduğu kadar ışığı yansıtır ve bu ışınımsal dengeyi sağlar. Detaylı denge prensibi termodinamik dengede tüm sürecin eşit çalıştığını söyler. Prevost ayrıca şunu da göstermiştir; cismin yaptığı ışıma mantıken iç durumunun kararlılığına bağlıdır. Termodinamik emmenin etkisi termodinamik ışıma ile direkt olarak alakalı değildir, ancak yine de cismin iç durumunu etkiler. Bu şu anlama gelir; termodinamik denge her dalga boyunun miktarının her yöndeki termal ışımanın T sıcaklığındaki cisim tarafından yansıtılmasıdır, siyah ya da değil, bu durum cismin T sıcaklığında soğurduğu ışıkla da ilişkilidir ve soğurulan ışık ile yansıtılan ışık eşit miktardadır.
Cisim siyahken, soğurma barizdir: yüzeye ulaşan tüm ışık soğurulur. Siyah bir cismin dalga boyu çok daha büyüktür, herhangi bir dalga boyunda soğurulan ışık enerjisi tam anlamıyla siyah cismin kıvrımlarıyla orantılıdır. Bu siyah cismin kıvrımlarının yansıtılan ışık enerjisi miktarına eşit olduğu anlamına gelir. Bu Kirchhoff'un termal ışıma kanununun uygulanması için gereken koşuldur: Siyah cisim kıvrımı termal ışığın sadece oyuğun duvarlarının sıcaklığına bağlı olan ve boşluğun duvarlarının tamamen opak ya da ışığı daha az yansıtan bir cisim olmasını engelleyen ve termal dengedeki oyuk (cavity) niteliğidir. Siyah cisim küçükken boyutu ışığın dalga boyu ile karşılaştırılabilir, soğurum değiştirilir çünkü küçük bir obje uzun dalga boylu ışığın çok iyi bir soğurucusu değildir, ancak yansıtma ve soğurmanın sert eşitlik prensibi her zaman termodinamik denge durumunu korur.
Labarotuvarda, siyah cisim ışıması küçük bir delikten büyük bir oyuğa doğru yapılabilir, bir kısmı yansıtıcı, tamamı opak cismin sıcaklığı sabit tutulur. (Bu teknik oyuk ışımasının alternatif bir versiyonudur.) Boşluğa giren ışık oyuğun duvarları tarafından oyuktan çıkana kadar yansıtılır, bu süreç ışığın soğurulması için yapılır. Soğurma oyuğa giren ışımanın dalga boyundan bağımsız gerçekleşir. Delik, kuramsal olarak siyah cisme en yakın objedir ve oyuk ısıtılırsa deliğin ışıma spektrumu devam eder ve sadece duvarın opaklığı ve yansıtıcılığına bağlıdır ancak oyuğun ve deliğin yapıldığı materyale belirgin olarak bağlı değildir.
19. yüzyılın sonlarında kuramsal fizikteki ana sorun siyah cismin kıvrımlarını hesaplamaktı. Bu problem 1901 yılında Max Planck tarafından, Planck'in siyah cisim ışıması kanunu ile çözülmüştür. Planck, Wien'in ışıma kanunda yaptığı termodinamik ve elektromanyetizmaya uygun değişikliklerle deneysel bilgilere uyan matematiksel ifadeler bulmuştur. Planck, oyuktaki osilatörlerin enerjisinin sayısal olarak belirlenmek zorunda olduğunu varsaydı, yani miktarın sayısal olarak belirtilebileceğini düşündü. Einstein, bu düşünceyi temellendirerek elektromanyetik ışımayı sayısal olarak 1905'te fotoelektrik olayla açıkladı. Bu kuramsal ilerlemeler sonucunda kuantum elektrodinamiği klasik elektromanyetizmanın yerini almıştır. Foton olarak anılan nicel paketleri ve siyah cisim oyuğu fotonların gazını kapsayan cisimler olarak düşünülmüştür. Buna ek olarak, her bir parçacık, bozon ve fermiyon için uygulanabilen fotoelektrik olay kuantumun dağılım olasılığı; Bose-Einstein istatistiği ve Fermi-Dirac istatistiğinin gelişimine önderlik etmiştir.
Işımanın en güçlü olduğu dalga boyu Wien'in yer değiştirme kanunu ile bulunur, yansıtılan toplam güç ise Stefan-Boltzmann kanunu ile bulunur. Böylece, sıcaklık yükseldikçe, parıltının rengi de kırmızıdan sarıya, sarıdan beyaza, beyazdan maviye doğru değişir. Dalga boyu zirvedeyken ultraviyoleye dönüşür ve yeteri kadar ışıma mavi dalga boyu olarak yansımaya devam ederse cisim mavi olarak görünür. Cisim asla görünmez olmaz, hatta görünür ışığın ışıması monoton olarak sıcaklıkla birlikte artar.
Parlaklık ya da gözlemlenen yoğunluk yönün işlevi değildir. Bu yüzden siyah cisim kusursuz bir Lambertian radyatörüdür.
Gerçek cisimler asla tam olarak siyah cisim gibi davranmaz ve onun yerine verilen frekanstaki en uygun kısmı yansıtırlar. Bir maddenin yayım gücü o maddenin siyah cisimle karşılaştırıldığında ne kadar enerji yansıttığını belirler. Bu yayım gücü dalga boyu, sıcaklık ve ışıma açısı faktörlerine bağlıdır. Ancak, mühendislikte yüzeyin spektral yayım gücü ve emme sığası dalga boyuna bağlı değildir, bu yüzden yayım gücü sabittir. Bu gri cisim varsayımı olarak bilinir.
Siyah olmayan yüzeylerde, ideal siyah cisim halinden sapma durumu yüzey alanın sertliği ya da taneselliği ve kimyasal bileşenlerine göre kararlaştırılır. Her bir dalga boyu temelinde, gerçek objeler termodinamik denge durumundayken Kirchhoff'un kanununu takip eder: salım gücü emme sığasına eşittir, bu yüzden bir obje gelen tüm ışığın hepsini soğurmaz ve siyah cismin yansıttığından daha az ışığı yansıtır; düşen ışığın bir kısmı cisimden iletilmiştir ya da cismin yüzeyinden yansıtılmıştır bu yüzden soğurma eksik olarak gerçekleşir.
Astronomide, yıldız gibi cisimler genel olarak siyah cisim olarak görülür, ancak bu eksik bir yaklaşımdır. Siyah cisim spektrumunun neredeyse sergilendiği olay kozmik mikrodalga arka planı ışımasıdır. Hawking ışıması siyah cisim ışımasının kara delikler tarafından kütleye bağlı bir sıcaklıkta, deliğin dönmesi ve yüklenmesiyle gerçekleştiğini iddia eden bir varsayımdır. Eğer bu tahmin doğruysa, kara delikler foton ve diğer parçacıkların yaptığı ışıma sonucunda gittikçe küçülecek ve buharlaşacaktır.
Siyah cisimler tüm frekanslarda enerji ışıması yaparlar, ancak yüksek frekanslarda yoğunluğu hızlıca sıfıra düşmeye başlar.Örneğin; 300K oda sıcaklığında bir metrekarelik yüzey alanı olan bir siyah cisim, her 41 saniye de görünür aralıklarda (390-750 nm) foton yansıtır, yine de birçok elverişli ortamda siyah cisim görünebilir aralıklarda yansıma yapmaz.