إشعاع الجسم الأسود: التعريف، الخصائص، والتطبيقات
يُعرَف الجسم الأسود بأنه جسم مثالي يمتص جميع الإشعاعات الكهرومغناطيسية التي تسقط عليه ويصدر إشعاعًا له طيف مستمر يعتمد فقط على درجة حرارته. الإشعاع المنبعث من الجسم الأسود هو الإشعاع الحراري الذي يصدره الجسم الأسود في حالة التوازن الديناميكي الحراري مع محيطه. للإشعاع المنبعث من الجسم الأسود العديد من التطبيقات في الفيزياء والفلك والهندسة وغيرها من المجالات.
ما هو الجسم الأسود؟
الجسم الأسود هو مفهوم نظري يمثل الممتص والمصدر المثالي للإشعاع.
لا يوجد جسم حقيقي مثالي تمامًا مثل الجسم الأسود، ولكن بعض الأجسام يمكن أن تقترب منه تحت ظروف معينة. على سبيل المثال، يمكن لتجويف صغير به فتحة صغيرة أن يعمل كجسم أسود، لأن أي إشعاع يدخل الفتحة يتم حبسه داخل التجويف ويعكس عدة مرات حتى يتم امتصاصه بواسطة جدران التجويف. والإشعاع المنبعث من الفتحة يكون خاصية للجسم الأسود.
الجسم الأسود لا يعكس أو ينقل أي إشعاع؛ فهو يمتص ويصدر الإشعاع فقط. لذلك، يبدو الجسم الأسود أسود عندما يكون باردًا ولا يصدر أي ضوء مرئي. ومع ذلك، كلما ارتفعت درجة حرارة الجسم الأسود، زاد الإشعاع المنبعث منه وتحول طيفه إلى أطوال موجية أقصر. عند درجات الحرارة العالية، يمكن للجسم الأسود أن يصدر ضوءًا مرئيًا ويبدو أحمرًا أو برتقاليًا أو أصفرًا أو أبيضًا أو أزرقًا حسب درجة الحرارة.
خصائص الإشعاع المنبعث من الجسم الأسود
طيف الإشعاع المنبعث من الجسم الأسود مستمر ويعتمد فقط على درجة حرارة الجسم الأسود. يمكن وصف الطيف بموجب قانونين مهمين: قانون وين للإزاحة وقانون ستيفان-بولتزمان.
قانون وين للإزاحة
يقول قانون وين للإزاحة إن الطول الموجي الذي تكون فيه شدة الإشعاع المنبعث من الجسم الأسود هي الأقصى يكون عكسياً تناسبياً مع درجة حرارة الجسم الأسود. يمكن التعبير عن ذلك رياضياً كما يلي:
حيث λmax هو الطول الموجي القمة، T هي درجة الحرارة المطلقة للجسم الأسود، وb هو ثابت يعرف باسم ثابت وين للإزاحة، والذي له قيمة تبلغ 2.898×10−3 م ك.
يشرح قانون وين للإزاحة سبب تغير لون الجسم الأسود مع درجة الحرارة.
مع زيادة درجة الحرارة، ينخفض الطول الموجي القمة، ويتحول الطيف إلى أطوال موجية أقصر. على سبيل المثال، عند درجة حرارة الغرفة (حوالي 300 ك)، يصدر الجسم الأسود معظم الإشعاع تحت الأحمر بطول موجي قمة حوالي 10 ميكرون. عند 1000 ك، يصدر الجسم الأسود معظم الضوء الأحمر بطول موجي قمة حوالي 3 ميكرون. عند 6000 ك، يصدر الجسم الأسود معظم الضوء الأبيض بطول موجي قمة حوالي 0.5 ميكرون.
قانون ستيفان-بولتزمان
يقول قانون ستيفان-بولتزمان إن القوة الكلية المنبعثة لكل وحدة مساحة من الجسم الأسود تكون تناسبية مع رابع درجة الحرارة المطلقة.
يمكن التعبير عن ذلك رياضياً كما يلي:
حيث Me هي القوة الكلية لكل وحدة مساحة (وتعرف أيضًا بالقوة الباعثة أو القدرة الإشعاعية الخارجة)، T هي درجة الحرارة المطلقة للجسم الأسود، وσ هو ثابت يعرف باسم ثابت ستيفان-بولتزمان، والذي له قيمة تبلغ 5.670×10−8 واط/م² ك⁴.
يشرح قانون ستيفان-بولتزمان سبب زيادة الإشعاع المنبعث من الجسم الأسود مع زيادة درجة الحرارة. على سبيل المثال، إذا ضاعفت درجة حرارة الجسم الأسود، فإن قوته الباعثة تزداد 16 مرة.
تطبيقات الإشعاع المنبعث من الجسم الأسود
للهشعاع المنبعث من الجسم الأسود العديد من التطبيقات في مجالات مختلفة من العلوم والتكنولوجيا. بعض الأمثلة هي:
في علم الفلك، يمكن تقريب النجوم كأجسام سوداء، ويمكن تقدير درجات حرارتها من خلال طيفها باستخدام قانون وين للإزاحة.
على سبيل المثال، الشمس لديها درجة حرارة سطحية فعالة تبلغ حوالي 5800 ك وتصدر معظم الضوء المرئي بطول موجي قمة حوالي 0.5 ميكرون.
في الهندسة، تستخدم أجهزة التصوير الحراري كاميرات تحت الحمراء للكشف عن الحرارة المنبعثة من الأجسام بناءً على درجات حرارتها باستخدام قانون ستيفان-بولتزمان.
يمكن استخدام التصوير الحراري للأمن والمراقبة والإنقاذ من الحرائق والتشخيص الطبي وغيرها من الأغراض.
في الفيزياء، كان الإشعاع المنبعث من الجسم الأسود أحد الظواهر التي أدت إلى تطور النظرية الكمية في بداية القرن العشرين.
لم يستطع الفيزياء الكلاسيكي تفسير سبب انحراف طيف الجسم الأسود عن قانون رايلي-جينز عند الترددات العالية وإنتاج طاقة لا نهائية تعرف بالكوارث فوق البنفسجي. اقترح ماكس بلانك أن الطاقة كانت مكممة وأنها تصدر في وحدات متقطعة تسمى الكوات أو الفوتونات لحل هذه المشكلة. يصف قانون بلانك طيف الجسم الأسود باستخدام النظرية الكمية.
ملخص
الجسم الأسود هو جسم مثالي يمتص جميع الإشعاعات الساقطة ويصدر إشعاعًا له طيف مستمر يعتمد فقط على درجة حرارته.
الإشعاع المنبعث من الجسم الأسود هو الإشعاع الحراري الذي يصدره الجسم الأسود في حالة التوازن الديناميكي الحراري مع محيطه.
يقول قانون وين للإزاحة إن الطول الموجي القمة للإشعاع المنبعث من الجسم الأسود يكون عكسياً تناسبياً مع درجة حرارته.
يقول قانون ستيفان-بولتزمان إن القوة الكلية المنبعثة لكل وحدة مساحة من الجسم الأسود تكون تناسبية مع رابع درجة الحرارة.
للهشعاع المنبعث من الجسم الأسود العديد من التطبيقات في الفيزياء والفلك والهندسة وغيرها من المجالات.
بيان: احترم الأصل، المقالات الجيدة تستحق المشاركة، إذا كان هناك انتهاك لحقوق الملكية الفكرية يرجى التواصل لإزالته.
