کالا بدن کی ریڈیئیشن: تعریف، خصوصیات، اور درجاتِ استعمال
ایک کالا بدن کی تعریف کی جاتی ہے ایک مثالی شے جو پڑنے والی تمام الکٹرومیگنیٹک ریڈیئیشن کو سنبھالتی ہے اور صرف اپنی درجہ حرارت پر منحصر ہوتی ہے۔ کالا بدن کی ریڈیئیشن ترمودینامک توازن میں اپنے ماحول کے ساتھ کالا بدن کی طرف سے نکلنے والی حرارتی ریڈیئیشن ہوتی ہے۔ کالا بدن کی ریڈیئیشن فزکس، ایسٹرونو می، انجینیرنگ اور دیگر شعبوں میں کئی استعمالات ہیں۔
کالا بدن کیا ہے؟
کالا بدن ایک نظریاتی مفہوم ہے جو ریڈیئیشن کا ایک مثالی سنبھالنے والا اور نکلانے والا ظاہر کرتا ہے۔
کوئی حقیقی شے کامل کالا بدن نہیں ہوتی، لیکن کچھ شے خاص حالات میں اس کی طرح عمل کر سکتی ہیں۔ مثلاً، ایک چھوٹا سوراخ والا کیویٹی کالا بدن کی طرح کام کر سکتا ہے، کیونکہ جو بھی ریڈیئیشن سوراخ میں داخل ہوتی ہے وہ کیویٹی کے اندر بند ہو جاتی ہے اور کئی بار کیویٹی کے دیواروں سے منعکس ہوتی ہے تاکہ آخر کار کیویٹی کے دیواروں سے سنبھال لی جائے۔ سوراخ سے نکلنے والی ریڈیئیشن پھر کالا بدن کی طرح کی خصوصیات رکھتی ہے۔
کالا بدن کوئی ریڈیئیشن کو منعکس یا منتقل نہیں کرتا؛ یہ صرف ریڈیئیشن کو سنبھالتا اور نکالتا ہے۔ اس لیے، کالا بدن جب گرم نہ ہو تو کالا دکھائی دیتا ہے اور کوئی مرئی ریڈیئیشن نہیں نکالتا۔ لیکن جب کالا بدن کا درجہ حرارت بڑھتا ہے تو یہ زیادہ ریڈیئیشن نکالتا ہے اور اس کا طيف کم لمبائی کی طرف منتقل ہوتا ہے۔ بلند درجہ حرارت پر کالا بدن مرئی ریڈیئیشن نکال سکتا ہے اور اپنے درجہ حرارت کے مطابق سرخ، سنہری، پیلے، سفید یا نیلے رنگ کا نظر آ سکتا ہے۔
کالا بدن کی ریڈیئیشن کی خصوصیات
کالا بدن کی ریڈیئیشن کا طيف مستمر ہوتا ہے اور صرف کالا بدن کے درجہ حرارت پر منحصر ہوتا ہے۔ طيف کو دو اہم قوانین سے بیان کیا جا سکتا ہے: وین کا محمل قانون اور سٹیفن-بولتسمان کا قانون۔
وین کا محمل قانون
وین کا محمل قانون بتاتا ہے کہ کالا بدن کی ریڈیئیشن کی شدت کا زیادہ سے زیادہ مقدار کے طول موج کالا بدن کے درجہ حرارت کے عکس تناسب میں ہوتا ہے۔ ریاضیاتی طور پر یہ یوں لکھا جا سکتا ہے:
جہاں λmax زیادہ سے زیادہ شدت کا طول موج ہے، T کالا بدن کا مطلق درجہ حرارت ہے، اور b وین کا محمل دائم ہے، جس کی قیمت 2.898×10−3 m K ہے۔
وین کا محمل قانون بتاتا ہے کہ کالا بدن کا رنگ درجہ حرارت کے ساتھ تبدیل ہوتا ہے۔
درجہ حرارت بڑھنے کے ساتھ زیادہ سے زیادہ شدت کا طول موج کم ہوتا ہے، اور طيف کم طول موج کی طرف منتقل ہوتا ہے۔ مثلاً، کمرے کے درجہ حرارت (تقریباً 300 K) پر، کالا بدن زیادہ تر انفراریڈ ریڈیئیشن نکالتا ہے جس کا زیادہ سے زیادہ شدت کا طول موج تقریباً 10 μm ہوتا ہے۔ 1000 K پر، کالا بدن زیادہ تر سرخ روشنی نکالتا ہے جس کا زیادہ سے زیادہ شدت کا طول موج تقریباً 3 μm ہوتا ہے۔ 6000 K پر، کالا بدن زیادہ تر سفید روشنی نکالتا ہے جس کا زیادہ سے زیادہ شدت کا طول موج تقریباً 0.5 μm ہوتا ہے۔
سٹیفن-بولتسمان کا قانون
سٹیفن-بولتسمان کا قانون بتاتا ہے کہ کالا بدن کی جانب سے یونٹ علاقے کے فی واحد علاقے نکلنے والی کل طاقت کالا بدن کے مطلق درجہ حرارت کے چوتھے اُس کے تناسب میں ہوتی ہے۔
ریاضیاتی طور پر یہ یوں لکھا جا سکتا ہے:
جہاں Me کل طاقت فی واحد علاقے (جو کہ ایمسیو پاور یا ریڈیئنٹ ایگزٹنس بھی کہلاتا ہے)، T کالا بدن کا مطلق درجہ حرارت ہے، اور σ سٹیفن-بولتسمان دائم ہے، جس کی قیمت 5.670×10−8 W m$^{-2}K^{-4}$ ہے۔
سٹیفن-بولتسمان کا قانون بتاتا ہے کہ کالا بدن اپنے درجہ حرارت کے بڑھنے کے ساتھ زیادہ ریڈیئیشن نکالتا ہے۔ مثلاً، اگر کالا بدن کا درجہ حرارت دوگنا ہو جائے تو اس کی ایمسیو پاور 16 گنا بڑھ جاتی ہے۔
کالا بدن کی ریڈیئیشن کے استعمالات
کالا بدن کی ریڈیئیشن کئی سائنسی اور ٹیکنالوجی کے شعبوں میں کئی استعمالات ہیں۔ کچھ مثالیں یہ ہیں:
اسٹرونو می میں، ستارے کو کالا بدن کی طرح لگایا جا سکتا ہے، اور ان کے درجہ حرارت ان کے طيف کے ذریعے وین کے محمل قانون کا استعمال کرتے ہوئے تخمینہ لگایا جا سکتا ہے۔
مثال کے طور پر، سورج کا موثر سطحی درجہ حرارت تقریباً 5800 K ہے اور یہ زیادہ تر مرئی روشنی نکالتا ہے جس کا زیادہ سے زیادہ شدت کا طول موج تقریباً 0.5 μm ہوتا ہے۔
اینجینئرنگ میں، ٹھرمی تصویر برداری کے آلے انفراریڈ کیمرا استعمال کرتے ہیں تاکہ اشیاء کے درجہ حرارت کے بنیاد پر ہٹ ہوئی گرمی کا پتہ لگا سکیں، سٹیفن-بولتسمان کے قانون کا استعمال کرتے ہوئے۔
ٹھرمی تصویر برداری کو سیکیورٹی، سرپرستی، آگ بجوئی، طبی تشخیص اور دیگر مقاصد کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔
فزکس میں، کالا بدن کی ریڈیئیشن نے 20ویں صدی کے اوائل میں کوآنتیک نظریہ کی ترقی کے لیے مدد کی۔
