Maddeler, sıcaklıklarına göre farklı miktarda enerji yayar. Bu enerjiyi elektromanyetik dalgalar olarak düşünelim. Elektromanyetik dalgalar, görünür ışık, kızılötesi ve morötesi gibi farklı türlerde olabilir. Maddeler sıcaklıkları arttıkça daha fazla enerji yayar, bu olaya termal ışıma diyoruz.
Termal ışımaya basit bir örnek: Soba üzerinde ısınan metal parçası başlangıçta kızıl renkte görünürken daha çok ısındıkça turuncu ve sonunda neredeyse beyaz renge dönüşür. Bu değişim sıcaklığın artmasıyla ışığın renginin ve enerjisinin nasıl değiştiğini bize gösterir.
Termal Işınımın Temelleri
- Termal ışıma, bir cismin sıcaklığından dolayı yaydığı ışıma türüdür.
- Tüm maddeler, sıcaklıkları mutlak sıfırın () üzerinde olduğu sürece termal ışıma yapar.
- Sıcaklık arttıkça, atom ve moleküllerin titreşimleri daha enerjik hale gelir; bu da ışığın daha kısa dalga boylarında (örneğin, mavi) yayılmasına neden olur.
- Örneğin:
- Düşük sıcaklıkta cisimler kırmızımsı ışık yayar.
- Yüksek sıcaklıklarda turuncu-sarı ışık, çok yüksek sıcaklıklarda ise mavi ışık görülebilir.
Siyah Cisim Işıması
Siyah cisim, üzerine düşen tüm ışığı hiçbir şekilde yansıtmadan tamamen soğuran ideal bir cisimdir. Gerçek dünyada tam siyah cisim yoktur, ama kömür gibi maddeler siyah cisme oldukça yakındır. Siyah cisimler aynı zamanda soğurdukları enerjiyi tekrar yayarlar. Buna siyah cisim ışıması denir.
Günlük hayattan bir örnek düşünelim: Güneşte uzun süre bırakılan siyah bir araba, güneş ışığını çok iyi so ğurur ve hızla ısınır. Isındıkça aldığı enerjiyi termal ışıma olarak çevresine geri yaymaya başlar.
- Gerçekte mükemmel bir siyah cisim bulunmasa da, bazı maddeler belirli koşullar altında siyah cisim davranışı gösterebilir (örneğin, içi siyah boyalı kapalı kutular).
- Siyah cisim, üzerine gelen tüm elektromanyetik ışığı tamamen soğurur.
- Soğurduğu ışığı yansıtmaz veya geçirmez; sadece kendi sıcaklığı nedeniyle ışıma yapar.
Sıcaklık ve Işıma Arasındaki İlişki
Bir cismin sıcaklığı arttıkça yaydığı ışığın dalga boyu azalır ve enerjisi artar. Örneğin, düşük sıcaklıklarda maddeler genelde kızılötesi ışın yayarken, sıcaklık arttıkça kırmızı, sarı, beyaz ve en sonunda mavi renge doğru ilerler. Yıldızların renkleri sıcaklıklarına bağlıdır; soğuk yıldızlar kırmızımsı görünürken, sıcak yıldızlar mavimsi bir renk alır.
Bunu açıklayan formül, Wien (Vin) Yasası olarak bilinir:
Burada:
- maksimum ışımanın olduğu dalga boyunu,
- ise cismin sıcaklığını Kelvin cinsinden gösterir.
Bu formül bize, sıcaklık arttıkça maksimum ışımanın gerçekleştiği dalga boyunun küçüldüğünü (daha enerjik hale geldiğini) gösterir.
Morötesi Felaketi ve Planck Hipotezi
Eskiden fizikçiler, maddelerin sıcaklığı arttıkça sonsuz miktarda enerji yayacağını düşünüyordu. Buna morötesi felaketi adını verdiler. Ancak bu teorik tahmin, deney sonuçlarıyla uyuşmadı. Bu çelişkiyi Max Planck, yeni bir hipotez ile çözdü.
Planck, enerjinin sürekli değil, belirli küçük paketler (kuantumlar) halinde yayıldığını ortaya koydu. Bu paketlere kuanta dedi ve enerjiyi açıklamak için yeni bir formül önerdi:
Burada:
- : Enerji miktarı,
- : Bir tam sayı (1, 2, 3, …),
- : Planck sabiti (),
- : Yayınlanan ışığın frekansıdır.
Planck’ın bu buluşu, modern fiziğin temelini atan büyük bir devrim olmuştur.
Gerçek Hayattan Örnekler
- Köz Halindeki Kömür: Kamp ateşi veya mangalda yanan kömürler başlangıçta kırmızı renkte ışıma yapar; sıcaklık arttıkça turuncuya ve hatta beyaza yakın renklere geçiş gözlemlenebilir.
- Ampul Filamanları: Akkor filamanlı ampullerde tungsten tel belirli bir sıcaklığa kadar ısıtılır. Tel, yüksek sıcaklıkta parlak sarı-beyaz bir ışıma yapar. Telin rengi ve parlaklığı, filamanın sıcaklığına bağlıdır.
- Yıldızlar: Yıldızların yüzey sıcaklığı (yaklaşık 3000 K’den 40.000 K’ye kadar değişebilir) onların renklerini belirler. Düşük sıcaklıklı yıldızlar kırmızı, orta sıcaklıktakiler sarı (Güneş gibi) ve çok yüksek sıcaklıktakiler beyazdan maviye dönük görünür.
