جسم سیاه
جسمی است که در تمام طول موج ها تابش می کند و اگر نوری به آن تابیده شود بازتابی از آن رخ نمی دهد. می توان ستارگان را با دقت بالایی جسم سیاه در نظر گرفت. با تقریب خوبی می توان یک جسم توخالی با سطح درونی کاملا بازتابی را که روزنه ی کوچکی برای ورود و خروج نور دارد یک جسم سیاه در نظر گرفت. تابشی که از راه این روزنه وارد جسم شود احتمال خیلی کمی دارد که از آن خارج شود. این تابش به طور پی در پی در سطوح درونی این جسم بازتاب می شود و در هر بازتاب مقداری از آن چذب خواهد شد. اگر از درون روزنه ی جسم به درونه آن نگاه کنیم سیاه خواهد بود. اگر جسم سیاه را داغ کنیم،از خود تابش الکترومغناطیسی خواهد داشت. طیف این تابش مستقل از جنس جسم سیاه است و فقط به دمای آن وابسته خواهد بود. بررسی جسم سیاه و تفسیر دقیق آن به وسیله ی پلانک یکی از بنیان های نظریه ی مکانیک کوآنتومی را پایه گذاری کرد.
مفهوم جسم سیاه
بر حسب تعریف، هر جسمی كه فقط جزیی از انرژی تابشی را بتواند جذب كند و جزء دیگر را بازتاب داده و یا از خود عبور دهد، اصطلاحاً جسم حقیقی ( یا معمولی ) نامیده می شود. بررسیها نشان داده است كه در بین اجسام معمولی، سطح صیقلی فلزات (آینه) كمترین قدرت جذب انرژی تابشی ( حدود 6 درصد ) را دارد و قسمت عمدة آن را بازتاب می دهد. بدیهی است كه هر چه سطح جسم ناهموارتر باشد. مقدار بیشتری از انرژی تابشی را می تواند جذب كند. هر جسمی كه بتواند در دمای معمولی، تمامی انرژی تابشهایی را كه با هر طول موج و تحت هر زاویه ای كه بر آن بتابد، جذب كند، اصطلاحاً جسم سیاه نامیده می شود. بدیهی است كه هر گاه جسم سیاه در محیطی كه دمای كمتری دارد. قرار گیرد، می تواند تمامی تابشهای جذب شده را نشر دهد. یعنی جسم سیاه هم جذب كنندة كامل و هم نشر دهندة كامل است. هر چند چنین جسمی ممكن است وجود خارجی نداشته باشد ولی تا حدی می توان به آن دسترسی پیدا كرد. در عمل برای دست یافتن به جسمی كه تقریباً مانند جسم سیاه عمل كند، حفره ای در دیواره یك كوره كه جدار داخلی آن كاملاً دوده اندود بوده و به تعداد زیادی از پره های دوده اندود مجهز باشد، ایجاد می كنند. در این صورت تقریباً 97 درصد انرژی پرتوهایی كه به داخل آن حفره بتابند، جذب می شوند.
مفهوم تابش جسم سیاه
تابشهای گرمایی ( تابش زیر قرمز ) كه طول موج آنها از طول موج تابشهای مرئی بزرگتر و انرژی آنها كمتر است و منحصراً بر اثر تحریك گرمایی اتم های جسم به وجود می آیند، تابش جسم سیاه نامیده می شود. چنین تابشی به ماهیت جسم یا منبعی كه آن را از خود منتشر می كند، بستگی ندارد، بلكه به دمای آن جسم وابسته است. از آنجایی كه این نوع تابشها، مرئی نبوده و در نتیجه، اگر منبع نورانی خارجی وجود نداشته باشد، جسمی كه آنها را تابش می كند نیز دیده نمی شود و سیاه به نظر می آید، از این رو، اصطلاحاً تابش جسم سیاه نامیده شده است. بدیهی است با بالا رفتن دما، جسم سیاه می تواند تابشهایی با طول موج های كوتاهتری را منتشر كند. مثلاً در دماهای پائین تر از 1000 كلوین، فقط پرتوهای زیر قرمز تابش می شوند ( تابشهای گرمایی ) كه دیده نمی شوند. بین 2000 تا 3000 درجه كلوین ( دمای كمان الكتریكی و رشته تنگستن ) پرتوهای مرئی نیز تابش می شود ولی تابشهای گرمایی شدت بیشتری دارد و جسم به رنگ سرخ دیده می شود. ولی بین دماهای 4000 تا 6000 درجه كلوین ( دمای سطح خورشید ) علاوه بر پرتوهای زیر قرمز و مرئی، پرتوهای فرابنفش نیز تابش می شود و جسم به تدریج به رنگهای قرمز، نارنجی، زرد و سرانجام سفید دیده می شود. لومر 1 و پرینگشایم 2 ( در سال 1899 ) با انجام آزمایشها و بررسی نتایج حاصل از آنها توانستند نمودار تغییرات انرژی تابشی جسم سیاه یا جسم ملتهب را نسبت به طول موج ( طیف انرژی ) در دماهای مختلف طبق شكل زیر بدست آورند. با در نظر گرفتن اصول نظریة كلاسیك تابشهای الكترومغناطیسی، روند این نمودارها غیر منتظره و بسیاری از جنبه های آن غیر قابل توجیه بود. زیرا بر خلاف آنچه كه براساس نظریة كلاسیك تابشهای الكترومغناطیس پیش بینی می شد، انرژی تابشی جسم سیاه، متناسب با توان فركانس یعنی متناسب با عكس مجذور طول موج افزایش نمی یابد. بلكه در هر دما، به تدریج كه طول موج كوتاهتر می شود، ابتدا انرژی تابشی افزایش یافته و پس از رسیدن به یك مقدار ماكزیمم، رو به كاهش می گذارد. نمودار های توزیع (طیف) انرژی تابشی یك جسم سیاه نسبت به طول موج در دماهای مختلف علاوه بر آن در هر دما، طول موجی كه به ازای آن، انرژی تابشی جسم سیاه به مقدار ماكزیمم خود می رسد، كوتاهتر می شود. به منظور توجیه چنین روندهای غیر منتظره ای، روابطی ارائه شد كه هیچ یك نمی توانستند مبنای درستی برای توجیه كامل روند نتایج تجربی مربوط به تابش جسم سیاه باشند. پلانك 3 ، به منظور ارائه یك زیر بنای نظری قابل قبول برای توجیه نتایج تجربی تابش جسم سیاه و جسم ملتهب در سال 1900 نظریة كاملاً تازه ای به شرح زیر بیان داشت كه نظریة كوانتومی تابش نامیده شده است: بر خلاف نظریة كلاسیك، یك نوسان كننده، نمی تواند تمام مقادیر پیوسته انرژی را در برداشته باشد. بلكه باید قبول كرد كه در هر شرایطی دارای مقدار مشخصی انرژی است. هر یك از این مقادیر مشخص ) است. یعنی می توان نوشت: e انرژی، مضارب درستی از یك واحد بنیادی انرژی به نام كوآنتوم انرژی ( E = ne عدد درستی است كه عدد كوانتومی نامیده می شود و می توان تمام اعداد درست مثبت و صفر n كه را به آن نسبت داد. هر نوسان كننده، فقط هنگامی می تواند مقداری از انرژی خود را تابش كند كه دارای سطوح انرژی سقوط كند (E1) به سطح انرژی مجاز پایین تر (E2 ) مشخص و مجازی باشد و از یك سطح انرژی مجاز بالاتر كه در این صورت، تفاوت انرژی دو سطح را به صورت یك كوانتوم انرژی تابش می كند، یعنی می توان نوشت: e = E2 - E1 به ازای هر طول موج، یك كوانتوم مشخص تابش می شود كه مقدار آن با عكس طول موج و یا با فركانس تابش متناسب بوده و از رابطه زیر قابل محاسبه است: e = hv ثابتی است كه به ثابت پلانك معروف شد. و مقدار آن برابر h فركانس تابش و v كه در آن 6.626 است . این رابطه را با توجه به اینكه ´10-34 Js l است ،می توان به صورت زیر نوشت : v = c l e = hc كه نشان می دهد، بر خلاف نظریة كلاسیك انرژی ، E = nhv : با توجه به روابط بالا، می توان نوشت تابشی با فركانس تابش متناسب است ( نه با توان دوم آن ) در توجیه پیوسته به نظر آمدن تابشهای الكترومغناطیس، پلانك، فرض كرد كه هر نوسان كننده، یك كوانتوم انرژی متناسب متناسب با فركانس خاص خود را تابش می كند. چون تعداد نوسان كننده ها در جسم تابش كننده، فوق العاده زیاد است و هر كدام با فركانس معینی نوسان می كنند، امكان تابش تمام كوانتوم های قابل تصور به وسیلة جسم ملتهب یا جسم سیاه وجود دارد. از این رو، تابش آنها پیوسته به نظر می آید. در توجیه وجود ماكزیمم در نمودارها، پلانك فرض كرد كه به ازای هر دما، فركانس مناسبی (فركانس غالب) وجود دارد كه تعداد بیشتر ی از نوسان كننده ها با آن فركانس نوسان می كنند. در نتیجه، انرژی تابش جسم سیاه عمدتاً شامل كوانتوم های مربوط به چنین فركانسی خواهد بود، در صورتی كه كوانتوم های كوچكتر و یا بزرگتر، امكان تابش كمتری دارند. در پاسخ به این پرسش كه چرا با بالا رفتن دما، نقطه ماكزیمم در نمودارهای شكل، به سمت طول موجهای كوتاهتر جابجا می شود، پلانك فرض كرد كه فركانس نوسان كننده ها، از جمله فركانس غالب نیز در جهت كوتاهتر شدن، جابجا می شود. (lmax ) افزایش یافته، طول موج نظیر آن در مورد شدت انرژی تابشی جسم سیاه، پلانك برخلاف طرفداران نظریة كلاسیك پیشنهاد كرد كه این شدت با تعداد كوانتوم هایی كه در واحد زمان از واحد سطح جسم تابش می شود متناسب است.
منبع
olympiad.roshd.ir
