Kara Cisim Işıması Nedir?

Termodinamik dengede bulunan bir kara cismin, yalnızca sıcaklığından ötürü yaptığı ışımaya kara cisim ışıması (ya da siyah cisim ışıması) denir. Kara cisim ise; üzerine düşen tüm ışınımı soğuran ve hiçbirini yansıtmayan, bu sebeple de kara olması gerektiğini ön gördüğümüz, tamamen varsayımsal bir cisimdir. Yapılan bu ışımayı inceleyip matematiksel olarak ifade ettiğimiz fonksiyon Planck dağılım fonksiyonudur.

"Kara cisim ışıması nedir?" sorusunu cevaplamak ve anlamlandırmak biraz zor olabilir. Lakin bu olay fiziksel birçok olgunun temelinde yatar. Eğer kara cisim ışımasının ne olduğunu tam olarak anlayabilirseniz, fizik alanında ufkunuz genişleyecektir.

Daha basit bir ifadeyle kara cisim ışımasını (ya da siyah cisim radyasyonunu) açıklamaya çalışalım. Burada öncelikli olarak bilinmesi gereken ışıma kelimesinin aslında radyasyon ile aynı olduğudur. Genellikle radyasyon denilince akla sağlığı tehdit eden iyonize edici radyasyon gelir, fakat radyasyon sadece bundan ibaret değildir. Gördüğümüz ışık dahil tüm elektromanyetik spektrum bir radyasyondur. Eğer bu konu kafanızı karıştırıyorsa, elektromanyetik spektrum konusuna göz atmakta fayda var.

Kara Cisim Işımasının Doğası

Kara cisim ışıması, özetle şunu söyler: Her cisim, var olan sıcaklığından ötürü bir ışıma yapar.

Fakat yapılan bu ışıma farklı dalga boylarında, farklı şiddettedir. Nispeten sıcak cisimler daha ziyade moröte (ultraviyole) bölgede ışıma yaparken, nispeten soğuk cisimler ise daha çok kızılöte (infrared) bölgede ışıma yapar. Buna ek olarak cismin sıcaklığı arttıkça her bölgede yaptığı ışıma da artmaktadır. Yani soğuk cisimler, en fazla ışımalarını kızılötede bölgede yapıyor; fakat sıcak cisimler kızılöte bölgede soğuk cisimlerden de daha çok ışıma yapıyor. Ancak sıcak cisimler kendi içlerinde en baskın olarak morötede daha fazla ışıma yapıyor.

Bu sebeple soğuk yıldızlar kırmızı görünürken, sıcaklık arttıkça yıldızların rengi önce sarıya ardından beyaza ardından da maviye doğru gidiyor. Biraz karmaşık görünen ifadeler olduğunun farkındayım. İşe biraz matematiksel açıdan yaklaşırsak yorumlamak çok daha kolay olacaktır.

Yukarıdaki grafikte yatay eksen dalga boyunu gösteriyor. Soldan sağa doğru gidildikçe dalga boyunun arttığına yani enerjinin azaldığına dikkat edin. Yatay eksende solda kalan bölüm, yüksek enerjili taraf olduğu için, basitçe moröte taraf olarak adlandıracağım. Aslında orada X ışınları gibi birçok ışıma daha var, fakat görsel bölgede maviden sonra geldikleri için basitçe morötesi demeyi anlatım kolaylığı açısından uygun görüyoruz. Dolayısıyla yatayda sağda kalan bölge de yine radyo dalgaları gibi farklı dalgaları barındırsa da oraya da basitçe "kızılötesi bölge" diyeceğiz. Dikey eksende gördüğümüz değer ise yapılan ışımanın yeğinliğini, yani basitçe miktarını belirtiyor.

Sıcaklık ve Kara Cisim Işıması İlişkisi

Siyah ile gösterilen 3500 K sıcaklığa sahip olan bir cismin, yaptığı ışımanın maksimum dalga boyuna dikkat edin. Bu dalga boyu, 4000 K olan cismin yaptığı ışımanın, maksimum olduğu dalga boyundan daha uzun dalga boyuna denk düşer. Sıcaklık arttıkça tepe noktasının sola kaydığını, yani sıcaklık arttıkça en fazla yapılan ışımanın dalga boyunun kısaldığını görürüz. Bir başka deyişle sıcaklık arttıkça, en fazla yapılan ışımanın enerjisi de artmaktadır. Bir diğer dikkat çekici nokta ise, sıcaklık arttıkça tüm bölgelerde yapılan ışımanın arttığıdır. Bu konuda daha fazla bilgi için Wien Yasası yazımızı okuyabilirsiniz.

Tam olarak bu sebeplerden ötürü, ısıttığınız bir cisim önce kırmızı görünmeye başlar. Çünkü gözümüzün görme aralığına denk düşen en düşük enerjili ışıma kırmızı renge karşılık gelir. Ardından ısıtmaya devam ettikçe cismin yapacağı ışıma kırmızı bölgede artacaktır. Bu daha kızıl olmasına sebep olmalı diye düşünebilirsiniz. Fakat daha yüksek enerjili mavi bölgede yapacağı ışıma, kırmızı bölgede yapacağından çok daha fazla artar. Dolayısıyla hali hazırda kırmızı görünen cisme bir de mavi renk eklenir. Tüm renkleri karıştırırsanız elde edeceğiniz renk beyaz olduğundan, eşitlik durumunda cisim beyaz görünecektir. Eğer biraz daha ısıtır ve mavi bölgede yaptığı ışımayı artırırsanız, beyaza mavi eklendiği için mavi görünmesine sebep olursunuz.

Yukarıdaki fotoğrafta, ısıtılan bir demirde bunun harika bir örneğini görüyoruz. Demirin en çok ısınan bölgesi yüksek sıcaklığı sebebiyle beyaz görünürken, giderek aşağıya doğru daha soğuk olan bölgeleri sarı, ardından da kırmızı olarak görüyoruz. Burada gördüğümüz olay, doğrudan kara cisim ışımasına bir örnektir. Fakat buradaki cismin bizim varsaydığımız gibi bir cisim olmadığını da unutmayın.

Kısaca Kara Cisim Işıması

Özetle, kara cisim ışımasıyla ilgili şu noktaları vurgulayabiliriz:

• Her cisim sıcaklığından ötürü bir ışıma yapar.
• Bu ışımanın bir maksimum noktası bulunur.
• Cismin sıcaklığı arttıkça maksimum noktası, yüksek enerjili tarafa doğru kayar (Wien kayma yasası).
• Cismin sıcaklığı arttıkça her bölgede yaptığı ışıma artar.
• Bu nedenle ısınan cisim önce kırmızı, ardından sarı, ardından beyaz, ardından da mavimsi tonlarda görünür.

Isınan bir demir bu nedenle kızarır, ardından sararır. Aynı sebepten ötürü hiç yeşil yıldız yoktur.

Teori vs. Pratik

Her madde doğası gereği, yukarıda paylaştığımız gibi pürüzsüz bir eğri vermek yerine, bu eğrinin üzerinde girintiler çıkıntılar olan bir eğri verir. Hiçbir cisim asla böyle pürüzsüz bir eğri vermez. Örneğin aşağıdaki görsel, Güneş'in spektrumuna aittir. Buradaki girintiler, Güneş'ten yayılan fakat oradaki gazlarla etkileşime girdiği için bir takım soğurulmaya (absorption) maruz kalan dalga boylarını işaret eder.

İleri Okuma: Kara Cisim Işıması Formülleri

Planck Fonksiyonu

$h$ Planck sabiti, $c$ ışık hızı $\nu$ frekans, $T$ sıcaklık, $k_B$ boltzmann sabiti olmak üzere Planck fonksiyonu aşağıdaki gibi verilir.

$B_{\nu }(T)=\frac{2h{\nu }^3}{c^2}\frac{1}{e^{\frac{h\nu }{k_{B}T}}-1}$

Birimi $\text{W}\cdot {\text{sr}}^{-1}\cdot {\text{m}}^{-2}\cdot {\text{Hz}}^{-1}$'dir.

Wien Yaklaşımı

Şu eşitsizlikten yola çıkarsak:

$\frac{h\nu }{kT}\gg 1$

Şunu yazabiliriz:

$e^{\frac{h\nu }{kT}}-1\approx e^{\frac{h\nu }{kT}}$

Bu durumda Planck fonksiyonu aşağıdaki gibi yazılabilir.

$B_{\nu }\approx \frac{2h{\nu }^3}{c^2}{e}^{-h\nu /kT}$

Rayleigh Yaklaşımı

Tam tersine bakalım:

$\frac{h\nu }{kT}\ll 1$

Agora Bilim Pazarı

Celestron Mikroskop Slayt Seti - 100 parça

Celestron Türkiye distribütöründen direkt ve ücretsiz kargo

100 parçadan oluşan hazır slayt setidir. Ahşap taşıma kutusu ile birlikte satılmaktadır. Eğitim amaçlı kullanılabilecek nitelikte örneklerden oluşmaktadır. Kutusunda örnek slaytlar kapsayan böcek parçaları, bitki parçaları, hayvan parçaları, geniş bir ürün yelpazesine yüksek güç mikroskoplar 40x ve üstü için tasarlanmıştır. Elde edeceğiniz slayt örnekleri şöyledir:

1. Üç çeşit bakteri (cam üstüne yayılmış simir şeklinde)
2. Penisilin
3. Aspergillus, toprakta,gübrede ve çeşitli hububatta bulunan bir mantar türü
4. Rhizopus Sporangia; çeşitli çürümelere sebep olan bir mantar
5. Actinomyces bakterisi: ağızda şidetli yanmalara sebep olan çubuk şeklinde bir bakteri
6. Chlamydomonos; yeşil deniz yosunu
7. Diatom: tek hücreli deniz otu
8. Closterium, deniz yosununun, tatlı sularda olan türü
9. Spirogyra; yeşil deniz yosunu türü
10. Spirogyra Conjugation: yeşil deniz yosunu türünün çiftleşmiş şekli
11. Liken,misk sığırı karayosunu kesiti
12. Eğreltiotu yaprağı
13. Eğreltiotu protalı (eğreltilerde sproun çimlenmesiyle gelişen ve gametofitler taşıyan organ)
14. Sarı yasemin yaprağı enine kesiti
15. Elodea: Suda yaşayan zararlı otlardan oluşan bir bitkinin sapının enine kesiti
16. Elodea bitkisinin yaprak enine kesiti
17. Çam ağacı yaprağının enine kesiti
18. Çam ağacının erkek kozalağının boyuna kesiti
19. Çam ağacının dişi kozalağının boyuna kesiti
20. Gingko ağacının yaprağının enine kesiti
21. Mısırın kök ucu
22. Genç bakla kökü enine kesiti
23. Mısır sapının enine kesiti
24. Mısır sapının boyuna kesiti
25. Kabak sapının enine kesiti
26. Kabak sapının boyuna kesiti
27. Ayçiçeği sapının enine kesiti
28. Karayosunu erkek üreme hücresi boyuna kesiti
29. Karayosunu dişi üreme hücresi boyuna kesiti
30. Karayosunu sporlarının çimlenmesinden oluşan iplik biçimindeki organ
31. Ihlamur ağacı gövdesinin enine kesiti
32. Ihlamur ağacı gövdesinin boyuna kesiti
33. Sardunya çiçeği sapının enine kesiti
34. Bakla yaprağı
35. Polen çimlendirilmesi
36. Polen
37. Domatesin enine kesiti
38. Orkidenin toprak üstünde kalan kökünün enine kesiti
39. Soğan kökünün ucundaki hücrelerin mitoz bölünmesi
40. Besi dokulu mısır tohumunun boyuna kesiti
41. Bitki kanalları bölümü
42. Lilyum ve zambak yumurta hücreleri enine kesiti
43. Lilyum ve zambakta erkek üreme organı enine kesiti
44. Lilyum ve zambakta yaprak enine kesiti
45. Capsella bitkisinin olgun embriyonu
46. Capsella bitkisinin genç embriyonu
47. Soğanın epitel dokusu
48. Öglena; Tatlı sularda yaşayan bir hücreli canlı
49. Paramesyum (Tek hücreli canlı Terliksi hayvanın)
50. Hidra
51. Hidranın boyuna kesiti
52. Yassı bağırsak parazitinin boyuna kesiti
53. Kan paraziti erkeği
54. Kan paraziti dişisi
55. Bağırsak solucanı (erkek) enine kesiti
56. Solucanın boyuna kesiti
57. Yılan derisi enine kesiti
58. Supiresi
59. Rotifer (çok hücreli en küçük su hayvanı)
60. Dişi sivrisinek ağız kısmı
61. Balarısı ağız kısmı
62. Balarısı ayakları
63. Kelebeğin ağız kısımları
64. Sineğin ağız kısımları
65. Ağustos böceği ağız kısımları
66. Karınca 2.5 mm uzunluğunda
67. Sağlıklı bir balık pulu
68. Balarısının gözü
69. Ağustos böceği trakesi
70. Sağlıklı bir midye solungaç enine kesiti
71. İnsan kanı simiri
72. Balık kanı simiri
73. Tek hücreli kirpikli hayvan epitel dokusu
74. Basit epitel doku
75. Katmanlar halinde epitel doku
76. At solucanı yumurtalarının mitoz hücre bölünmesi
77. İnce bağırsak enine kesiti
78. Yoğun kemik kısmı
79. Köpek tendonu
80. Serbest bağ dokusu
81. İskelet kası enine kesiti
82. Kalp kası
83. Sağlıklı bir omirilik enine kesiti
84. Sinir hücreleri
85. Düzgün bir kas yapısı
86. Sağlıklı bir akciğer kesiti
87. Sağılıklı bir mide kesiti
88. Sağlıklı bir karaciğer kesiti
89. Sağlıklı bir lenf düğümü kesiti
90. Fare akciğerinin kan damarları enjekte edilmiş şekliyle kesiti
91. Fare böbreğinin kan damarları enjekte edilmiş şekliyle kesiti
92. Fare böbreği boyuna kesiti
93. Sağlıklı bir testis kesiti
94. Kedi yumurtalığı kesiti
95. İnsan epitel dokusu
96. DNA, RNA, çözülmemiş spiral şeklinde Azure-B mavi biyolojik lekeli burun hücreleri RNA ve DNA sıyla.
97. Sağlıklı bir pankreas salgı bezi
98. Golgi aygıtı örneği: Çok sayıda, birbirine paralel endoplazmik retikulumun borucuğu hücre çekirdeğine yakın bir bölgede bir araya gelerek Golgi aygıtını kurar.
99. İnsan kromozomu, erkek
100. İnsan kromozomu, dişi

Devamını Göster

₺5,800.00

Satın Al Tüm Ürünler

Bu eşitsizlik için Taylor serisini açtığımızda:

$B_{\nu }\approx \frac{2{\nu }^{2}kT}{c^2}$

elde edilir.