Qara Cisim Radıasyonu: Tərif, Xüsusiyyətləri və Tətbiqləri

Qara cisim tərif olunur ki, onu çəkən bütün elektromaqnit təsiri ilə cəlb edir və təbii dövrdən asılı olmayan mühitlər ilə termodynamik mütəzəddə olan qara cismin təbii təsiri ilə fəlsəfi bir obyekt kimi təsvir edilir. Qara cisim təsiri fizika, astronomiya, inşaat və digər sahələrdə çox sayda tətbiqə malikdir.

Nədir Qara Cisim?

Qara cisim teorik bir konseptdir ki, təsirin ideal qəbulçusu və yayıcısıdır.

Heç bir real obyekt mükəmməl qara cisim deyil, lakin bəzi obyektlər müəyyən şərtlərdə ona yaxınlaşa bilər. Məsələn, kiçik bir deliqlə kavitə qara cisim kimi davranır, çünki deliğə girdiyi istilik təsiri içərisində saxlanılarak bir neçə dəfə çuvan və sonradan kavitə divarları tərəfindən qəbul edilir. Dəliq tərəfindən yayılan təsir sonra qara cismin xarakteristiği olur.

Qara cisim heç bir təsiri çuvan və ya nəticə vermir; sadece təsir qəbul edir və yayır. Bu səbəbdən, soyuq qara cisim görünmür və heç bir görünən işığını yaymır. Amma, qara cismin temperaturu artırıldığında, daha çox təsir yayır və spektri qısalaradak keçir. Yüksək temperaturlarda, qara cisim görünən işığını yayır və temperaturuna görə qırmızı, narıncı, sarı, ağ vəya mavi görünə bilər.

Qara Cisim Təsirinin Xüsusiyyətləri

Qara cisim təsirinin spektri davamlıdır və yalnız qara cismin temperaturasına asılıdır. Spektr iki mühüm qanunla təsvir edilə bilər: Wien’ın yerdeyişmə qanunu və Stefan-Boltzmann qanunu.

Wien’ın Yerdeyişmə Qanunu

Wien’ın yerdeyişmə qanunu belirtir ki, qara cisim təsirinin maksimum intensivliyi olan dalğa uzunluğu qara cismin temperaturasına ters orantılıdır. Riyazi olaraq, bu aşağıdakı kimi ifadə olunur:

burada λmax maksimum dalğa uzunluğudur, T qara cismin mutlak temperaturasıdır, b isə Wien’ın yerdeyişmə sabiti adlanan sabitdir, ki, 2.898×10−3 m K qiymətini alır.

Wien’ın yerdeyişmə qanunu, niyə qara cismin rəngi temperaturdan asılı olaraq dəyişdiyini izah edir.

Temperatur artıqca, maksimum dalğa uzunluğu azalır və spektr qısalaradak keçir. Məsələn, otaq temperaturasında (yaxın 300 K), qara cisim əsasən infracarmıl təsir yayır və maksimum dalğa uzunluğu yaxın 10 μm olur. 1000 K-də, qara cisim əsasən qırmızı işığa yayır və maksimum dalğa uzunluğu yaxın 3 μm olur. 6000 K-də, qara cisim əsasən ağ işığa yayır və maksimum dalğa uzunluğu yaxın 0.5 μm olur.

Stefan-Boltzmann Qanunu

Stefan-Boltzmann qanunu belirtir ki, qara cisim tərəfindən bir vahid sahədə yayılan ümumi güc onun mutlak temperaturasının dördüncü dərəcəsinə mütənasibdir.

Riyazi olaraq, bu aşağıdakı kimi ifadə olunur:

burada Me ümumi güc bir vahid sahədə (yaxud emissiv güc və ya radiant çıxış) T qara cismin mutlak temperaturasıdır, σ isə Stefan-Boltzmann sabiti adlanan sabitdir, ki, 5.670×10−8 W m$^{-2}K^{-4}$ qiymətini alır.

Stefan-Boltzmann qanunu, niyə qara cismin temperaturu artıqca daha çox təsir yaydığını izah edir. Məsələn, əgər qara cismin temperaturu iki dəfə artırılırsa, emissiv gücu 16 dəfə artırılır.

Qara Cisim Təsirinin Tətbiqləri

Qara cisim təsiri elmi və texnologiya sahələrində çox sayda tətbiqa malikdir. Bəzi nümunələr:

• Astronomiyada, ulduzlar qara cisimlər kimi təxmini edilə bilər və spektrlarından Wien’ın yerdeyişmə qanunu ilə temperaturası təxmin edilə bilər.

   

• Məsələn, günəşin effektiv səth temperaturası yaxın 5800 K olur və əsasən 0.5 μm maksimum dalğa uzunluğu olan görünən işığa yayır.

• İnşaat sahəsində, termal görüntü cihazları infracarmıl kameraları istifadə edərək Stefan-Boltzmann qanunu ilə obyektlərin temperaturasına əsasən yaydığı istiliyi aşkarlayır.

   

• Termal görüntü təhlükəsizlik, gözləmə, yangın söndürmə, tibbi diaqnoz və digər məqsədlər üçün istifadə edilə bilər.

• Fizikada, qara cisim təsiri 20-ci əsrin əvvəllərində kvant teorisinin inkişafına səbəb olan hadisələrdən biriydi.

   

• Klasik fizika, qara cisim təsirinin spektrinin yüksək frekanslarda Rayleigh-Jeans qanundan fərqli olaraq sonsuz enerjiyə səbəb olan ultraviyolla felaketini izah edə bilmədi. Max Planck, bu problemin həllinə qədər enerjinin diskret birimlərdən ibarət olduğunu və kvant və ya fotonlar kimi yayıldığını təklif etdi. Planck qanunu kvant teorisini istifadə edərək qara cisim təsirinin spektrini təsvir edir.

Xülasə

• Qara cisim, bütün çəkilən təsiri qəbul edən və sadece temperaturasına asılı olan davamlı spektrli təsir yayan fəlsəfi bir obyekt kimi təsvir edilir.

• Qara cisim təsiri, təbii dövrdən asılı olmayan mühitlər ilə termodynamik mütəzəddə olan qara cismin təbii təsiridir.

• Wien’ın yerdeyişmə qanunu belirtir ki, qara cisim təsirinin maksimum dalğa uzunluğu onun temperaturasına ters orantılıdır.

• Stefan-Boltzmann qanunu belirtir ki, qara cisim tərəfindən bir vahid sahədə yayılan ümumi güc on