Kara Cisim Işıması

Bütün nesneler mutlak sıfır sıcaklığının (0 K, -273.15 °C) üzerinde elektromanyetik radyasyon formunda enerji yayınlar. Bir “kara cisim” üzerine düşen tüm radyasyonu soğuran, hiçbir şekilde yansımanın ya da iletimin olmadığı teorik veya model bir cisimdir. Bu nedenle, mükemmel bir soğurucu ve tüm dalga boylarında mükemmel radyasyon yayınlayıcı olan varsayımsal bir nesnedir. Bir kara cisim tarafından yayılan ısıl enerjinin spektral  dağılımı (bir dizi dalga boyu ya da frekanslar üzerinden radyasyon yoğunluğunun şekli) sadece sıcaklığına bağlıdır.

Şekil 1. Birkaç farklı sıcaklıkta kara cisim ışıma eğrileri.

Kara cisim ışımasının özellikleri birkaç yasa ile açıklanabilir:

• Belirli bir mutlak sıcaklıkta (T), her dalga boyundaki (E_λ) yayımın spektral enerji yoğunluğunu belirleyen aşağıdaki bağıntı ile ifade edilen Planck’ın kara-cisim ışıma yasası.
• Yayma pik frekansının (f_max) mutlak sıcaklık (T) ile doğrusal bir şekilde artış gösterdiğini ifade eden Wien’in yer değiştirme yasası. Buna karşılık, cismin sıcaklığı arttıkça yayma eğrisinde dalga boyu azalır.
• Yayılan toplam enerjiyi (E) mutlak sıcaklık ile ilişkilendiren Stefan-Boltzmann yasası. 

Şekil 1’de dikkat edilmesi gerekilen şeyler:

• Kara cisim ışıma eğrileri oldukça karmaşık bir şekle sahiptir (Planck yasası ile açıklanmıştır).
• Belirli bir sıcaklıkta spektral görüntü (veya eğri) belirli bir dalga boyuna karşılık gelir. Bu durumun tersi de geçerlidir.
• Kara cismin sıcaklığı arttıkça dalga boyu azalır (Wien yasası).
• Bütün dalga boylarında yoğunluk (ya da akı) kara cismin sıcaklığı arttıkça artış gösterir.
• Sıcaklık arttıkça yayılan toplam enerji (eğri altındaki alan) hızlı bir şekilde artar (Stefan-Boltzman yasası).
• Yoğunluk, çok kısa ya da uzun dalga boylarında çok düşük olabilmesine rağmen, mutlak sıfır sıcaklığının üzerinde herhangi bir sıcaklıkta teorik olarak bütün dalga boylarında (kara cisim ışıma eğrileri asla sıfır noktasına ulaşmaz) enerji yayınlanır.

Astronomide, her zaman iyi bir yaklaşım olmasa da yıldızlar genellikle kara cisimler olarak modellenir. Bir yıldızın sıcaklığı radyasyon eğrisinin dalga boyundan çıkarılabilir. 1965 yılında, kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu (CMBR) Penzias ve Wilson tarafından keşfedildi. Bu çalışmalarından dolayı daha sonra Nobel ödülünü kazandılar. Radyasyon spektrumu COBE uydusu tarafından ölçüldü ve 2.725 K sıcaklığına sahip bir kara cisim eğrisine uyan dikkat çekici bir sonuç bulundu. Bunun durum, evrenin yaklaşık 13.7 milyar yıldır genişlediğinin ve soğuduğunun kanıtı olarak yorumlandı. Daha yakın zamandaki bir görev olan WMAP,  spektral ayrıntıları çok yüksek bir çözünürlük ile ölçerek  evrenin ilk zamanlarında küçük sıcaklık dalgalanmalarını buldu ve bugün gördüğümüz büyük ölçekli yapıların nasıl oluştuğunun keşfine neden oldu.

Kaynak

http://astronomy.swin.edu.au/cosmos/B/Blackbody+Radiation